2010款廣汽豐田凱美瑞混動版無法加速

◆文/深圳李明權(quán)勞模創(chuàng)新工作室 鐘信紅

故障現(xiàn)象

一輛2010款的廣汽豐田凱美瑞混合動力車輛，采用豐田混合動力系統(tǒng)-II(簡稱THS-II，下同)，配備2AZ-FXE汽油發(fā)動機和P311傳動橋，使用密封式金屬氫化物鎳 (Ni-MH)電池，行駛里程為142 952km。車主反映該車在行駛過程中，多功能顯示屏顯示“檢查混合動力系統(tǒng)”，同時儀表上故障燈和安全指示燈都同時點亮(圖1)，且車輛無法加速。此現(xiàn)象出現(xiàn)有一段時間了，剛開始出現(xiàn)時故障燈亮進行過故障碼清除工作，現(xiàn)在又出現(xiàn)了類似的故障現(xiàn)象，且故障出現(xiàn)的頻率更高。

圖1 故障車上的故障燈點亮

故障診斷與排除

在故障診斷前，有必要先了解故障車型HV蓄電池系統(tǒng)的組成和工作原理。

HV蓄電池系統(tǒng)由HV蓄電池，混合動力車輛轉(zhuǎn)換器(簡稱DC-DC轉(zhuǎn)換器，下同)、蓄電池智能單元、HV繼電器總成、服務(wù)插銷、蓄電池冷卻鼓風(fēng)機總成、輔助電池和蓄電池溫度傳感器等組成(圖2，圖3)。

圖2 故障車型HV蓄電池外觀

圖3 故障車型HV蓄電池結(jié)構(gòu)

HV 蓄電池使用密封鎳氫 (Ni-MH)蓄電池單格。該HV蓄電池具有功率密度大、重量輕、壽命長等特點，可適應(yīng)豐田THS-II的特性。HV蓄電池由34個蓄電池模塊組成，各蓄電池模塊均由6個單格組成，并通過母線模塊串聯(lián)在一起。蓄電池的單格在2個位置相連，以減小內(nèi)部電阻和提高效率。HV蓄電池總共有204個單格(6個單格，34個模塊)和244.8V(每個單格電壓1.2V)的公稱電壓。

HV蓄電池的充電主要通過混合動力傳動橋內(nèi)的永久磁鐵馬達MG1和MG2，配合混合動力車輛控制ECU，帶轉(zhuǎn)換器的逆變器和相關(guān)傳感器來完成，充電方式有兩種：車輛在發(fā)動機工作時，發(fā)動機驅(qū)動MG1，MG1充當(dāng)發(fā)電機產(chǎn)生高壓交流電，通過帶轉(zhuǎn)換器的逆變器轉(zhuǎn)換成直流電后，向HV蓄電池充電(圖4)；當(dāng)車輛換擋桿置于D位的狀態(tài)減速時，MG2充當(dāng)發(fā)電機產(chǎn)生高壓交流電，通過帶轉(zhuǎn)換器的逆變器轉(zhuǎn)換成直流電后，向HV蓄電池充電(圖5)。

圖4 MG1作為發(fā)電機

圖5 MG2作為發(fā)電機

混合動力車輛控制ECU通過相關(guān)傳感器持續(xù)監(jiān)視HV蓄電池的充電狀態(tài)(簡稱SOC，下同)，SOC過低時，混合動力車輛控制ECU提高發(fā)動機的輸出功率，使MG1運行以對HV蓄電池充電，發(fā)動機停止時，MG1運行以起動發(fā)動機；然后，發(fā)動機使MG1運行以對HV蓄電池充電。如果SOC低或HV蓄電池模塊、MG1或MG2的溫度高于規(guī)定值，則混合動力車輛控制 ECU限制施加到驅(qū)動輪的原動力大小，直至溫度或SOC恢復(fù)到正常值，使HV蓄電池保持在恒定的充電狀態(tài)(SOC) 范圍內(nèi)，防止HV蓄電池充電不足或者過度，導(dǎo)致HV蓄電池過早損壞。

車輛的輔助設(shè)備，如車燈、音響系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)(除電動逆變器壓縮機外)以及ECU，均通過直流12V系統(tǒng)供電。由于THSII輸出的是公稱電壓直流244.8V，因此使用DC-DC轉(zhuǎn)換器將電壓從直流244.8V轉(zhuǎn)換為直流12V以對輔助蓄電池再充電，混合動力控制ECU根據(jù)輔助蓄電池上的蓄電池溫度傳感器信號控制DC-DC轉(zhuǎn)換器，以控制輔助蓄電池充電電壓(圖6)。

圖6 DC-DC轉(zhuǎn)換器工作系統(tǒng)圖

蓄電池智能單元主要由蓄電池電壓傳感器及檢測電路組成(圖7)，檢測用來判定充電或放電時的HV蓄電池狀態(tài)信號(電壓、電流和溫度)，檢測執(zhí)行HV蓄電池和DC-DC轉(zhuǎn)換器冷卻風(fēng)扇控制操作所需的冷卻風(fēng)扇電壓信號，并通過串行通信將其傳送至混合動力車輛控制ECU，同時蓄電池電壓傳感器也配備有泄漏檢測電路，用以檢測HV蓄電池是否有過大電流泄漏的情況。

圖7 蓄電池智能單元系統(tǒng)圖

HV繼電器總成主要由系統(tǒng)主繼電器搭鐵 (SMRG)、系統(tǒng)主繼電器蓄電池 (SMRB) 和蓄電池電流傳感器組成車輛的高壓系統(tǒng)安全保護裝置(圖8)。如果車輛發(fā)生正面碰撞或側(cè)面碰撞，混合動力車輛控制ECU接收到來自氣囊傳感器總成的氣囊展開信號，或者接收到來自安裝在帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成上的斷路器傳感器的執(zhí)行信號，則混合動力車輛控制ECU將通過斷開系統(tǒng)主繼電器 (SMR)來切斷整個電源，以確保車輛安全。

圖8 HV繼電器總成系統(tǒng)圖

由于車輛配備的HV蓄電池電壓達到244.8V，為確保安全，在HV蓄電池的中間位置安裝帶有高壓電路的主熔絲和互鎖的舌簧開關(guān)的服務(wù)插銷。在執(zhí)行任何檢查或維修前，拆下服務(wù)插銷并妥善保管，將車輛高壓電路切斷，再等待10min后方可進行高壓系統(tǒng)檢測維修，以確保維修期間的安全。

由于HV蓄電池充放電和DC-DC轉(zhuǎn)換器工作時均會產(chǎn)生熱量，為確保它們能正常工作和使用壽命長，專門使用冷卻風(fēng)扇進行風(fēng)冷式強制冷卻，利用專用冷卻風(fēng)扇和來自車廂內(nèi)部的空氣冷卻HV蓄電池和DC-DC轉(zhuǎn)換器。車廂內(nèi)部的空氣通過位于后窗臺板后裝飾板上的進氣管流入，在冷卻鼓風(fēng)機工作的情況下，強制向下流經(jīng)HV蓄電池及DC-DC轉(zhuǎn)換器，以降低HV蓄電池和DC-DC轉(zhuǎn)換器的溫度，空氣通過專用氣管從車內(nèi)排出(圖9)?；旌蟿恿囕v控制ECU通過接收HV蓄電池總成內(nèi)的4個溫度傳感器傳來的蓄電池表面溫度信號，然后通過使用占空比控制對冷卻風(fēng)扇進行無級驅(qū)動，從而使HV蓄電池的溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)。當(dāng)車輛空調(diào)系統(tǒng)運行來降低車內(nèi)溫度時，如果蓄電池溫度傳感器傳出HV蓄電池溫度在正常范圍內(nèi)信號時，混合動力車輛控制ECU將關(guān)閉蓄電池冷卻風(fēng)扇或?qū)L(fēng)扇轉(zhuǎn)切換為低速。其目的是優(yōu)先降低車廂溫度，同時也通過位于后窗臺板后裝飾板中央的進氣管冷卻HV蓄電池。

圖9 蓄電池冷卻系統(tǒng)示意圖

本著故障碼優(yōu)先的原則，首先使用豐田專用檢測儀GTS，通過數(shù)據(jù)鏈路連接器DLC3連接車輛，進入車輛健康檢查，進行所有故障碼的讀取，顯示兩個故障碼：P0A80-更換混合型電池組；P3000-蓄電池控制系統(tǒng)(圖10)。

圖10 故障車上存儲的故障碼

保存停幀數(shù)據(jù)后刪除故障碼再試車，行駛約10min后，故障現(xiàn)象重現(xiàn)，用GTS進行檢測，仍然顯示故障碼P0A80。查看維修手冊上關(guān)于該故障代碼的描述為：蓄電池單元之間的電壓差大于標(biāo)準(zhǔn)值?？赡艿墓收喜课粸椋篐V蓄電池、蓄電池智能單元(圖11)。

圖11 診斷儀對故障碼的描述

如果HV蓄電池發(fā)生故障時，停幀數(shù)據(jù)會有如下兩個特征：

1.一個或者幾個蓄電池單元的電壓值下降(與下一個單元的電壓差為1V或者更高)

2.所有蓄電池單元的電壓隨機輸出，無規(guī)律。

如果蓄電池智能單元發(fā)生故障時，則所有蓄電池單元電壓值有一定的規(guī)律。

根據(jù)提示檢測故障部位，計劃進行檢查蓄電池智能單元和HV蓄電池。

豐田專用智能檢測儀GTS有讀取故障碼、數(shù)據(jù)流、主動測試及快照等功能，其中讀取數(shù)據(jù)流功能，能在無需拆下任何零件即可讀取開關(guān)、傳感器、執(zhí)行器的數(shù)值或狀態(tài)。這種非侵入式檢查非常有用，可在零件或配線受到干擾之前發(fā)現(xiàn)間歇性狀況或信號。進行故障排除時，盡早讀取數(shù)據(jù)列表信息可節(jié)省診斷時間。

將智能檢測儀GTS連接到DLC3，并將電源開關(guān)置于ON (READY)位置， 選擇以下菜單項：混合動力控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)列表、選擇Battery Block Vol-V01toV17。發(fā)動機充分暖機并關(guān)閉空調(diào)，左腳用力踩下制動踏板，將換擋桿移至D位置，右腳完全踩下加速踏板時，記錄數(shù)據(jù)列表中的各蓄電池單元電壓。根據(jù)表1所示各組奇數(shù)組和偶數(shù)組之間蓄電池單元電壓，檢查各組電壓差是否為0.3V或更高。故障車HV蓄電池單元電壓實際測量值如圖12所示，可以看出，HV蓄電池組中V07與V08單元的電壓壓差為1.46V，大于0.3V，其他各組電壓差值都小于0.3V，因此，可基本排除因蓄電池智能單元引起的故障。

表1 HV蓄電池單元電壓壓差檢查表

圖12 故障車HV蓄電池單元電壓實際測量值

使用GTS讀取故障碼出現(xiàn)時的停幀數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)流進行對照檢查分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)此故障時間和客戶描述時間基本一致。在該車行駛到110 000km或者更少里程數(shù)時，就已經(jīng)出現(xiàn)車主反映的故障現(xiàn)象。查看HV蓄電池相關(guān)數(shù)據(jù)值，4個蓄電池溫度傳感器數(shù)值均在正常范圍內(nèi)，蓄電池單元電壓中第5、6和8單元電壓值較其他單元電壓明顯偏低，尤其是第8單元電壓只有11.92V(標(biāo)準(zhǔn)值為12～20V之間)，已經(jīng)低于標(biāo)準(zhǔn)值，且與最高單元電壓值差達2.47V，說明HV蓄電池性能已經(jīng)開始下降。當(dāng)蓄電池組之間的電壓差值達到1.2V時，故障燈就會點亮，同時存儲P0A80故障碼及停幀數(shù)據(jù)(圖13)。

圖13 故障車停幀數(shù)據(jù)

該車使用不到5年，使用的是日本松下生產(chǎn)的HV蓄電池，質(zhì)保期為5年(或200 000km)，質(zhì)量應(yīng)該沒有問題。會是其他原因?qū)е滦铍姵匦阅芟陆祵?dǎo)致早期損壞嗎?帶著這個疑惑，拆下HV蓄電池進行檢查，從外觀看，無液體泄漏痕跡，也未見其他明顯異常(圖14)。

圖14 故障車上的HV蓄電池外觀及拆卸作業(yè)圖片

拆開HV蓄電池外殼時，看到令人吃驚的一幕：HV蓄電池單元格及上面的通風(fēng)管表面布滿了大量細(xì)小纖維、毛發(fā)和灰塵，有的單元格表面和縫隙間被完全堵塞，拆開冷卻鼓風(fēng)機，扇葉表面及機殼內(nèi)側(cè)也附著有大量類似的雜物(圖15、圖16、圖17)。

圖15 故障車HV蓄電池外表

圖16 故障車HV蓄電池外表局部

圖17 故障車?yán)鋮s鼓風(fēng)機上的附著物

圖18 定格數(shù)據(jù)的電壓值

看來導(dǎo)致HV蓄電池性能下降的真兇找到了，原來是HV蓄電池表面附著大量的纖維毛發(fā)灰塵等雜物，導(dǎo)致HV蓄電池散熱不良，長期溫度過高，混合動力控制ECU根據(jù)接收的蓄電池溫度信號對HV蓄電池充電電壓和電流進行控制，長期充電量不足，從而導(dǎo)致HV蓄電池性能下降。那么這么多的雜物是從什么地方來的呢？通過上面關(guān)于HV蓄電池及DC-DC轉(zhuǎn)換器冷卻系統(tǒng)的介紹了解到，鼓風(fēng)機將車內(nèi)空氣通過后窗臺板后裝飾板中央的進氣管抽入HV蓄電池表面進行冷卻。因此，這些雜物應(yīng)該是車內(nèi)空氣夾雜著帶進來的，說明該車車內(nèi)衛(wèi)生狀況比較糟糕。從側(cè)面了解到，此車之前是用于營運的，后來才轉(zhuǎn)為非營運的私家車。

針對此類問題，廣汽豐田曾聯(lián)合豐田中國以及豐田汽車在國內(nèi)進行了大量調(diào)查，此次還專門到現(xiàn)場進行調(diào)查，認(rèn)為在車內(nèi)空氣進入到鼓風(fēng)機之前存在沒有過濾裝置的瑕疵，導(dǎo)致雜物隨著空氣進入到HV蓄電池表面，長期積累后容易引發(fā)故障。隨后將蓄電池單元格表面的污垢、灰塵清理干凈重新安裝，并消除故障碼后進行路試，行駛一段距離后故障燈再次點亮，重新連接檢測儀，故障碼仍為P0A80，觀察停幀數(shù)據(jù)中蓄電池各單元的電壓，與清理前沒有變化，確認(rèn)HV蓄電池已損壞。

更換新的HV蓄電池，安裝完成后清除故障碼試車，車輛恢復(fù)正常，查看HV蓄電池的數(shù)據(jù)流中蓄電池各單元的電壓正常(圖18)，該車故障被徹底排除。

維修小結(jié)

由于HV蓄電池表面被雜物覆蓋，導(dǎo)致散熱效果變差，HV蓄電池表面溫度高，HV蓄電池溫度傳感器將此信號傳給混合動力控制ECU，混合動力控制ECU根據(jù)接收的信號對HV蓄電池充電電壓和電流進行控制，導(dǎo)致長期充電量不足，從而引起HV蓄電池性能下降的故障發(fā)生，更換HV蓄電池，清潔冷卻鼓風(fēng)機，加裝空氣過濾器后，故障排除。

現(xiàn)代汽車使用的新技術(shù)、新工藝日新月異，只有不斷學(xué)習(xí)，才能與時俱進而不至于落伍。對于每一個故障都要參照維修資料進行分析，找出故障的前因后果，同時熟練掌握各種專用儀器的使用方法。通過看數(shù)據(jù)流，找出異常數(shù)據(jù)，去偽存真，直到找到故障根源。通過主動測試，熟悉各種執(zhí)行器的工作狀況和相關(guān)數(shù)值的變化規(guī)律，快速診斷故障，能起到事半功倍的效果。

專家點評

李明權(quán)

本文對豐田混合動力的車型結(jié)構(gòu)、工作原理等分析得很到位，故障排除思路很清晰，也沒有走什么彎路。在這里我想補充一點關(guān)于混動或者純電動高壓蓄電池的散熱系統(tǒng)，豐田公司應(yīng)該是意識到了本文章的內(nèi)容，所以后期的車輛在后排座椅底下，均安裝了HV電池散熱空氣濾清器，關(guān)于這個濾清器的保養(yǎng)，應(yīng)該在車輛保養(yǎng)時一并清潔或者更換，操作上沒有難度，只是有些非專業(yè)的人員，可能不清楚這個技術(shù)環(huán)節(jié)，所以忽略了這一部分。

另外，對于高壓蓄電池的散熱有兩種：水冷或者制冷劑冷卻，水冷系統(tǒng)也可以對電池進行加熱。在環(huán)境溫度非常低的情況下，對水冷系統(tǒng)進行維修時要特別注意：應(yīng)對散熱系統(tǒng)進行排空操作，例如可以用診斷電腦對水泵進行動作測試、運轉(zhuǎn)，以避免因空氣沒有排干凈而引發(fā)的故障。