混合動力及電動汽車維修安全(上)

◆文/河北 馬金剛

近幾年，我國正在逐漸普及混合動力、純電動汽車等新能源汽車?；旌蟿恿螂妱悠嚲鶐в懈邏海m然特約維修站的技術人員有受到廠家的相關技術培訓，但是除了特約維修站外，普通的汽車修理廠技師人員也在維修這些車輛，因此，如何保證維修安全顯得尤為重要。本文將以國外某知名車企為例，從車輛高壓系統部件、高壓安全與健康、安全維修制度與流程等三個方面講解如何保證電動車輛維修安全。

一、車輛高壓系統

1.高壓部件

帶有高壓(HV)電的汽車可分為混合動力汽車(HEV)、插電式混合動力汽車(PHEV)和純電動汽車(BEV)三種類型?；旌蟿恿囕v高壓部件的位置如圖1所示，插電式混合動力車輛高壓部件的位置如圖2所示，純電動車輛高壓部件的位置如圖3所示。因目前市面上，插電式混合動力車輛居多，后續部件介紹以插電式混合動力汽車為主。

圖1 混合動力車輛HV部件

①HV蓄電池充電端口；②電動空調壓縮機(EAC)；③HV電動輔助加熱器；④高壓接線盒 (HVJB) ；⑤高壓至低壓直流-直流轉換器；⑥高壓逆變器；⑦手動維修斷開裝置；⑧HV 蓄電池；⑨高壓充電器；⑩電機-發電機 (MG) ；11HV 電纜(橙色)。

圖3 純電動車輛HV部件

2.高壓電纜

為了便于識別，所有承載高壓系統電纜的顏色均為橙色。一般說來，當高壓系統處于激活狀態時，請勿觸摸任何高壓部件或橙色電纜。每根電纜均由1個機械鎖定裝置進行固定，因此在安裝電纜時要確保電纜已完全固定，還要保證只將正確的電纜安裝到其相應的插座上。接頭被密封，電纜被隔離，以防止異物或水的進入。

3. 插電式混合動力高壓(HV)蓄電池

高壓(HV)蓄電池的作用是存儲電能以供高壓系統使用。插電式混合動力高壓(HV)蓄電池標稱電壓通常是388V。高壓蓄電池是鋰離子蓄電池，其主要部件為正電極、負電極和電解液。負電極通常由碳制成，正電極是鎳、鈷和鋁的多層結構。每種材料都允許鋰離子在正負電極之間遷移。這些材料的組合用于提供滿足EV在功率容量和安全方面的作用的蓄電池特性。電解液包括含有鋰離子的有機碳酸鹽混合物。由于鋰能夠與水進行劇烈反應，所以蓄電池殼體密封處理以防止進水。

4.充電插座

插電式混合動力和純電動車輛均采用一個或兩個(一個交流AC，一個直流DC)充電插座。通過充電插座，車輛可以連接至市電電源來為高壓蓄電池充電。充電插座和充電電纜隨市場的不同而異。車企提供了適用于不同充電策略(交流、直流、家用)的不同充電電纜。充電插座采用了發光二極管(LED) 和指示燈來告知用戶當前充電狀態。

5.蓄電池充電器控制模塊(BCCM)

蓄電池充電器控制模塊(BCCM)負責確保在車輛連接至市電電源時，高壓蓄電池能夠進行充電。蓄電池充電器控制模塊會將輸入的電力轉換為對高壓蓄電池充電所需的直流(DC)電壓。

6.直流-直流(DC/DC) 轉換器

直流-直流(DC/DC)轉換器利用來自高壓蓄電池的電力，將高壓轉換為12V電源電壓，為12V系統供電并為12V低壓蓄電池充電。注意：某些混合動力汽車車輛上的直流-直流轉換器集成在電力變頻轉換器(EPIC) 內。

7.電力變頻轉換器(EPIC)

電力變頻轉換器(EPIC)用于在電機和發電機之間切換電機發電機(MG) 的工作狀態。例如，將高壓電池高壓直流電轉換為電機發電機(MG)使用的交流電，以驅動電機；將電機發電機(MG)產生的交流電轉換為高壓直流電為高壓電池充電。該總成包含一個控制單元，該單元監測電力變頻轉換器(EPIC)的工作狀態并調節三相交流(AC)輸出以驅動MG。

電力變頻轉換器帶有三根連接至電機發電機(MG)的HV電纜。這三根電纜均承載交流(AC)電流，這些電流以三個單獨的相位(三相)的方式流至電機發電機(MG)。

8.混合動力電機發電機(MG)

當車輛處于混合動力或EV模式時，電機發電機(MG)為車輛提供推進力，并接收來自電力變頻轉換器(EPIC)的高壓三相交流(AC)電源?；旌蟿恿﹄姍C發電機(MG)也可以作為發電機工作，在車輛超速情形下或內燃發動機運轉時為高壓蓄電池充電。這種充電狀況稱為再生制動。

9.BEV 電機發電機(MG)

BEV 電機發電機(MG)接收來自電力變頻轉換器(EPIC)的高壓三相交流(AC)電源，為車輛提供推進力。BEV 電機發電機(MG)也可以作為發電機工作，在車輛超速情形下或制動時為HV蓄電池充電。即再生制動。

10.電動空調(eAC)壓縮機

電動空調(eAC)壓縮機是電機操縱，使AC系統能夠在不啟動發動機的情況下泵送制冷劑，從而保持座艙溫度以便為乘客提供持續的舒適度設置。電動空調(eAC)也對高壓蓄電池冷卻回路進行溫度調節。

11.高壓冷卻液加熱器(HVCH)

處于EV模式時，車輛需要使用高壓冷卻液加熱器(HVCH)來為座艙提供熱量，高壓冷卻液加熱器(HVCH)由高壓電路進行供電。該裝置集成在發動機冷卻回路中。

12.高壓接線盒(HVJB)

高壓接線盒(HVJB)接收來自高壓蓄電池的電源，并將電力分配給高壓部件，例如，包括eAC壓縮機、直流-直流轉換器、AC加熱器等。當車輛連接至電網供電進行充電時，高壓接線盒(HVJB)還會接收來自蓄電池充電器控制模塊(BCCM)的電源。高壓接線盒(HVJB)內含有高壓系統保險絲。注意：并非所有EV車型都配備此部件。

13.手動維修斷開高壓隔離裝置

一些車輛采用了手動維修斷開(高壓斷開隔離裝置)，作為高壓斷電程序的一部分，可以拆卸該部件，以斷開高壓供電連接。手動維修斷開裝置含有一個大電流保險絲以防發生短路故障，在拆卸該裝置后，它將會隔離高壓蓄電池處的HV 電路。手動維修斷開裝置由一個低壓電流感測HVIL(高壓互鎖)電路進行監測。注意：務必參考維修手冊以了解正確的手動維修斷開裝置接頭拆卸程序。

14.高壓(HV)電路

高壓(HV)電路部件基本電路圖如圖4所示。在汽車領域，高壓電路歸類為標稱工作電壓為50V以上的直流(DC)或交流(AC)電路。電動車(EV)上使用的高壓電路的連接方式與傳統低壓12V電路不同，詳見后述。在對高壓系統執行工作時，必須要格外小心。

圖4 高壓(HV)電路部件基本電路

高壓電路結構由I和M兩個字母識別，字母I用于識別電源是否與接地點直接相連，字母M用于識別耗電元件是否直接連接到接地點，即I為未直接連接到地面(與地面絕緣)，T為直接連接到地面，而N為在電源處直接連接到地線，零線連接至地面。所以，高壓網絡共有三種配置，即TN、TT或IT。從高壓的安全性的容錯考慮，高壓混合動力車輛一般采用IT結構，即I為高壓電源(無論是正還是負)與車體絕緣；T為耗電元件直接連接到車體。網絡結構示意圖如圖5所示。

由以上介紹可知，出于安全考慮，高壓電路未使用典12V電路中使用的接地回路連接，高壓回路低壓側與車身/底盤隔離。這是因為如高壓電路使用了車身，則將會存在發生電擊的高風險。高壓部件外殼連接至車身/底盤，這樣設計是為了在高壓系統中發生電氣故障時保證安全。等電位連接系統將耗電元件殼體連接至車身。每個高壓部件都是等電位連接系統的組成部分，其連接是直接通過帶狀搭鐵線實現或經由自身殼體固定連接實現的。例如，在一些車型上，電動空調壓縮機直接連接至發動機，發動機具有將其自身連接至車身/底盤的帶狀搭鐵線。

圖5 IT網絡結構示意圖

15.高壓互鎖(HVIL)

高壓互鎖回路是一個安全系統，用于防止高壓電纜在因為任何原因斷開時帶電。高壓互鎖回路由蓄電池電量控制模塊(BECM)進行控制。高壓互鎖電路如圖6所示。高壓互鎖環路電路集成在HV部件接頭電路中。該環路電路用于監測HV部件連接，這些線束連接與其對應的部件牢固相連。每個環路都有一個12V，10mA傳感器電路，該電路由電量控制模塊進行監測。如果任何環路發生斷路，則電量控制模塊將會報告高壓互鎖故障。以插電式混合動力汽車為例，如果發生故障，則電量控制模塊會將高壓互鎖環路狀態發送至動力傳動系統控制模塊(PCM)。動力傳動系統控制模塊(PCM)將會請求電量控制模塊打開高壓蓄電池接觸器(取決于下面所述的車輛工作狀態)，從高壓電路上斷開和隔離高壓蓄電池，并讓高壓電路電容器進行放電。如果在車輛待機狀態下發生故障，則HVB接觸器將保持打開。如果在運行狀態下發生故障，則接觸器將會在車輛靜止時打開。

電量控制模塊(BECM)利用兩個獨立的高壓互鎖電路，如果任何一個電路中發生故障，可以確定需要對哪個接頭進行故障分析(DTC故障代碼不同)。如果車輛發生事故，則約束控制模塊(RCM)將會向電量控制模塊(BECM)發送“碰撞信號”。在收到約束控制模塊(RCM)信號后，電量控制模塊(BECM)將會打開高壓蓄電池接觸器。

①HV 蓄電池和模塊；②HV蓄電池接頭；③電動空調(A/C)壓縮機；④高壓冷卻液加熱器 (HVCH)；⑤蓄電池充電器控制模塊(BCCM)；⑥直流-直流轉換器；⑦約束控制模塊(RCM)；⑧電流感測；⑨高壓接頭；⑩高壓接線盒(HVJB)；11 碰撞檢測信號；12電阻器。

16.高壓HV 系統故障

HV蓄電池由一體式蓄電池電量控制模塊(BECM)進行管理，后者通過12V電氣系統進行操作和通信。低壓12V接觸器可將高壓蓄電池與高壓系統隔開。電量控制模塊(BECM)提供控制電子設備來關閉或打開接觸器，以便連接或斷開高壓蓄電池與高壓系統之間的連接。該接觸器對系統的安全操作發揮著重要作用，因此其活動會受到密切監測。任何接觸器激活前，電量控制模塊(BECM)都會遵照嚴格的安全流程。打開點火開關后，電量控制模塊(BECM)將會進行多項安全檢查，然后才會激活接觸器。關閉點火開關后，接觸器將會打開，任何高壓電纜上都不應該存在任何高壓。高壓HV及內部接觸器如圖7所示。

圖7 高壓HV及內部接觸器

如果電量控制模塊(BECM)檢測到蓄電池管理系統出現任何問題，則將會記錄相應的故障診斷碼(DTC)，儀表盤(IC)上將會顯示警告圖標。故障代碼類別列于表1。

表1 故障碼類別

(1)非嚴重故障

儀表盤(IC)顯示1個琥珀色三角警示牌，并附有相應的文本信息，以告知駕駛員在當前車輛狀況下HV 系統不可用。如果車輛狀況發生改變，指示燈將會熄滅，高壓系統將變為可用。如果指示燈一直亮著，駕駛員仍可駕駛車輛，但可以選擇參閱車主手冊和/或安排故障維修。呈現這種問題的車輛狀況示例為：當高壓蓄電池溫度過低時。

(2)嚴重故障

儀表盤(IC)顯示1個紅色三角警示牌，并附有相應的文本信息，以告知駕駛員高壓系統不可用。相關故障將是永久性的，無法自行修復。只有糾正車輛的故障，高壓系統才能正常工作。呈現這種故障的車輛狀況示例為：高壓電纜連接不牢固(高壓互鎖電路打開)。

(3)檢測到接觸器粘連

如果電量控制模塊(BECM)確認接觸器在被指令打開時未打開，則儀表盤上將顯示。如果接觸器粘連在關閉位置，則HV電纜可能保持帶電狀態，在這種情況下，必須將車輛隔離，嚴禁嘗試執行HV系統斷電程序。務必確保查閱認可的《車間維修手冊》程序，并遵循其中的建議。

二、電氣架構的電氣故障

1.故障1

如圖8所示，如果高壓帶電側因故障與用電器殼體相連，人是否會中電？答案是：否。在IT網絡中，帶電線路和中性線與接地線路絕緣，而耗電設備殼體被單獨接地。盡管帶電導體已與金屬殼體相連接，電流構不成回路，無電流通過。HV電路將保持完好狀態，并且仍然能夠工作，并且無觸電的風險?？梢?，此系統具有容錯并且非常安全的配置。但是，故障發生后，系統架構已發生變化，雖然系統仍然將保持完好且可運行的狀態，電路的安全系數將會降低。為了克服這個問題，車輛使用了一個絕緣監測裝置，用于在出現這種情況后提醒用戶，此時用戶需要尋求技術幫助來檢查系統，必要時進行維修。

圖8 電氣故障1

2.故障2

如圖9所示，如果高壓帶電側因故障與用電器1殼體相連，高壓中性側因故障與用電器2殼體相連，等電位連接線連接良好，接觸的人是否會觸電？答案是：否。電流將會流過等電位連接線并造成短路，從而導致HV 系統中的保險絲熔斷和失效。

圖9 電氣故障2

3.故障3

如圖10所示，在故障2的基礎上，如果兩個用電器的等電位連接線都斷開，與兩個耗電設備殼體接觸的人是否會觸電？答案是：是。與兩個耗電元件殼體接觸的人員將會遭受電擊，因為他們提供了從電源至負極的導電路徑。電流將會繼續流過該人員的身體。

①高壓正極；②高壓負極；③用電設備殼體；④等電位連接。

綜上，高壓系統的所有電氣部件都有一個接至車輛底盤的電氣接地連接。這將確保不會因為高壓部件和金屬底盤部件之間的壓差產生電擊。具有單獨的電氣接地的高壓部件包括：高壓蓄電池、電力變頻轉換器(EPIC)、直流-直流(DC/DC)轉換器、蓄電池充電器控制模塊(BCCM)、高壓接線盒(HVJB)、高壓冷卻液加熱器、電動空調(A/C)壓縮機和混合動力驅動總成(包括電動發電機MG)使用發動機和變速器接地連接。