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◆文/深圳李明权劳模创新工作室 钟信红gl63
2010款广汽丰田凯美瑞混动版无法加速
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故障现象
一辆2010款的广汽丰田凯美瑞混合动力车辆，采用丰田混合动力系统-II(简称THS-II，下同)，配备2AZ-FXE汽油发动机和P311传动桥，使用密封式金属氢化物镍 (Ni-MH)电池，行驶里程为142 952km。车主反映该车在行驶过程中，多功能显示屏显
示“检查混合动力系统”，同时仪表上故障灯和安全指示灯都同时点亮(图1)，且车辆无法加速。此现象出现有一段时间了，刚开始出现时故障灯亮进行过故障码清除工作，现在又出现了类似的故障现象，且故障出现的频率更高。
图1 故障车上的故障灯点亮
新款红旗轿车h9故障诊断与排除
在故障诊断前，有必要先了解故障车型HV蓄电池系统的组成和工作原理。
HV蓄电池系统由HV蓄电池，混合动力车辆转换器(简称DC-DC转换器，下同)、蓄电池智能单元、HV继电器总成、服务
sf5
插销、蓄电池冷却鼓风机总成、辅助电池和蓄电池温度传感器等组成(图2，图3)。
图2 故障车型HV蓄电池外观
图3 故障车型HV蓄电池结构
HV 蓄电池使用密封镍氢 (Ni-MH)蓄电池单格。该HV蓄电池具有功率密度大、重量轻、寿命长等特点，可适应丰田THS-II的特性。HV蓄电池由34个蓄电池模块组成，各蓄电池模块均由6个单格组成，并通过母线模块串联在一起。蓄电池的单格在2个位
置相连，以减小内部电阻和提高效率。HV蓄电池总共有204个单格(6个单格，34个模块)和244.8V(每个单格电压1.2V)的公称电压。
HV蓄电池的充电主要通过混合动力传动桥内的永久磁铁马达MG1和MG2，配合混合动力车辆控制ECU，带转换器的逆变器
和相关传感器来完成，充电方式有两种：车辆在发动机工作时，发动机驱动MG1，MG1充当发电机产生高压交流电，通过带转换器的逆变器转换成直流电后，向HV蓄电池充电(图4)；当车辆换挡杆置于D位的状态减速时，MG2充当发电机产生高压交流电，通过带转换器的逆变器转换成直流电后，向HV蓄电池充电(图5)。
图4 MG1作为发电机
DOI:10.hina.2020.12.011
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图5 MG2作为发电机
混合动力车辆控制ECU通过相关传感器持续监视HV蓄电池的充电状态(简称SOC，下同)，SOC过低时，混合动力车辆控制ECU提高发动机的输出功率，使MG1运行以对HV蓄电池充电，发动机停止时，MG1运行以起动发动机；然后，发动机使MG1运行以对HV蓄电池充电。如果SOC低或HV蓄电池模块、MG1或MG2的温度高于规定值，则混合动力车辆控制 ECU限制施加到驱动轮的原动力大小，直至温度或SOC恢复到正常值，使HV蓄电池保持在恒定的充电状态(SOC) 范围内，防止HV蓄电池充电不足或者过度，导致HV蓄电池过早损坏。
车辆的辅助设备，如车灯、音响系统，空调系统(除电动逆变器压缩机外)以及ECU，均通过直流12V系统供电。由于THS-II输出的是公称电压直流244.8V，因此使用DC-DC转换器将电压从直流244.8V转换为直流12V以对辅助蓄电池再充电，混合动力控制ECU根据辅助蓄电池上的蓄电池温度传感器信号控制
DC-DC转换器，以控制辅助蓄电池充电电压(图6)。
图6 DC-DC转换器工作系统图
蓄电池智能单元主要由蓄电池电压传感器及检测电路组成(图7)，检测用来判定充电或放电时的HV蓄电池状态信号(电压、电流和温度)，检测执行HV蓄电池和DC-DC转换器冷却风扇控制操作所需的冷却
游侠x风扇电压信号，并通过串行通信将其传送至混合动力车辆控制ECU，同时蓄电池电压传感器也配备有泄漏
检测电路，用以检测HV蓄电池是否有过大电流泄漏的情况。
图7 蓄电池智能单元系统图
HV继电器总成主要由系统主继电器搭铁 (SMRG)、系统主继电器蓄电池 (SMRB) 和蓄电池电流传感器组成车辆的高压系统安全保护装置(图8)。如果车辆发生正面碰撞或侧面碰撞，混合动力车辆控制ECU接收到来自气囊传感器总成的气囊展开信号，或者接收到来自安装在带转换器的逆变器总成上的断路器传感器的执行信号，则混合动力车辆控制ECU将通过断开系统主继电器
(SMR)来切断整个电源，以确保车辆安全。
图8 HV继电器总成系统图
由于车辆配备的HV蓄电池电压达到244.8V，为确保安全，在HV蓄电池的中间位置安装带有高压电路的主熔丝和互锁的舌簧开关的服务插销。在执行任何检查或维修前，拆下服务插销并妥善保管，将车辆高压电路切断，再等待10min后方可进行高压系统检测维修，以确保维修期间的安全。
由于HV蓄电池充放电和DC-DC转换器工作时均会产生热量，为确保它们能正常工作和使用寿命长，专门使用冷却风扇进行风冷式强制冷却，利用专用冷却风扇和来自车厢内部的空气冷却HV蓄电池和DC-DC转换器。车厢内部的空气通过位于后窗台板后装饰板上的进气管流入，在冷却鼓风机工作的情况下，强制向下流经HV蓄电池及DC-DC转换器，以降低HV蓄电池和DC-DC转换器的温度，空气通过专用气管从车内排出(图9)。混
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合动力车辆控制ECU通过接收HV蓄电池总成内的4个温度传感器传来的蓄电池表面温度信号，然后通过使用占空比控制对冷却风扇进行无级驱动，从而使HV蓄电池的温度保持在规定范围内。当车辆空调系统运行来降低车内温度时，如果蓄电池温度传感器传
出HV蓄电池温度在正常范围内信号时，混合动力车辆控制ECU 将关闭蓄电池冷却风扇或将风扇转切换为低速。其目的是优先降低车厢温度，同时也通过位于后窗台板后装饰板中央的进气管冷却HV蓄电池。
图9 蓄电池冷却系统示意图
本着故障码优先的原则，首先使用丰田专用检测仪GTS，通过数据链路连接器DLC3连接车辆，进入车辆健康检查，进行所有故障码的读取，显示两个故障码：P0A80-更换混合型电池组；P3000-蓄电池控制系统(图10)。
图10 故障车上存储的故障码
保存停帧数据后删除故障码再试车，行驶约10min后，故障现象重现，用GTS进行检测，仍然显示故障码P0A80。查看
维修手册上关于该故障代码的描述为：蓄电池单元之间的电压差大于标准值。可能的故障部位为：HV蓄电池、蓄电池智能单元(图11)。君越2014款
图11 诊断仪对故障码的描述
如果HV蓄电池发生故障时，停帧数据会有如下两个特征：1.一个或者几个蓄电池单元的电压值下降(与下一个单元的电压差为1V或者更高)
2.所有蓄电池单元的电压随机输出，无规律。
如果蓄电池智能单元发生故障时，则所有蓄电池单元电压值有一定的规律。
根据提示检测故障部位，计划进行检查蓄电池智能单元和HV 蓄电池。
丰田专用智能检测仪GTS有读取故障码、数据流、主动测试及快照等功能，其中读取数据流功能，能在无需拆下任何零件即可读取开关、传感器、执行器的数值或状态。这种非侵入式检查非常有用，可在零件或配线受到干扰之前发现间歇性状况或信号。进行故障排除时，尽早读取数据列表信息可节省诊断时间。
将智能检测仪GTS连接到DLC3，并将电源开关置于ON (READY)位置， 选择以下菜单项：混合动力控制系统、数据列表、选择Battery Block Vol-V01toV17。发动机充分暖机并关闭空调，左脚用力踩下制动踏板，将换挡杆移至D位置，右脚完全踩下加速踏板时，记录数据列表中的各蓄电池单元电压。根据
表1所示各组奇数组和偶数组之间蓄电池单元电压，检查各组电压差是否为0.3V或更高。故障车HV蓄电池单元电压实际测量值如图12所示，可以看出，HV蓄电池组中V07与V08单元的电压压差为1.46V，大于0.3V，其他各组电压差值都小于0.3V，因此，可基本排除因蓄电池智能单元引起的故障。
表1 HV蓄电池单元电压压差检查表
奇数组偶数组对比蓄电池单元电压Battery Block
Vol-V01Battery Block Vol-V02蓄电池单元Vol-V01→Vol-V02Battery Block Vol-V03Battery Block Vol-V04蓄电池单元Vol-V03→Vol-V04Battery Block Vol-V05
Battery Block Vol-V06蓄电池单元Vol-V05→Vol-V06Battery Block Vol-V07Battery Block Vol-V08蓄电池单元Vol-V07→Vol-V08Battery Block Vol-V09Battery Block Vol-V10蓄电池单元Vol-V09→Vol-V10B
attery Block Vol-V11Battery Block Vol-V12蓄电池单元Vol-V11→Vol-V12Battery Block Vol-V13Battery Block Vol-V14蓄电池单元Vol-V13→Vol-V14Battery Block Vol-V15Battery Block Vol-V16蓄电池单元Vol-V15→Vol-V16Battery Block Vol-V17
Battery Block Vol-V14
蓄电池单元Vol-V17→Vol-V14
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使用GTS读取故障码出现时的停帧数据，对数据流进行对照检查分析发现，出现此故障时间和客户描述时间基本一致。在该车行驶到110 000km或者更少里程数时，就已经出现车主反映的故障现象。查看HV蓄电池相关数据值，4个蓄电池温度传感器数值均在正常范围内，蓄电池单元电压中第5、6和8单元电压值较其他单元电压明显偏低，尤其是第8单元电压只有11.92V(标准值为12~20V之间)，已经低于标准值，且与最高单元电压值差达
2.47V，说明HV蓄电池性能已经开始下降。当蓄电池组之间的电压差值达到1.2V时，故障灯就会点亮，同时存储P0A80故障码及停帧数据(图13)。
图13 故障车停帧数据
该车使用不到5年，使用的是日本松下生产的HV蓄电池，质保期为5年(或200 000km)，质量应该没有问题。会是其他原因导致蓄电池性能下降导致早期损坏吗?带着这个疑惑，拆下HV蓄电池进行检查，从外观看，无液体泄漏痕迹，也未见其他明显异常
(图14)。
图14 故障车上的HV蓄电池外观及拆卸作业图片
拆开HV蓄电池外壳时，看到令人吃惊的一幕：HV蓄电池单元格及上面的通风管表面布满了大量细小纤维、毛发和灰尘，有的单元格表面和缝隙间被完全堵塞，拆开冷却鼓风机，扇叶表面
及机壳内侧也附着有大量类似的杂物(图15、图16、图17)。
图15 故障车HV蓄电池外表
图16 故障车HV蓄电池外表局部
图17 故障车冷却鼓风机上的附着物
图12 故障车HV蓄电池单元电压实际测量值
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看来导致HV蓄电池性能下降的真凶到了，原来是HV蓄电池表面附着大量的纤维毛发灰尘等杂物，导致HV蓄电池散热不良，长期温度过高，混合动力控制ECU根据接收的蓄电池温度信号对HV蓄电池充电电压和电流进行控制，长期充电量不足，从而导致HV蓄电池性能下降。那么这么多的杂物是从什么地方来的呢？通过上面关于HV蓄电池及DC-DC转换器冷却系统的介绍了解到，鼓风机将车内空气通过后窗台板后装饰板中央的进气管抽入HV蓄电池表面进行冷却。因此，这些杂物应该是车内空气夹杂着带进来的，说明该车车内卫生状况比较糟糕。从侧面了解到，此车之前是用于营运的，后来才转为非营运的私家车。
针对此类问题，广汽丰
田曾联合丰田中国以及丰田汽车在国内进行了大量调
HV蓄电池温度传感器将此信号传给混合动力控制ECU，混合动力控制ECU根据接收的信号对HV蓄电池充电电压和电流进行控制，导致长期充电量不足，从而引起HV 蓄电池性能下降的故障发生，更换HV蓄电池，清洁冷却鼓风机，加装空气过滤器后，故障排除。
现代汽车使用的新技术、新工艺日新月异，只有不断学习，才能与时俱进而不至于落伍。对于每一个故障都要参照维修资料进行分析，出故障的前因后果，同时熟练掌握各种专用仪器的使用方法。通过看数据流，出异常数据，去伪存真，直到到故障根源。通过主动测试，熟悉各种执行器的工作状况和相关数值的变化规律，快速诊断故障，能起到事半功倍的效果。
图18 定格数据的电压值
李明权
专家点评
本文对丰田混合动力的车型结构、工作原理等分析得很到位，故障排除思路很清晰，也没有走什么弯路。在这里我想补充一点关于混动或者纯电动高压蓄电池的散热系统，丰田公司应该是意识到了本文章的内容，所以后期的车辆在后排座椅底下，均安装了HV电池散热空气滤清器，关于这个滤清器的保养，应该在车辆保养时一并清洁或者更换，操作上没有难度，只是有些非专业的人员，可能不清楚这个技术环节，所以忽略了这一部分。
另外，对于高压蓄电池的散热有两种：水冷或者制冷剂冷却，水冷系统也可以对电池进行加热。在环境温度非常低的情况下，对水冷系统进行维修时要特别注意：应对散热系统进行排空操作，例如可以用诊断电脑对水泵进行动作测试、运转，以避免因空气没有排干净而引发的故障。
查，此次还专门到现场进行调查，认为在车内空气进入到鼓风机之前存在没有过滤装置的瑕疵，导致杂物随着空气进入到HV 蓄电池表面，长期积累后容易引发故障。随后将蓄电池单元格表面的污垢、灰尘清理干净重新安装，并消除故障码后进行路试，行驶一段距离后故障灯再次点亮，重新连接检测仪，故障码仍为P0A80，观察停帧数据中蓄电池各单元的电压，与清理前没有变化，确认HV蓄电池已损坏。
更换新的HV蓄电池，安装完成后清除故障码试车，车辆恢复正常，查看HV 蓄电池的数据流中蓄电池各单元的电压正常(图18)，该车故障被彻底排除。
维修小结
由于HV蓄电池表面被杂物覆盖，导致散热效果变差，HV蓄电池表面温度高，