并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)無力故障分析與解決方法

祠堂圩鎮(zhèn)人民政府 湖南永州 425812

近年來，混合動力系統(tǒng)逐漸被消費者認(rèn)識和接受，相關(guān)的銷量和保有量得到了快速增長。但是，很多維修人員不知道如何維修混合動力汽車，究其原因為：混合動力系統(tǒng)有兩個驅(qū)動系統(tǒng)，無力故障涉及到存在相互影響關(guān)系的零部件比較多。

混合動力系統(tǒng)按動力傳輸路線不同可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種。根據(jù)輸出軸結(jié)構(gòu)不同，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)又可分為單軸式（見圖1）和雙軸式兩種。針對混合動力系統(tǒng)售后維修市場現(xiàn)狀，本文以單軸并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)為例分析無力故障。

圖1 單軸并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)有兩個通過機械方式相互連接的驅(qū)動系統(tǒng)，即發(fā)動機系統(tǒng)和驅(qū)動電動機系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)根據(jù)不同的工作模式分別單獨驅(qū)動或聯(lián)合驅(qū)動汽車行駛。

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)主要由發(fā)動機、電動機、電動機控制器、動力電池組、混合動力系統(tǒng)控制器（HCU）、自動離合器等組成。HCU通過CAN總線與混合動力系統(tǒng)其他控制器連接，并通過CAN總線下達(dá)控制指令以及進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)通常有以下四種工作模式[1]（見圖2）：

1）當(dāng)車速較低或起步時，與發(fā)動機連接的自動離合器分離，僅電動機提供轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機不工作。此時混合動力系統(tǒng)處于純電動模式。

圖2 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)工作模式

2）當(dāng)加速或爬坡時，自動離合器接合，發(fā)動機作為基礎(chǔ)動力輸出轉(zhuǎn)矩并運行在高效區(qū)上限區(qū)域，電動機彌補發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩的不足，發(fā)動機與電動機共同輸出轉(zhuǎn)矩以保障整車正常運行。此時混合動力系統(tǒng)處于聯(lián)合驅(qū)動模式。

3）當(dāng)高速行駛時，自動離合器接合，電動機空轉(zhuǎn)，發(fā)動機單獨滿足整車動力需求并輸出功率。此時混合動力系統(tǒng)處于發(fā)動機單獨驅(qū)動模式。在電池SOC值較低的情況下，如果整車需求轉(zhuǎn)矩位于發(fā)動機高效運行區(qū)下限值區(qū)域，混合動力系統(tǒng)開啟行車充電模式，使發(fā)動機運行在高效區(qū)，并將剩余的驅(qū)動能力轉(zhuǎn)化成電能存儲在動力電池組內(nèi)。

4）當(dāng)下坡或減速制動時，發(fā)動機停止運行，與發(fā)動機連接的自動離合器分離，電動機根據(jù)由車速和電池SOC控制的回饋制動MAP將動能轉(zhuǎn)化成電能儲存在動力電池組內(nèi)。在動力電池組處于不允許充電的狀態(tài)下，電動機既不產(chǎn)生電能，也不參與整車制動。此時，整車制動扭矩由摩擦制動器單獨提供。

單軸并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)無力故障原因分析

單軸并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的組合比較多。為便于無力故障原因分析，本文假設(shè)其組合為“高壓共軌發(fā)動機+鐵鋰動力電池組+永磁驅(qū)動電動機系統(tǒng)+自動離合器”。

導(dǎo)致混合動力系統(tǒng)無力的原因主要有兩種，即零部件存在功能性失效和混合動力系統(tǒng)保護(hù)功能被觸發(fā)。下文將從動力電池組、永磁驅(qū)動電動機系統(tǒng)、高壓共軌發(fā)動機和自動離合器四個方面分析導(dǎo)致混合動力系統(tǒng)無力的故障原因。

1.動力電池組故障原因分析

動力電池組是混合動力系統(tǒng)的能量儲存裝置，包括電池單體、電池管理系統(tǒng)（BMS）、傳感器及連接組件等，導(dǎo)致混合動力系統(tǒng)無力故障的主要原因為：一是HCU對電池開啟了保護(hù)功能，二是電池單體存在故障。

HCU對電池開啟保護(hù)功能主要由SOC和溫度參數(shù)觸發(fā)，并通過“切斷高壓”和“限制扭矩”方式阻止電池過充、過放和溫度過高，達(dá)到保護(hù)電池的目的。電池溫度過高主要由其散熱系統(tǒng)故障導(dǎo)致，如散熱風(fēng)扇不轉(zhuǎn)、進(jìn)排氣管道堵塞等。BMS實時監(jiān)控單體電壓、總電壓、總電流和溫度等參數(shù)，對動力電池組剩余容量SOC值進(jìn)行估算，并將數(shù)據(jù)實時反饋給HCU。當(dāng)HCU接收到的電池溫度數(shù)據(jù)大于電池溫度保護(hù)MAP（見圖3）設(shè)定的最小閥值（如50℃）時，HCU通過減小電池輸出電流來限制電動機轉(zhuǎn)矩輸出，使電池內(nèi)部發(fā)熱量減少，以達(dá)到降低電池內(nèi)部溫度的目的。在低溫（如－20℃）時，電池內(nèi)阻增大，放電性能變差。

為防止電池過充和過放，HCU也會對低溫狀態(tài)下的動力電池組進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)溫度傳感器失效或出現(xiàn)信號漂移時，BMS實時反饋給HCU的錯誤溫度數(shù)據(jù)也會誤導(dǎo)HCU開啟電池保護(hù)功能，使車輛出現(xiàn)無力故障。當(dāng)SOC偏低（如低于40%）時，電池放電保護(hù)功能被觸發(fā)，HCU依據(jù)電池放電SOC限制MAP（見圖4）限制電動機輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)BMS對SOC估算存在較大偏差時，SOC會出現(xiàn)跳變故障。此時，可能會觸發(fā)電池放電保護(hù)功能，甚至?xí)?dǎo)致整車拋錨。

圖3 鐵鋰電池溫度保護(hù)MAP

圖4 電池放電SOC限制MAP

電池單體的損壞不僅直接影響電池的充電和放電，還影響B(tài)MS對動力電池組SOC的估算以及電池內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，最終通過SOC和溫度參數(shù)來影響整車動力輸出。

2.永磁驅(qū)動電動機系統(tǒng)故障原因分析

永磁驅(qū)動電動機系統(tǒng)是混合動力系統(tǒng)核心部件之一，主要由永磁電動機、電動機控制器和連接組件等組成。導(dǎo)致混合動力系統(tǒng)無力故障的主要原因為：永磁電動機輸出功率變?。浑妱訖C控制器存在故障；驅(qū)動電動機系統(tǒng)溫度保護(hù)功能開啟。

永磁電動機輸出功率變小的主要原因為：電動機定子匝間存在短路故障；電動機存在“失磁”故障；電動機旋轉(zhuǎn)變壓器出現(xiàn)故障。

1）電動機定子匝間短路故障是一種常見的破壞性強故障，不僅會導(dǎo)致線圈匝數(shù)變少，電動機輸出轉(zhuǎn)矩變小，還會產(chǎn)生高于正常電流許多倍的大電流，使線圈發(fā)熱量增大，加速線圈絕緣層的變質(zhì)老化。

2）在大電流和高溫工況下，永磁電動機容易產(chǎn)生“失磁”故障[2]?！笆Т拧惫收贤ǔ?dǎo)致電動機效率降低、振動及噪聲增加。永磁電動機定子匝間短路故障既能產(chǎn)生大電流，又能使電動機處于高溫狀態(tài)，因此能導(dǎo)致電動機出現(xiàn)“失磁”故障。

3）旋轉(zhuǎn)變壓器在永磁電動機中主要用于檢測位置、速度和角度等信號。當(dāng)其出現(xiàn)故障（如發(fā)生零位偏移）時，會導(dǎo)致永磁電動機無法起動或輸出轉(zhuǎn)矩變小等現(xiàn)象。

電動機控制器由功率模塊、驅(qū)動模塊、控制模塊和傳感器等組成，不僅能將電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，還能在能量回收時將電動機發(fā)出的三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電給電池充電。無力故障通常由功率模塊（如IGBT）故障導(dǎo)致。導(dǎo)致IGBT出現(xiàn)故障的主要原因包括過流、過壓、過溫和信號缺失等。當(dāng)IGBT出現(xiàn)故障（如開路）時，電動機控制器輸出波形發(fā)生畸變，電動機能繼續(xù)運行，但會引起輸出轉(zhuǎn)矩減小、發(fā)熱和絕緣損壞等問題[3]。

電動機和電動機控制器在工作過程中都會存在一部分電能轉(zhuǎn)化成熱能的現(xiàn)象。這些熱能如果不能及時散發(fā)出去，會使得電動機和電動機控制器因溫度過高而導(dǎo)致元器件損壞。因此，不僅需要對電動機和電動機控制器采用風(fēng)冷或水冷方式進(jìn)行冷卻，還需要采用溫度傳感器實時監(jiān)控冷卻效果。當(dāng)溫度傳感器檢測到電動機或電動機控制器溫度達(dá)到溫度保護(hù)MAP設(shè)定的保護(hù)閥值（見圖5）時，HCU通過減小電動機控制器輸出電流來限制轉(zhuǎn)矩輸出。由于HCU無法分辨?zhèn)鞲衅餍盘柕恼鎮(zhèn)?，因此?dāng)溫度傳感器發(fā)生故障（如信號發(fā)生漂移）時，HCU對電動機和電動機控制器的溫度保護(hù)功能也會被觸發(fā)。

圖5 電動機和控制器溫度保護(hù)MAP圖

3.高壓共軌發(fā)動機故障原因分析

雖然并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)存在驅(qū)動電動機系統(tǒng)，但發(fā)動機在車輛行駛過程中依然扮演著基礎(chǔ)動力的角色。因此，當(dāng)發(fā)動機出現(xiàn)無力故障時對混合動力汽車的動力性影響非常大。導(dǎo)致高壓共軌發(fā)動機出現(xiàn)無力故障的原因主要為：電控燃油噴射系統(tǒng)故障；冷卻系統(tǒng)故障；氣缸壓力不足；排氣系統(tǒng)故障。

電控燃油噴射系統(tǒng)由空氣供給系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成?？諝夤┙o系統(tǒng)導(dǎo)致發(fā)動機無力的具體表現(xiàn)為進(jìn)氣管路供氣能力不足，通常由空氣濾清器堵塞，進(jìn)氣管路嚴(yán)重漏氣、增壓器損壞、節(jié)氣門卡滯、流量計堵塞等原因造成。燃油供給系統(tǒng)導(dǎo)致發(fā)動機無力的主要原因為燃油供給能力不足（如柴油濾器堵塞、高壓共軌管泄壓閥開啟、輸油泵和高壓油泵故障等）和噴油器故障（如噴孔堵塞、針閥卡滯或燒蝕、電磁閥不工作等）?？刂葡到y(tǒng)導(dǎo)致發(fā)動機無力的主要原因為執(zhí)行器和傳感器存在故障（如燃油計量閥故障導(dǎo)致燃油壓力異常，增壓壓力傳感器信號漂移導(dǎo)致空燃比控制不精確等）和傳感器數(shù)據(jù)觸發(fā)保護(hù)功能開啟（如凸輪軸位置傳感器或軌壓傳感器信號丟失觸發(fā)發(fā)動機開啟“跛行回家”功能）。

冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障（如水泵或散熱風(fēng)扇不工作）時會導(dǎo)致發(fā)動機水溫高。當(dāng)發(fā)動機水溫升高到一定數(shù)值（如105℃）時，發(fā)動機控制器ECU開啟熱保護(hù)功能，并限制發(fā)動機扭矩輸出。

缸壓不足的主要原因為：

1）氣缸墊密封不嚴(yán)，存在漏氣現(xiàn)象。

2）氣門與氣門座之間的密封錐面存在燒蝕現(xiàn)象或者積炭過多，氣門密封不嚴(yán)[4]。

3）缸套或者活塞環(huán)磨損嚴(yán)重，氣缸竄氣量過大。

4）氣門彈簧斷裂或彈力變小無法使氣門密封。

排氣系統(tǒng)導(dǎo)致發(fā)動機無力的主要原因為：

1）排氣管路堵塞導(dǎo)致排氣背壓過大，使氣缸內(nèi)廢氣增加，影響發(fā)動機燃燒，致使發(fā)動機輸出功率減小。

2）SCR后處理系統(tǒng)出現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)通信故障、與排放相關(guān)的零部件故障、添藍(lán)罐內(nèi)添藍(lán)液位過低（比如低于13%）、氮氧傳感器檢測到尾氣超標(biāo)等現(xiàn)象時，ECU激活減轉(zhuǎn)矩功能，并對發(fā)動機進(jìn)行減轉(zhuǎn)矩處理[5]。

4.自動離合器故障原因分析

混合動力系統(tǒng)的自動離合器通常是在干式摩擦離合器基礎(chǔ)上增加控制器CCU和執(zhí)行機構(gòu)改造而成。CCU通過控制電動、氣動或液壓執(zhí)行機構(gòu)來使離合器傳遞和中斷車輛動力。圖1中，當(dāng)自動離合器1出現(xiàn)故障時，發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩傳遞和中斷受到影響；當(dāng)自動離合器2出現(xiàn)故障時，混合動力系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)矩傳遞和中斷受到影響。自動離合器導(dǎo)致混合動力系統(tǒng)無力的主要表現(xiàn)為：離合器壓盤對從動盤的壓緊力不足，從動盤出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

從動盤出現(xiàn)打滑現(xiàn)象的主要原因為：

1）離合器壓緊彈簧（或膜片彈簧）發(fā)生形變或折斷，從動盤所受的壓緊力減少或消失。

2）離合器踏板自由行程過小或執(zhí)行機構(gòu)無法正?；匚唬ㄈ鐨飧卓蛛x軸承對膜片彈簧產(chǎn)生作用力，從動盤所受的壓緊力變小。

3）從動盤上存在油污或老化變硬，從動盤與壓盤之間的摩擦力變小。

4）從動盤存在嚴(yán)重磨損或者被燒壞現(xiàn)象，與壓盤之間的間隙過大，壓盤無法壓緊從動盤。

5）離合器壓盤及蓋總成與飛輪之間的緊固螺栓存在松動現(xiàn)象。

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)無力故障解決方法

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)無力故障排查不僅需要考慮驅(qū)動電動機系統(tǒng)、發(fā)動機以及動力電池組等零部件的單獨影響，還需要考慮它們之間的相互影響，因此要比僅使用傳統(tǒng)發(fā)動機驅(qū)動的車輛無力故障排查復(fù)雜很多。例如：并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩為發(fā)動機和電動機輸出轉(zhuǎn)矩的矢量和，動力電池的溫度和SOC值影響電動機的轉(zhuǎn)矩輸出，自動離合器的工作狀態(tài)影響發(fā)動機和電動機輸出轉(zhuǎn)矩的耦合。

為能在眾多影響因素中快速找到故障點，可以采用“問”和“切”方法查找故障：

1）了解故障相關(guān)信息。通常通過向駕駛員詢問車輛無力時的故障現(xiàn)象和故障發(fā)生前的經(jīng)歷，以及查詢車輛以前的故障記錄來獲得相關(guān)信息。目的是為了盡可能多的掌握故障信息，以快速找到解決無力故障的突破口。

2）讀取故障碼。通過故障指示燈或者診斷工具查看混合動力系統(tǒng)故障碼，了解系統(tǒng)當(dāng)前故障碼和歷史故障碼。如果不存在當(dāng)前故障碼，則可以歷史故障作為故障排查的參考信息。如果存在當(dāng)前故障碼，則根據(jù)故障碼提示的內(nèi)容檢查相關(guān)零部件是否存在功能失效故障。一般情況下，控制器開啟保護(hù)功能以及有傳感器或檢測電路的零部件發(fā)生故障（如電池溫度過高、電池單體電壓超高限、噴油器開路故障等）時都會存在相應(yīng)的當(dāng)前故障碼，機械連接部位以及無檢測電路的零部件發(fā)生故障（如噴油器針閥卡滯、從動盤打滑等）時控制器不會報故障碼。

3）用診斷工具讀取零部件運行參數(shù)或者采集混合動力車輛行駛時的數(shù)據(jù)流，并對它們的數(shù)值進(jìn)行分析判斷。例如：發(fā)動機停止?fàn)顟B(tài)下，如果進(jìn)氣壓力傳感器測量值只有0.07MPa，此時可判斷進(jìn)氣壓力傳感器存在故障。

圖1中自動離合器1結(jié)合瞬間，如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速與電動機轉(zhuǎn)速不一致，則可判定自動離合器回位慢；車輛急加速過程中，如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車速攀升不成正比，有時車輛還突然出現(xiàn)“卡頓”現(xiàn)象，則可判定自動離合器出現(xiàn)打滑故障。根據(jù)零部件參數(shù)和數(shù)據(jù)流來分析故障點時，需要維修人員熟悉零部件某狀態(tài)下的參數(shù)以及了解混合動力系統(tǒng)的控制策略，然后按照零部件之間的相關(guān)性從易到難進(jìn)行分析和檢查。例如：根據(jù)混合動力系統(tǒng)控制策略，在混合動力車輛起步階段分析驅(qū)動電動機系統(tǒng)和動力電池組故障，在發(fā)動機高效運行時分析發(fā)動機故障。

結(jié)語

混合動力系統(tǒng)的動力輸出涉及到多個零部件，因此其無力故障排除也相應(yīng)變得復(fù)雜。上文的故障原因分析實際是以混合動力系統(tǒng)出廠時各方面指標(biāo)均合格為前提。如果出廠前混合動力系統(tǒng)存在配套上的失誤，混合動力系統(tǒng)依然會出現(xiàn)無力故障。例如：發(fā)動機和電動機的功率偏??；動力電池組和發(fā)動機散熱系統(tǒng)的散熱能力不足。此時僅僅采用維修的方式根本無法排除無力故障，需要混合動力汽車廠家對混合動力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改良。