并联式混合动力系统无力故障分析与解决方法

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近年来，混合动力系统逐渐被消费者认识和接受，相关的销量和保有量得到了快速增长。但是，很多维修人员不知道如何维修混合动力汽车，究其原因为：混合动力系统有两个驱动系统，无力故障涉及到存在相互影响关系的零部件比较多。

混合动力系统按动力传输路线不同可分为串联式、并联式和混联式三种。根据输出轴结构不同，并联式混合动力系统又可分为单轴式（见图1）和双轴式两种。针对混合动力系统售后维修市场现状，本文以单轴并联式混合动力系统为例分析无力故障。

图1 单轴并联式混合动力系统结构

并联式混合动力系统结构和原理

并联式混合动力系统有两个通过机械方式相互连接的驱动系统，即发动机系统和驱动电动机系统。这两个系统根据不同的工作模式分别单独驱动或联合驱动汽车行驶。

并联式混合动力系统主要由发动机、电动机、电动机控制器、动力电池组、混合动力系统控制器（HCU）、自动离合器等组成。HCU通过CAN总线与混合动力系统其他控制器连接，并通过CAN总线下达控制指令以及进行数据交互。

并联式混合动力系统通常有以下四种工作模式[1]（见图2）：

1）当车速较低或起步时，与发动机连接的自动离合器分离，仅电动机提供转矩，发动机不工作。此时混合动力系统处于纯电动模式。

图2 并联式混合动力系统工作模式

2）当加速或爬坡时，自动离合器接合，发动机作为基础动力输出转矩并运行在高效区上限区域，电动机弥补发动机输出转矩的不足，发动机与电动机共同输出转矩以保障整车正常运行。此时混合动力系统处于联合驱动模式。

3）当高速行驶时，自动离合器接合，电动机空转，发动机单独满足整车动力需求并输出功率。此时混合动力系统处于发动机单独驱动模式。在电池SOC值较低的情况下，如果整车需求转矩位于发动机高效运行区下限值区域，混合动力系统开启行车充电模式，使发动机运行在高效区，并将剩余的驱动能力转化成电能存储在动力电池组内。

4）当下坡或减速制动时，发动机停止运行，与发动机连接的自动离合器分离，电动机根据由车速和电池SOC控制的回馈制动MAP将动能转化成电能储存在动力电池组内。在动力电池组处于不允许充电的状态下，电动机既不产生电能，也不参与整车制动。此时，整车制动扭矩由摩擦制动器单独提供。

单轴并联式混合动力系统无力故障原因分析

单轴并联式混合动力系统的组合比较多。为便于无力故障原因分析，本文假设其组合为“高压共轨发动机+铁锂动力电池组+永磁驱动电动机系统+自动离合器”。

导致混合动力系统无力的原因主要有两种，即零部件存在功能性失效和混合动力系统保护功能被触发。下文将从动力电池组、永磁驱动电动机系统、高压共轨发动机和自动离合器四个方面分析导致混合动力系统无力的故障原因。

1.动力电池组故障原因分析

动力电池组是混合动力系统的能量储存装置，包括电池单体、电池管理系统（BMS）、传感器及连接组件等，导致混合动力系统无力故障的主要原因为：一是HCU对电池开启了保护功能，二是电池单体存在故障。

HCU对电池开启保护功能主要由SOC和温度参数触发，并通过“切断高压”和“限制扭矩”方式阻止电池过充、过放和温度过高，达到保护电池的目的。电池温度过高主要由其散热系统故障导致，如散热风扇不转、进排气管道堵塞等。BMS实时监控单体电压、总电压、总电流和温度等参数，对动力电池组剩余容量SOC值进行估算，并将数据实时反馈给HCU。当HCU接收到的电池温度数据大于电池温度保护MAP（见图3）设定的最小阀值（如50℃）时，HCU通过减小电池输出电流来限制电动机转矩输出，使电池内部发热量减少，以达到降低电池内部温度的目的。在低温（如－20℃）时，电池内阻增大，放电性能变差。

为防止电池过充和过放，HCU也会对低温状态下的动力电池组进行保护。当温度传感器失效或出现信号漂移时，BMS实时反馈给HCU的错误温度数据也会误导HCU开启电池保护功能，使车辆出现无力故障。当SOC偏低（如低于40%）时，电池放电保护功能被触发，HCU依据电池放电SOC限制MAP（见图4）限制电动机输出转矩。当BMS对SOC估算存在较大偏差时，SOC会出现跳变故障。此时，可能会触发电池放电保护功能，甚至会导致整车抛锚。

图3 铁锂电池温度保护MAP

图4 电池放电SOC限制MAP

电池单体的损坏不仅直接影响电池的充电和放电，还影响BMS对动力电池组SOC的估算以及电池内部温度数据，最终通过SOC和温度参数来影响整车动力输出。

2.永磁驱动电动机系统故障原因分析

永磁驱动电动机系统是混合动力系统核心部件之一，主要由永磁电动机、电动机控制器和连接组件等组成。导致混合动力系统无力故障的主要原因为：永磁电动机输出功率变小；电动机控制器存在故障；驱动电动机系统温度保护功能开启。

永磁电动机输出功率变小的主要原因为：电动机定子匝间存在短路故障；电动机存在“失磁”故障；电动机旋转变压器出现故障。

1）电动机定子匝间短路故障是一种常见的破坏性强故障，不仅会导致线圈匝数变少，电动机输出转矩变小，还会产生高于正常电流许多倍的大电流，使线圈发热量增大，加速线圈绝缘层的变质老化。

2）在大电流和高温工况下，永磁电动机容易产生“失磁”故障[2]。“失磁”故障通常会导致电动机效率降低、振动及噪声增加。永磁电动机定子匝间短路故障既能产生大电流，又能使电动机处于高温状态，因此能导致电动机出现“失磁”故障。

3）旋转变压器在永磁电动机中主要用于检测位置、速度和角度等信号。当其出现故障（如发生零位偏移）时，会导致永磁电动机无法起动或输出转矩变小等现象。

电动机控制器由功率模块、驱动模块、控制模块和传感器等组成，不仅能将电池的高压直流电转换成三相交流电，还能在能量回收时将电动机发出的三相交流电转换成直流电给电池充电。无力故障通常由功率模块（如IGBT）故障导致。导致IGBT出现故障的主要原因包括过流、过压、过温和信号缺失等。当IGBT出现故障（如开路）时，电动机控制器输出波形发生畸变，电动机能继续运行，但会引起输出转矩减小、发热和绝缘损坏等问题[3]。

电动机和电动机控制器在工作过程中都会存在一部分电能转化成热能的现象。这些热能如果不能及时散发出去，会使得电动机和电动机控制器因温度过高而导致元器件损坏。因此，不仅需要对电动机和电动机控制器采用风冷或水冷方式进行冷却，还需要采用温度传感器实时监控冷却效果。当温度传感器检测到电动机或电动机控制器温度达到温度保护MAP设定的保护阀值（见图5）时，HCU通过减小电动机控制器输出电流来限制转矩输出。由于HCU无法分辨传感器信号的真伪，因此当温度传感器发生故障（如信号发生漂移）时，HCU对电动机和电动机控制器的温度保护功能也会被触发。

图5 电动机和控制器温度保护MAP图

3.高压共轨发动机故障原因分析

虽然并联式混合动力系统存在驱动电动机系统，但发动机在车辆行驶过程中依然扮演着基础动力的角色。因此，当发动机出现无力故障时对混合动力汽车的动力性影响非常大。导致高压共轨发动机出现无力故障的原因主要为：电控燃油喷射系统故障；冷却系统故障；气缸压力不足；排气系统故障。

电控燃油喷射系统由空气供给系统、燃料供给系统和控制系统三部分组成。空气供给系统导致发动机无力的具体表现为进气管路供气能力不足，通常由空气滤清器堵塞，进气管路严重漏气、增压器损坏、节气门卡滞、流量计堵塞等原因造成。燃油供给系统导致发动机无力的主要原因为燃油供给能力不足（如柴油滤器堵塞、高压共轨管泄压阀开启、输油泵和高压油泵故障等）和喷油器故障（如喷孔堵塞、针阀卡滞或烧蚀、电磁阀不工作等）。控制系统导致发动机无力的主要原因为执行器和传感器存在故障（如燃油计量阀故障导致燃油压力异常，增压压力传感器信号漂移导致空燃比控制不精确等）和传感器数据触发保护功能开启（如凸轮轴位置传感器或轨压传感器信号丢失触发发动机开启“跛行回家”功能）。

冷却系统出现故障（如水泵或散热风扇不工作）时会导致发动机水温高。当发动机水温升高到一定数值（如105℃）时，发动机控制器ECU开启热保护功能，并限制发动机扭矩输出。

缸压不足的主要原因为：

1）气缸垫密封不严，存在漏气现象。

2）气门与气门座之间的密封锥面存在烧蚀现象或者积炭过多，气门密封不严[4]。

3）缸套或者活塞环磨损严重，气缸窜气量过大。

4）气门弹簧断裂或弹力变小无法使气门密封。

排气系统导致发动机无力的主要原因为：

1）排气管路堵塞导致排气背压过大，使气缸内废气增加，影响发动机燃烧，致使发动机输出功率减小。

2）SCR后处理系统出现CAN网络通信故障、与排放相关的零部件故障、添蓝罐内添蓝液位过低（比如低于13%）、氮氧传感器检测到尾气超标等现象时，ECU激活减转矩功能，并对发动机进行减转矩处理[5]。

4.自动离合器故障原因分析

混合动力系统的自动离合器通常是在干式摩擦离合器基础上增加控制器CCU和执行机构改造而成。CCU通过控制电动、气动或液压执行机构来使离合器传递和中断车辆动力。图1中，当自动离合器1出现故障时，发动机的转矩传递和中断受到影响；当自动离合器2出现故障时，混合动力系统的总转矩传递和中断受到影响。自动离合器导致混合动力系统无力的主要表现为：离合器压盘对从动盘的压紧力不足，从动盘出现打滑现象。

从动盘出现打滑现象的主要原因为：

1）离合器压紧弹簧（或膜片弹簧）发生形变或折断，从动盘所受的压紧力减少或消失。

2）离合器踏板自由行程过小或执行机构无法正常回位（如气缸卡滞），分离轴承对膜片弹簧产生作用力，从动盘所受的压紧力变小。

3）从动盘上存在油污或老化变硬，从动盘与压盘之间的摩擦力变小。

4）从动盘存在严重磨损或者被烧坏现象，与压盘之间的间隙过大，压盘无法压紧从动盘。

5）离合器压盘及盖总成与飞轮之间的紧固螺栓存在松动现象。

并联式混合动力系统无力故障解决方法

并联式混合动力系统无力故障排查不仅需要考虑驱动电动机系统、发动机以及动力电池组等零部件的单独影响，还需要考虑它们之间的相互影响，因此要比仅使用传统发动机驱动的车辆无力故障排查复杂很多。例如：并联式混合动力系统输出转矩为发动机和电动机输出转矩的矢量和，动力电池的温度和SOC值影响电动机的转矩输出，自动离合器的工作状态影响发动机和电动机输出转矩的耦合。

为能在众多影响因素中快速找到故障点，可以采用“问”和“切”方法查找故障：

1）了解故障相关信息。通常通过向驾驶员询问车辆无力时的故障现象和故障发生前的经历，以及查询车辆以前的故障记录来获得相关信息。目的是为了尽可能多的掌握故障信息，以快速找到解决无力故障的突破口。

2）读取故障码。通过故障指示灯或者诊断工具查看混合动力系统故障码，了解系统当前故障码和历史故障码。如果不存在当前故障码，则可以历史故障作为故障排查的参考信息。如果存在当前故障码，则根据故障码提示的内容检查相关零部件是否存在功能失效故障。一般情况下，控制器开启保护功能以及有传感器或检测电路的零部件发生故障（如电池温度过高、电池单体电压超高限、喷油器开路故障等）时都会存在相应的当前故障码，机械连接部位以及无检测电路的零部件发生故障（如喷油器针阀卡滞、从动盘打滑等）时控制器不会报故障码。

3）用诊断工具读取零部件运行参数或者采集混合动力车辆行驶时的数据流，并对它们的数值进行分析判断。例如：发动机停止状态下，如果进气压力传感器测量值只有0.07MPa，此时可判断进气压力传感器存在故障。

图1中自动离合器1结合瞬间，如果发动机转速与电动机转速不一致，则可判定自动离合器回位慢；车辆急加速过程中，如果发动机转速与车速攀升不成正比，有时车辆还突然出现“卡顿”现象，则可判定自动离合器出现打滑故障。根据零部件参数和数据流来分析故障点时，需要维修人员熟悉零部件某状态下的参数以及了解混合动力系统的控制策略，然后按照零部件之间的相关性从易到难进行分析和检查。例如：根据混合动力系统控制策略，在混合动力车辆起步阶段分析驱动电动机系统和动力电池组故障，在发动机高效运行时分析发动机故障。

结语

混合动力系统的动力输出涉及到多个零部件，因此其无力故障排除也相应变得复杂。上文的故障原因分析实际是以混合动力系统出厂时各方面指标均合格为前提。如果出厂前混合动力系统存在配套上的失误，混合动力系统依然会出现无力故障。例如：发动机和电动机的功率偏小；动力电池组和发动机散热系统的散热能力不足。此时仅仅采用维修的方式根本无法排除无力故障，需要混合动力汽车厂家对混合动力系统进行优化和改良。