2012年宝马750Li混动版无法启动

◆文/广东 汪贵行 汪学慧

故障现象

一辆2012年生产的宝马750Li混动轿车，搭载N63V8型发动机、15kW电机，行驶里程超过117 000km。一次长途回来后，该车突然出现无法启动的故障。

故障诊断与排除

接车后，首先验证故障现象。检修时发现该车仪表台上有“充电系统有异常”的提示信息(图1)，中控台上也出现了“蓄电池无法充电”的警示信息，并且动力电池故障警告灯点亮。此时踩下制动踏板，按“启动/停止”键，发动机不能启动。连接诊断仪，在相关系统中读取到“功率输出极损坏”等多个故障码。

图1 故障车仪表台上的提示信息

该车动力系统由一台330kW的发动机和一台15kW电机组成，能产生最大345kW功率，最大扭矩达700Nm，0-100km/h加速时间为4.9s。混合动力汽车最大特点是有两个驱动装置，行驶时车辆由单一或共同驱动，二者“并肩作战”、“取长补短”，发动机的热效率可提高10%，废气排放改善30%以上。但故障车型属于轻度混合车型，电机不能直接驱动，主要用于对发动机动力的调节，使发动机运行尽可能地在效率较高的转速区间运行，以达到节油和降低排放的目的。

对发动机不能启动，同时“蓄电池无法充电”这两个故障进行分析，发动机不能启动是发动机及其控制系统可能有故障；对于“蓄电池无法充电”故障，初步怀疑是动力电池及能量供给系统的故障，也可能是相关的高压保护、电机驱动系统或网络通信系统方面的故障。

接通点火开关，将宝马专用诊断仪连接到前方的16针诊断座上，没有读取到发动机的任何故障码。检查发动机的外部供油及点火等装置，均没有发现异常。踩下刹车踏板，打开点火开关仪表能正常显示，但不能启动发动机。

既然发动机没有故障码，只好暂时认为其工作状态正常，将检测的重点放在动力电池上。按拆检动力电池的相关安全规定，先关闭点火开关，断开高压维修安全接口，拆下低压蓄电池的搭铁负极，戴上绝缘手套，拔下维修开关。等待10min后，检查高压电缆线端，没有电压，也未发现其接插件有松脱等异常情况。检测动力电池的电压，也在正常范围之内。重新装回各部件，插上维修开关，并恢复低压蓄电池的供电。

再次接通点火开关，使用宝马专用诊断仪查看动力电池的动态数据流(图2)。当前充电状况为48.7%；电压为127V，与电池的额定电压126V是很接近；电池4个温度传感器的信号，均在33~35℃之间，基本符合实际状况。由此可基本排除高压电池存在故障的可能。

图2 动力电池的动态数据流

另外，检测时还发现，当车辆运行到117 258km时，电机和电机控制器系统内存有多个故障码(图3)，显示U、V、W三相交流电的功率输出极有“损坏或短路”的故障。同时EME电机控制器内部也有故障，存在“末级测试错误”等多个故障。

图3 故障车内存储的多个故障码

该车发动机的启动和发电共用同一个电机，从上述故障码可推断，因电机“功率输出级损坏或短路”，电机不能正常工作，因而造成发动机不能启动。

接下来，我们再系统了解一下故障车型宝马750Li混动车的启动系统构成及工作原理。

宝马750Li混动车的启动系统由高压电池组、电机和电机控制器等组成。高压电池串联35个单体电池(图4)，单体电池的额定电压为3.6V，组成额定电压126V的电池组。动力电池可储存电能量为0.9kWh，电池重量仅28kg。单体电池采用圆柱形结构，装有防撞抗振装置，可防止单体电池的机械损坏。每个单体电池上都有电压取样分接头。图4为BMW750Li的高压电池包。

宝马750Li混动车发动机由电机启动，取消了传统的发电机，因此电机不仅是启动机，同时也有发电的作用。该电机为三相交流永磁式，电压为105V，最大产生15kW的动力。电机的内部结构比较特殊，由外部转子和内部定子组成“永励式”同步电机(图5)。转子的永磁体以圆环方式布置在外部，称之为“外转子”，而电机的定子在内部，定子上分布有可产生旋转磁场的三相绕组。当交流电通入定子线圈时，就会产生旋转磁场，这时带永磁的外转子会与旋转磁场同步旋转，并对外产生动力。另外，电机上还装有检测转子位置和方向的传感器，可精准探测电机转子旋转的位置和方向。此传感器的工作原理，是以转子的磁性变化为基础。位置传感器采取旋转变压器的方式，由通入交流激磁的线圈与感应信号的线圈构成，信号输出到电机控制器。

图4 故障车宝马750Li的动力电池包

图5 故障车型电机的结构

宝马750Li混动车电机的作用有：①用于发动机的频繁启动(发动机自动启停功能)；②为发动机提供“助推”功能，与发动机一起共同驱动车辆；③在车辆下坡或刹车时用于发电，对电池进行充电，以回收能量。处于发电状态时，电机发出的是三相135V交流电，需要整流成直流电，才能向动力电池进行充电。

电机上装有温度传感器，用于检测绕组的温度，属NTC负温度系数热敏电阻，电机的定子线圈温度不允许超过200℃。表1为故障车型的电机参数，图6为电机的安装位置。

表1 故障车型的电机参数

图6 故障车型电机的安装位置

故障车型上的电机控制器(图7)用于控制电机的运转，包括多个部件，由变频器、DC/DC 转换器、混合动力主控器等三个逻辑单元组成。变频器能将高电压动力电池的直流电，转化为用于电机的三相交流电。电机处于发电运行模式时，系统通过变频器的整流功能，为高电压动力电池充电。而DC/DC 转换器是将动力电池的126V高压电，转换成14V的低压电，为车载电器设备提供低压电能，同时也为低压蓄电池充电。混合动力主控器则通过接收外部的信号来控制变频器和 DC/DC 转换器的工作。

图7 故障车上的电机控制器

该车发动机启动系统的控制原理(图8)是：当车上的MICU多路控制模块，接收到刹车和点火启动信号后，控制继电器给低压模块供电，并使动力电池处于正常供电状态。同时通过CAN网络将以上两信号传输给电机控制器。电机控制器同时采集电机的位置和温度信息，控制变频器将动力电池的直流电，转换成三相交流电，输送给电机的定子绕组，电机旋转以启动发动机。

在行驶过程，电机协助发动机驱动车辆时的控制原理是：根据车速和电池充电状态，按电脑内存的不同比例，将发动机的动力用于车辆的驱动，同时驱动电机作发电运行。低中速行驶时，发动机工作效率低，而电机在较低速时可提供较大扭矩，此时若动力电池电量充足，电机获取电能而旋转，与发动机共同驱动车辆，使得发动机在更有效的转速范围内运行。当车辆以恒定高速行驶时，发动机效率最佳，若此时动力电池电量不足，发动机可将部分功率用以驱动电机发电，为动力电池充电。

电机的突出优势在于起步时可提供强大的电功率，在加速和超车过程中，这种优势尤为突出。在交通绿灯开启、上坡或急加速时，电机可补足驱动功率，这称为“助推”功能。这时发动机和电机共同提供的总功率，可使车辆瞬间有足够大的动力和加速能力。电机就相当于一种“电动涡轮”，在车辆加速时可提供更大的助力，而且不会消耗更多的燃油。

在下坡或制动过程中，电机以发电方式将下坡和制动时释放出来的能量转化为电能，给动力电池充电。行驶过程中，稍稍踩下制动踏板，电机就会进入发电模式，同时为车辆提供制动力。只有在需要紧急制动时，才需启用传统的车轮制动器。

根据对该车启动系统的详细了解得知，电机不能运转是引起发动机不能启动、也不能充电的直接原因。导致电机不能正常工作的可能原因主要有：电机故障、控制器故障、网络通信系统故障。

图8 故障车型宝马750Li启动系统控制原理

对电机的绝缘性能和线圈电阻值进行检测，未见异常。绝缘性能检测直接涉及车辆的安全，检测时需用专门的绝缘仪表。检测包括两部分：一是车辆静态时的绝缘测试；二是在线绝缘检测，包括对动力电池组、电机驱动系统、电机以及电池充电器等的检测。实测绝缘电阻为220MΩ，而标准值为大于0.6MΩ，说明绝缘正常。对电机控制器、正负母线绝缘性能进行检测，结果数据为220MΩ(图9)，远高于标准值，说明绝缘性能良好。实测电机相线绕组的阻值，电阻在21.72~23.69mΩ之间，说明线圈电阻数据也正常。

图9 电机控制器正负母线绝缘性检测数据

电机控制器控制电机的启动、调速、制动和停止。该车三相永磁同步电机的运行状态，采用带有矢量变换以及脉宽调制等功能的电路来调节。控制器根据发动机点火开关信号、电机电流信号、电机转子位置信息等，经转换分析形成控制命令，以改变电机的转矩和转速。通过调整定子电压和电流改变定子旋转磁场与转子相对位置调整电机输出转矩；通过调整三相交流电的频率调整电机的转速。

永磁同步电动机的控制系统框图如图10所示，主要包括变频器、数字信号处理器、传感器和交流同步电机四个部分。变频器具有整流、逆变和滤波等功能，图10中功率开关管用的是双极型绝缘栅IGBT晶体管。数字信号处理器起到矢量变换、电流调节、转速调节及脉宽调制等作用，现已有专用的处理器集成电路模块。传感器包括电流传感器和编码器。电流传感器用以采集三相的电流信号，编码器是用来获取电机转子速度和位置的传感器，将电机转子的转速和相位变化信号，送到速度控制器。现代驱动电机通常采用旋转变压器的方式，也有用编码盘和光电检测器的方式。交流同步电动机采用的是三相永磁同步无刷电机。

图10 故障车同步电机的控制系统

接下来，笔者进行功率开关管检测，发现IGBT管组件已经损坏。IGBT又称绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管MOS组成的复合全控型、电压驱动式的功率半导体器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，故可看作是达林顿复合管。图11为IGBT功率管实物与原理图，左边为IGBT的实物图，是一个三相桥的桥臂，由两个IGBT管再并联两个二极管组成；右边为IGBT管并联二极管的原理图，其中二极管与IGBT已固化在一体。

图11 IGBT功率管实物与原理图

检测IGBT时需用专业仪表，但许多修理厂多用普通万能表进行检测。如果用万用表的话，最好用指针式的，并采用R×10kΩ档。如果用R×1kΩ档时，则会因为内部电压过低，而无法让IGBT导通。具体的操作方法是：用万用表的黑表笔(万用表的正电)接IGBT的集电极C，红表笔(万用表的负电)接发射极E，此时万用表的指针应指向无穷大；接着用手指同时接触栅极G和集电极C，这时IGBT即被触发导通，万用表指针会向阻值较小的方向偏摆，并维持在某一位置附近；然后再用手指同时触一下栅极G和发射极E，这时IGBT被阻断，万用表指针重新指向无穷大。在检测中，如果上述现象均符合，则可判定IGBT工作正常，否则就存在故障。

从图11可知，由于IGBT管都并有一个二极管并已固化在内部，已经不能分拆。通常IGBT管处于不导通的状况，故也可通过检测二极管的方法，初步判断IGBT管组件的好坏。笔者用万用表二极管档对IGBT管进行检测，发现其中有一个功率开关管数据不正确(图12)，由此可判断该功率开关元件已损坏，导致检测时正反方向均不导通。

图12 损坏的IGBT管检测的数据

为什么电机控制器里面的IGBT功率开关管损坏，会导致电机不工作呢？ 分析图10所示的变频器工作原理可知，在每产生一次三相交流电时，总有两个或三个IGBT功率开关管导通，形成的电流在电机定子线圈中产生旋转磁场。若有一个桥臂损坏，每次通入三相交流电时就总有两个绕组不导通，定子无法形成旋转磁场，电机无法正常工作，从而引起发动机不能启动的故障，当然也无法给动力电池充电。

由于变频器是不允许拆开修理的，只能更换电机控制器总成。换上全新的电机控制器后试车，发动机顺利启动并正常行驶，进行检测发现充电功能也恢复正常。经过一段时间的路试，该车在各种工况下均能正常行驶，证明该车故障被彻底排除。

维修小结

通过本案例，我们会发现，在整个维修诊断过程中，用在检测和诊断上的时间并不多，主要精力都用在了分析各相关系统的工作原理及控制逻辑上。由此可见，充分了解并掌握系统原理和控制逻辑，并进行必要的分析，会让诊断过程少走弯路，从而提高诊断的准确率和维修效率。