比亚迪E5热管理系统故障诊断探析及应用研究*

刘翔 黄朝明 唐学帮 朱芹 梁锐

(桂林航天工业学院 汽车工程学院，广西 桂林 541004)

近年来，新能源汽车进入快速发展时期，其安全性能及使用性能备受关注，动力电池和电机系统作为新能源汽车动力系统中最关键的部位，其工作性能对于整车性能有至关重要的影响[1]。因为内阻的存在，电机在工作过程中，必然会产生大量的能量损耗，包括铁芯损耗、绕组损耗、机械损耗等，这些损耗会产生热量，如果热管理系统无法将这些热量及时散发出去，则会严重影响电机的工作性能，甚至会造成电机损毁。相较于电机，动力电池对于温度的变化更加敏感，温度能影响到电池的活性，从而影响到电池的容量、电压等等，也可能会引发一系列安全隐患，可能会威胁到汽车及乘车人的安全[2]。因此，热管理系统作为新能源汽车技术最为关键的一环，若其发生故障，则会导致以上一系列隐患无限放大，严重影响整车安全及人身安全，直接关系到整车的安全性能以及使用性能，对其进行研究是很有必要的。综上所述，研究电动汽车的热管理系统，对其进行故障诊断分析，对于提高安全性能、工作性能和续驶里程等方面具有重要的意义。

2021年，朱培培等人[3]针对新能源汽车热管理技术理领域竞争格局以及核心部件的技术发展分析，对电池热管理、整车空调系统、电驱动及电子元器件等关键技术部件进行了详细综述与分析，并对新能源汽车热管理行业技术发展趋势进行了综合预判。2020年，姚孟良等人[4]针对电动汽车集成热管理系统构建过程中的问题，概述动力电池、乘员舱和电驱动系统的热管理方案，提出了正常工况下的产热计算模型，发展了综合紧凑高效的集成化的热管理系统，提出集成化热管理系统在综合性能评价体系下的优势，是未来的主要研究方向。Montaner Ríos G.等人[5]讨论了PEMFC系统冷启动不同热启动策略的实验研究。他们根据系统的启动温度、启动时间和能源效率确定最佳的热管理策略。Behi Hamidreza等人[6]采用冷却装置包夹动力电池，采用自然对流、SHCS强制对流等多种策略，发现电池单体温度可分别降低13.7%、31.6%和33.4%，表明该方案的散热效果的稳定性，利用COMSOL多物理场计算流体动力学，综合验证了上述实验结果确定可行性。

1 比亚迪E5热管理系统的结构及工作原理

1.1 比亚迪E5热管理系统的结构

根据比亚迪E5纯电动汽车各系统的发热原因分析，将整车热管理系统主要分为三个部分：乘员舱热管理、电池系统回路热管理、电驱动系统回路热管理。比亚迪E5纯电动汽车主要采用液体冷却方式，即采用水泵驱动冷却液循环通过驱动电机或者动力电池的管道结构，带来温升或温降，利用液体的比热容高等重要参数，这种冷却方式导热效率更高[7]。

如图1所示为比亚迪E5热管理系统的结构示意图，以冷却液作为冷却介质，利用温度传感器收集数据，如果温度在40℃以上，在控制器发出冷却指令后，使水泵运转，将冷却液泵入冷却管道，对动力电池、驱动电机、电机控制器、高压配电总成等进行冷却。温度低于20℃时，采用PTC加热冷却液，打开四通阀，将温升后的冷却液泵入管道，使需要升温的部件温度上升，达到最佳工作状态。

图1 比亚迪E5热管理系统的结构示意图

1.2 比亚迪E5热管理系统的工作原理

比亚迪E5热管理系统的作用是对电池、电机、控制器及充电机等车辆关键部件进行冷却或加热，使其保持在适当工作温度范围内，热管理系统的性能直接影响零部件的使用性能。

1.2.1 空调系统的工作原理

空调系统能有效保证乘员舱的环境温度，能让驾乘人员处在舒适的环境下。空调系统主要由压缩机、冷凝器、散热器、电子水泵等组成，在手动工作模式，空调系统由空调控制面板控制，实施不同的指令；在自动模式下，空调系统主要通过温度传感器检测车内及车外温度数据，传输回空调控制器，空调控制器根据不同环境条件实施不同的策略，自动控制空调制冷或制热。

空调系统的工作原理是由空调控制器带动电动压缩机从蒸发器中抽出气态的制冷剂，排入冷凝器。高压的制冷剂在由气态转变为高压液态制冷剂时会释放出热量，这些热量会传导至散热格栅，与外界空气进行热交换，将热量散发至外界。高压的液态制冷剂流经膨胀阀，因节流作用而降低压力变成低压液态制冷剂，在蒸发器中会变成气态制冷剂，同时吸收热量，蒸发器内空气会得到冷却，达到冷却的效果。

1.2.2 动力电池热管理系统的工作原理

动力电池热管理系统可准确测量和监控电池的温度，当动力电池组温度过高时，能有效散热及通风，而在低温条件下能快速加热，改善动力电池组的工作条件。动力电池热管理系统还可以有效排放有害气体，保持动力电池工作环境的清洁；另外，通过降温管理和升温管理，可有效保证动力电池组温度场的均匀分布[8]。

2019款比亚迪E5动力电池包的冷却管路如图2所示，其左右设计不一致，右侧冷却管路设计一个进水口和一个出水口，冷却右侧所有模组。而左侧冷却管路设计有3个进水口和3个出水口。其原因在于右侧冷却管路靠近进水口，水压大，水的流速快，冷却水经过右侧电池的时间较短，吸收的热量较少，冷却水的温度基本保持不变，使得右侧靠近出水口位置的电池模组也可以得到相同程度的散热；而左侧冷却管路远离进水口，水压小，水的流速慢，若左侧管路的冷却方式和右侧一样，那么冷却水经过左侧电池的时间较长，吸收的热量较多，冷却水的温度容易升高，使得左侧冷却管道末端附近的电池模组的降温效果不理想。

图2 2019款比亚迪E5动力电池包冷却管路

1.2.3 电驱动系统热管理系统的工作原理

2019款比亚迪E5驱动电机冷却系统采用了水冷控制，该冷却系统主要由电动水泵、散热器、膨胀罐、冷却散热循环管路及冷却液等组成。其工作原理如图3所示[8]，冷却水泵运转带动冷却液在管道中循环流动，带走电机及控制器工作时产生的热量，通过散热器总成与外界进行热交换，把系统热量散发到环境中去。在散热器后部装有电子风扇总成，以使散热器热量散发更为充分。冷却水的温度由冷却液温度传感器测量，并向控制器发送信号，以根据需要控制风扇的转速，同时温度信号通过CAN总线传送到组合仪表，若冷却液温度过高，会在组合仪表上显示故障警告灯。

图3 电机及控制器的冷却系统工作原理

2 热管理系统常见故障的原因分析

热管理系统最常见的故障现象是“冷却液温度过高”，可表现为仪表盘上有“电机冷却液温度过高警告灯”或“电机过热警告灯”或“动力电池过热警告灯”等亮起，或乘员明显感觉乘员舱内空调制冷强度不够，无法处于适宜温度的车内环境中。归根结底，造成这些现象的故障原因可能来源于空调系统、动力电池系统或电驱动系统故障。

空调系统热管理出现故障主要可从空调驱动器、空调压缩机、传感器、其他制冷部件、线路等方面进行分析。电驱动系统热管理出现故障的原因可从驱动电机、驱动电机控制器、旋转变压器、传感器、冷却系统、线路故障等方面进行分析[8]。动力电池系统的热管理故障原因可从电池管理系统、动力电池、BIC采集器、冷却系统等方面进行分析[9]。各系统的故障原因分析结果如表1所示。

表1 热管理系统常见故障的原因分析

综合上述分析，以“冷却液温度过高”这一故障现象为顶事件，分析冷却液温度过高的原因，主要围绕热管理系统中的空调系统、动力电池系统、电驱动系统三个系统展开分析，绘制故障树，如图4所示。

图4 热管理系统故障树

3 热管理系统故障诊断流程图的设计

以2019款比亚迪E5电动车为例，根据热管理系统相关故障现象、故障原因分析及故障树，分析故障诊断流程，并设计故障流程图。

3.1 故障现象

2019款比亚迪E5电动车动力输出不稳定，仪表盘显示驱动电机过热警告灯、动力电池过热警告灯以及电机冷却液温度过高警告灯常亮。

3.2 故障原因分析

根据故障现象，读取故障码，可以得到两种结果，一是无故障码，二是有故障码。无故障码的原因是故障部位不是运行状态，或该部件未与通信CAN连接，导致读取不到故障码。有故障码，则按照故障码提示部位进行排查。根据故障现象，结合试验台架特性以及所查资料，分析出现故障原因可能是以下几个方面：动力电池组散热失效、驱动电机故障、电机控制器故障、空调系统故障。

1)动力电池组散热失效，可能原因有动力电池管理系统故障、冷却系统硬件故障、传感器故障、线路故障等，结合动力电池系统故障树设计时所分析的故障点，按由简入繁原则，注意排查。

2)驱动电机和电机控制器散热失效，可能原因电机故障、电机控制器故障及冷却系统故障，结合电驱动系统故障树设计时所分析的故障点，按由简入繁原则，注意排查。

3)电机故障原因有定子绕组短路、转子与定子干涉、轴承损坏、电机过载、温度传感器故障、数据采集线路故障导致温度过高，散热效率不足。

4)电机控制器故障，可能的原因有温度采集失败、控制芯片损坏及逆变器故障等。

5)空调系统故障，可能原因有传感器故障、管路故障、水泵故障等。空调系统故障原因有电子膨胀阀故障、压缩机故障、散热风扇故障、管路故障、四通阀故障、冷凝器故障、PTC故障等，结合空调系统故障树设计时所分析的故障点，按由简入繁原则，注意排查。

3.3 故障诊断流程图的设计

根据“冷却液温度过高”这一故障现象，遵循先外后内、先易后难、先简后繁的故障诊断原则，主要针对动力电池系统、电驱动系统及空调系统设计故障诊断流程图，如图5所示。

图5 冷却液温度过高故障诊断流程图

4 故障案例诊断与分析

4.1 故障现象

一辆2019款比亚迪E5电动车的仪表盘显示“请检查动力系统、SOC状态68%、室外温度8℃”；尝试启动车辆，发现车辆无法启动，挡位无法正常切换，空调控制面板不能正常使用，不能切换通风循环模式以及不能切换冷暖风模式。

4.2 故障诊断

根据故障树和故障诊断流程图，对车辆故障进行诊断和排查，具体步骤如下。

1)首先进行外观排查，对车辆空调系统进行外观直观检查，发现冷却液正常、管路无泄漏现象，无灰尘沉积，无油渍。

2)将空调控制面板打开，查看内部的线路连接情况，发现连接完好，按键也能正常按动，但无法操控系统处于运行状态。

3)检查动力电池包处的维修开关，发现无松动现象，处于锁止状态。

4)检查低压蓄电池供电是否正常，发现低压蓄电池电压过低，无法保证电池管理系统正常自检，对蓄电池进行充电，发现故障尚未清除。

5)采用解码仪与车辆连接，选择车辆型号，确定连接成功，对整车进行故障码读取。清除故障码后尝试重新启动车辆，发现未能正常启动。查看故障码，发现故障5个故障皆为舒适网-空调控制器内的故障，分别为B2A2413蒸发器温度传感器断路、B2A4B14循环电机对地短路或开路、B2A4B92循环电机转不到位、B2A4E13高压管路的压力传感器断路、B2A2F09空调管路处于高压状态或低压状态。

6)由故障码可以分析出该车故障部位可能为空调系统，具体部位还需进行下一步检查；读取空调系统数据流，如表2所示，发现“压力状态”一项中显示压力传感器故障，并且压力值为无穷大，而正常压力值应为0～4.5 MPa，因此可以大致判断出故障位置为压力传感器及其周围部件。

表2 空调控制器数据流

7)找出压力传感器，对其进行外观检查，发现其外观无污染，线路外观正常，假设压力传感器本身没有损坏，则可以从线路或者电源等方面作为切入点。

8)使用万用表20 V电压挡检测空调控制器输出至压力传感器的电源接口A21，发现其对地电压为4.99 V，属于正常的电压输出，说明输出电压及该部分线路是正常的；再检查传感器电源输入接口1号端子的对地电压，显示为4.99 V，因此可以确定空调控制器至传感器之间的线路为正常。

9)再检测传感器输出信号接口2号端子的对地电压，发现其电压为1.30 V。由传感器类型可知，该传感器结构为电阻式传感器，因此内阻会分担部分电压，因此输出电压为1.30 V是正常的，从电压为正常值可以判断，如若传感器本身损坏，则传感器输出信号电压应为0 V或无穷大，因此可以判断出传感器本身没有问题。

10)根据电源及数据输入没有任何问题，结合数据流显示压力传感器故障，可以分析出传感器输入没问题，输出有问题，继续对信号采集线路进行检测，发现空调控制器对传感器的数据采集端口电压为0 V，这显然不是正常的数值，正常的数值应与传感器输出端口电压一致，应均为1.30 V，因此可以断定故障出现在压力传感器输出接口2号端子至空调控制器信号采集口C13之间的线路上。检测结果及正常范围如表3所示。

表3 各端子的对地电压测量值

4.3 故障排除

由以上故障诊断分析可知，故障出现在压力传感器输出接口2号端子至空调控制器信号采集口C13之间的线路上。更换同规格线路，发现压力传感器能正常运行，再次读取故障码，发现故障已清除。

5 结论

本文以2019款比亚迪E5电动车为研究对象，首先分析比亚迪E5电动车各系统的发热原因，介绍其热管理系统的结构及工作原理；其次对热管理系统常见故障现象做原因分析，绘制出动力电池系统、电驱动系统及空调系统的相关故障树；再次根据先外后内、先易后难、先简后繁的故障诊断原则，设计出热管理系统的故障诊断流程图；最后以一个故障案例对流程图进行验证，排除故障。