電動裝載機(jī)無法上高壓電故障診斷實例分析

溫 杰，費孝濤

（江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院 智能交通學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

電動裝載機(jī)采用分布式驅(qū)動鉸接式車身，在礦山運輸、建筑工程、農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。測試研究結(jié)果表明[3]，電動裝載機(jī)作業(yè)性能和噪聲都優(yōu)于傳統(tǒng)裝載機(jī)。電動裝載機(jī)采用電力驅(qū)動，通過高壓動力電池向工作電機(jī)、行走電機(jī)、空調(diào)等高壓用電設(shè)備供電。鑒于此，電動裝載機(jī)在工作中高壓供電及直流充電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性尤為重要。高壓系統(tǒng)故障的產(chǎn)生通常具有偶發(fā)性，診斷的難度較大，典型的高壓故障就是無法上高壓電故障。

1 典型故障描述

1.1 故障現(xiàn)象

一輛電動裝載機(jī)已行駛537 km，在鏟掘砂石物料作業(yè)后，停駛一段時間，再次準(zhǔn)備作業(yè)，發(fā)現(xiàn)無法上高壓電。執(zhí)行上電操作后，儀表顯示有“Ready”，但十幾秒后，儀表“Ready”消失，且以紅色字體提示“行走整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）故障”“請在工作前先排查故障”。執(zhí)行前進(jìn)、后退、上裝等操作時，均無動作反應(yīng)。

1.2 故障檢測

測量低壓蓄電池電壓，為24.6 V。檢查高壓用電設(shè)備及動力電池包，外觀良好、且無線束裸露及松脫現(xiàn)象。多次斷開低壓蓄電池負(fù)極重新通電啟動，但初始發(fā)生的故障現(xiàn)象仍然無法消除。

由于該特種工程車輛暫無OBD-Ⅱ車載診斷系統(tǒng)，也無專用故障診斷儀讀取相關(guān)故障碼。多次排故無果后，維修工程師嘗試?yán)每刂破饔蚓W(wǎng) （Controller Area Network, CAN）總線報文記錄儀CANDTU-200UR讀取從啟動鑰匙打到上電檔到儀表故障提醒這段過程的報文。CANDTU-200UR是一款帶存儲的2通道CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀，可脫離PC獨立運行，長時間存儲 CAN 報文數(shù)據(jù)，便于用戶事后分析、排查故障。該記錄儀可通過SD存儲卡將記錄好的數(shù)據(jù)傳給PC，經(jīng)過對原始數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，用戶可使用CANoe、CANScope對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析和評估。需要注意的是，該設(shè)備可以通過兩路DB9端子的隔離CAN-Bus接口與車載動力網(wǎng)絡(luò)相連，但在購成的動力網(wǎng)絡(luò)中，需要在網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點處接入120 Ω終端電阻，用于消除總線上的信號反射，避免信號失真。使用CANDTU進(jìn)行報文讀取時務(wù)必要保證連接后的CAN總線高線與低線之間總電阻值應(yīng)為60 Ω，否則無法記錄運行數(shù)據(jù)。圖1為CANDTU-200UR實物圖。圖2為高速CAN網(wǎng)絡(luò)典型連接示意圖。

圖1 CANDTU-200UR實物圖

圖2 高速CAN網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

報文顯示，上電過程中，預(yù)充接觸器、主接觸器、主負(fù)接觸器能夠正常閉合和切換，動力電池電壓顯示為550 V左右。但十幾秒后，主接觸器斷開，監(jiān)測的動力電池電壓降至0 V。同時，報文還顯示主接觸器存在燒結(jié)故障。

1.3 故障分析

分析報文顯示的信息，在電動車輛的控制策略中，通常為了保證高壓安全性，主接觸器燒結(jié)被電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）監(jiān)測到后，會執(zhí)行強制下電命令使車輛斷電并且在下次上電時進(jìn)行自檢，自檢到接觸器燒結(jié)時會讓車輛不上電。

在電動車輛中，串聯(lián)于高壓回路中的主接觸器產(chǎn)生燒結(jié)的主要原因是在低壓控制電路沒有執(zhí)行斷電動作前，由于某些特殊原因，高壓回路主接觸器開關(guān)電路自行斷開，導(dǎo)致高壓回路中數(shù)值較大的電流在接觸器開關(guān)處產(chǎn)生了拉弧放熱，從而使接觸器開關(guān)燒結(jié)粘連。

該故障案例中，需要找出導(dǎo)致主接觸器突然斷開的原因。找出高壓電器及接觸器連接電路，如圖3所示。該車由4個動力電池包成組后向高壓設(shè)備供電，動力電池母線正負(fù)極與多合一高壓控制盒連接。預(yù)充接觸器與主接觸器并聯(lián)分布在多合一高壓控制盒內(nèi)，并與動力電池母線正極端 連接，負(fù)極接觸器也置于多合一高壓控制盒內(nèi)，并與動力電池母線負(fù)極端連接。在多合一高壓控制盒內(nèi)，還安裝有直流轉(zhuǎn)直流（Direct Current/ Direct Current, DC/DC）電源接觸器、交流/直流（Alternating Current/Direct Current, AC/DC）接觸器、電動空調(diào)接觸器、正溫度系數(shù)的加熱器（Positive Temperature Coefficient, PTC）接觸器、充電接觸器等，這些接觸器均從動力電池母線正極端取電，供相應(yīng)的高壓設(shè)備使用。

圖3 主接觸器與預(yù)充接觸器的電路連接關(guān)系

結(jié)合該車停駛期間的天氣和存放情況，展開分析。經(jīng)查，該車于2021年7—8月間停放在露天條件下，且在停駛期間該地區(qū)有數(shù)次強降雨天氣。因特種工程車輛的車身密封性較差，加之長期在負(fù)荷高、顛簸強的惡劣工況下運行，懷疑該車部分高壓線束或高壓電器與車身搭鐵間絕緣電阻過低。

2 故障排查方法

2.1 排查步驟

首先經(jīng)詢問，該裝載機(jī)設(shè)計時，高壓電路中裝有絕緣檢測儀（表1為檢測位置），用于監(jiān)測高壓線束和車身之間絕緣電阻的大小，并判斷是否存在漏電故障。再次使用CANDTU-200UR采集的報文進(jìn)行分析，結(jié)合該車的BMS通訊控制協(xié)議，用CANoe工具軟件解析報文，在“絕緣監(jiān)測儀數(shù)據(jù)幀”中，byte3顯示的16進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)為十進(jìn)制數(shù)值很低，最高不超過200，根據(jù)表2中所列相關(guān)信息可知，確實存在著絕緣電阻低的故障。

表1 數(shù)據(jù)檢測位置

表2 絕緣監(jiān)測儀數(shù)據(jù)幀定義（部分）

進(jìn)一步，對車輛執(zhí)行高壓斷電操作，斷開蓄電池負(fù)極，靜置5 min后，拔下四個動力電池包的維修開關(guān)。確認(rèn)安全后，戴好絕緣手套，拆卸其中一個便于作業(yè)的電機(jī)控制器高壓線端蓋，顯示有母線正極HV+、負(fù)極HV-和電機(jī)的U、V、W三相線。使用絕緣測試儀500 V檔，分別對上述5根高壓線束與電機(jī)控制器殼體間絕緣電阻進(jìn)行測量。結(jié)果顯示，絕緣電阻值在0.09 MΩ到0.11 MΩ之間，如圖4所示。斷開電機(jī)三相線后，測量負(fù)極母線與電機(jī)殼體間絕緣電阻為0.1 MΩ，顯然低于設(shè)置的安全絕緣電阻值。

圖4 線束連接狀態(tài)絕緣電阻值測量

為進(jìn)一步確認(rèn)殼體與高壓線束的絕緣故障，斷開上述全部5個線束，再次測量其對殼體絕緣 電阻，結(jié)果顯示，電機(jī)三相線和正極母線對殼體絕緣電阻大于550 MΩ、電機(jī)控制器5個接線柱與殼體間絕緣電阻大于550 MΩ，但負(fù)極母線與殼體及其他車身部分的絕緣電阻過低，測量到負(fù)極母線到殼體間絕緣電阻值為0.12 MΩ，如圖5所示。

圖5 線束斷開狀態(tài)絕緣電阻值測量

2.2 故障確認(rèn)

從上述測量結(jié)果看，明確了故障為高壓母線負(fù)極與殼體間絕緣電阻過低，但具體故障點還需進(jìn)一步檢測。查看多合一控制盒的高壓配電線束情況（圖6），對相關(guān)負(fù)極母線依次從高壓用電設(shè)備上斷開后，再測量先前電機(jī)控制器上負(fù)極母線 的對地絕緣電阻。查出只有在斷開空調(diào)壓縮機(jī)負(fù)極時，先前電機(jī)控制器上負(fù)極母線的對地絕緣電阻值測得大于550 MΩ。再單獨測量電動壓縮機(jī)母線接線柱對殼體絕緣電阻，值為0.61 MΩ。根據(jù)控制協(xié)議中對絕緣故障的判斷，當(dāng)絕緣電阻R＜100 Ω/V時，發(fā)出二級報警，系統(tǒng)允許的最大充放電功率立即設(shè)置為0 kW，且走下點流程。從而確認(rèn)故障為電動壓縮機(jī)側(cè)高壓負(fù)極線與殼體絕緣電阻過低。

圖6 多合一控制盒內(nèi)高壓電路

2.3 故障排除

斷開電動壓縮機(jī)母線并做好絕緣防護(hù)處理，連接好其他高壓線束、維修開關(guān)等。執(zhí)行正常上電操作，Ready燈亮起時，工作電機(jī)和行走電機(jī)正常運行。采用上述故障排除方案后，電動裝載機(jī)雖然能夠正常上高壓電工作，但半小時后，儀表報電機(jī)控制器水溫過高，駕駛員被迫停機(jī)冷卻。這是因為電動空調(diào)不能工作制冷降低電機(jī)控制器冷卻系統(tǒng)的水溫。因此，需要更換密封良好的新電動壓縮機(jī)才能解決故障、保證裝載作業(yè)的正常進(jìn)行。

3 總結(jié)

需要說明的是，該裝載機(jī)的電動壓縮機(jī)高壓母線插接頭處雖然設(shè)置有互鎖針腳，但并未串聯(lián)于整車高壓互鎖回路中，因此，斷開電動壓縮機(jī)母線沒有影響整車上電。而造成該故障的根本原因，是高壓部件制造工藝上密封不良，加之該車輛的車身外殼配合間隙大，由于夏季強降雨天氣 造成了電動壓縮機(jī)本體絕緣電阻過低。工程機(jī)械車輛電控系統(tǒng)的設(shè)計、控制、故障自診斷及制造工藝等方面還有很大的提升空間，保障設(shè)備作業(yè)的可靠性和作業(yè)人員的安全性值得引起思考和努力。