一輛行駛里程約11.9萬km、搭載N63 V8型發動機、15kW電機的2012年BMW750Li混動轎車。該車突然出現無法啟動的故障。
故障診斷：接車後，首先驗證故障現象。檢修時發現該車儀表臺上有 “充電系統有異常”的提示資訊（圖1），中控臺上也出現了“蓄電池無法充電”的警示資訊，並且動力電池故障警告燈點亮。此時踩下制動踏板，按“啟動／停止”鍵，發動機不能啟動。連線診斷儀，在相關係統中讀取到“功率輸出極損壞”等多個故障碼。
該車動力系統由一臺330kW的發動機和一臺15kW電機組成，能產生最大345kW功率，最大扭矩達700Nm，0～100km/h加速時間為4.9s。混合動力汽車最大特點是有兩個驅動裝置，行駛時車輛由單一或共同驅動，二者“並肩作戰”、“取長補短”，發動機的熱效率可提高10%，廢氣排放改善30％以上。但故障車型屬於輕度混合車型，電機不能直接驅動，主要用於對發動機動力的調節，使發動機執行儘可能地在效率較高的轉速區間執行，以達到節油和降低排放的目的。
對發動機不能啟動，同時“蓄電池無法充電”這兩個故障進行分析，發動機不能啟動是發動機及其控制系統可能有故障；對於“蓄電池無法充電”故障，初步懷疑是動力電池及能量供給系統的故障，也可能是相關的高壓保護、電機驅動系統或網路通訊系統方面的故障。
接通點火開關，將BMW專用診斷儀連線到前方的16針診斷座上，沒有讀取到發動機的任何故障碼。檢查發動機的外部供油及點火等裝置，均沒有發現異常。踩下剎車踏板，開啟點火開關儀表能正常顯示，但不能啟動發動機。
既然發動機沒有故障碼，只好暫時認為其工作狀態正常，將檢測的重點放在動力電池上。按拆檢動力電池的相關安全規定，先關閉點火開關，斷開高壓維修安全介面，拆下低壓蓄電池的搭鐵負極，戴上絕緣手套，拔下維修開關。等待10min後，檢查高壓電纜線端，沒有電壓，也未發現其接外掛有鬆脫等異常情況。檢測動力電池的電壓，也在正常範圍之內。重新裝回各部件，插上維修開關，並恢復低壓蓄電池的供電。
再次接通點火開關，使用BMW專用診斷儀檢視動力電池的動態資料流（圖2）。當前充電狀況為48.7%；電壓為127V，與電池的額定電壓126V是很接近；電池4個溫度感測器的訊號，均在33～35℃之間，基本符合實際狀況。由此可基本排除高壓電池存在故障的可能。
另外，檢測時還發現，當車輛執行到117 258km時，電機和電機控制器系統記憶體有多個故障碼（圖3），顯示U、V、W三相交流電的功率輸出極有“損壞或短路”的故障。同時EME電機控制器內部也有故障，存在“末級測試錯誤”等多個故障。
該車發動機的啟動和發電共用同一個電機，從上述故障碼可推斷，因電機“功率輸出級損壞或短路”，電機不能正常工作，因而造成發動機不能啟動。
接下來，我們再系統了解一下故障車型BMW750Li混動車的啟動系統構成及工作原理。
BMW750Li混動車的啟動系統由高壓電池組、電機和電機控制器等組成。高壓電池串聯35個單體電池（圖4），單體電池的額定電壓為3.6V，組成額定電壓126V的電池組。動力電池可儲存電能量為0.9kWh，電池重量僅28kg。單體電池採用圓柱形結構，裝有防撞抗振裝置，可防止單體電池的機械損壞。每個單體電池上都有電壓取樣分接頭。圖4為BMW750Li的高壓電池包。
BMW750Li混動車發動機由電機啟動，取消了傳統的發電機，因此電機不僅是啟動機，同時也有發電的作用。該電機為三相交流永磁式，電壓為105V，最大產生15kW的動力。電機的內部結構比較特殊，由外部轉子和內部定子組成“永勵式”同步電機（圖5）。轉子的永磁體以圓環方式佈置在外部，稱之為“外轉子”，而電機的定子在內部，定子上分佈有可產生旋轉磁場的三相繞組。當交流電通入定子線圈時，就會產生旋轉磁場，這時帶永磁的外轉子會與旋轉磁場同步旋轉，並對外產生動力。另外，電機上還裝有檢測轉子位置和方向的感測器，可精準探測電機轉子旋轉的位置和方向。此感測器的工作原理，是以轉子的磁性變化為基礎。位置感測器採取旋轉變壓器的方式，由通入交流激磁的線圈與感應訊號的線圈構成，訊號輸出到電機控制器。
BMW750Li混動車電機的作用有：①用於發動機的頻繁啟動（發動機自動啟停功能）；②為發動機提供“助推”功能，與發動機一起共同驅動車輛；③在車輛下坡或剎車時用於發電，對電池進行充電，以回收能量。處於發電狀態時，電機發出的是三相135V交流電，需要整流成直流電，才能向動力電池進行充電。
電機上裝有溫度感測器，用於檢測繞組的溫度，屬NTC負溫度係數熱敏電阻，電機的定子線圈溫度不允許超過200℃。表1為故障車型的電機引數，圖6為電機的安裝位置。
故障車型上的電機控制器（圖7）用於控制電機的運轉，包括多個部件，由變頻器、DC/DC轉換器、混合動力主控器等三個邏輯單元組成。變頻器能將高電壓動力電池的直流電，轉化為用於電機的三相交流電。電機處於發電執行模式時，系統通過變頻器的整流功能，為高電壓動力電池充電。而DC/DC轉換器是將動力電池的126V高壓電，轉換成14V的低壓電，為車載電器裝置提供低壓電能，同時也為低壓蓄電池充電。混合動力主控器則通過接收外部的訊號來控制變頻器和DC/DC轉換器的工作。
該車發動機啟動系統的控制原理（圖8）是：當車上的MICU多路控制模組，接收到剎車和點火啟動訊號後，控制繼電器給低壓模組供電，並使動力電池處於正常供電狀態。同時通過CAN網路將以上兩訊號傳輸給電機控制器。電機控制器同時採集電機的位置和溫度資訊，控制變頻器將動力電池的直流電，轉換成三相交流電，輸送給電機的定子繞組，電機旋轉以啟動發動機。
在行駛過程，電機協助發動機驅動車輛時的控制原理是：根據車速和電池充電狀態，按電腦記憶體的不同比例，將發動機的動力用於車輛的驅動，同時驅動電機作發電執行。低中速行駛時，發動機工作效率低，而電機在較低速時可提供較大扭矩，此時若動力電池電量充足，電機獲取電能而旋轉，與發動機共同驅動車輛，使得發動機在更有效的轉速範圍內執行。當車輛以恆定高速行駛時，發動機效率最佳，若此時動力電池電量不足，發動機可將部分功率用以驅動電機發電，為動力電池充電。
電機的突出優勢在於起步時可提供強大的電功率，在加速和超車過程中，這種優勢尤為突出。在交通綠燈開啟、上坡或急加速時，電機可補足驅動功率，這稱為“助推”功能。這時發動機和電機共同提供的總功率，可使車輛瞬間有足夠大的動力和加速能力。電機就相當於一種“電動渦輪”，在車輛加速時可提供更大的助力，而且不會消耗更多的燃油。
在下坡或制動過程中，電機以發電方式將下坡和制動時釋放出來的能量轉化為電能，給動力電池充電。行駛過程中，稍稍踩下制動踏板，電機就會進入發電模式，同時為車輛提供製動力。只有在需要緊急制動時，才需啟用傳統的車輪制動器。
根據對該車啟動系統的詳細了解得知，電機不能運轉是引起發動機不能啟動、也不能充電的直接原因。導致電機不能正常工作的可能原因主要有：電機故障、控制器故障、網路通訊系統故障。
對電機的絕緣效能和線圈電阻值進行檢測，未見異常。絕緣效能檢測直接涉及車輛的安全，檢測時需用專門的絕緣儀表。檢測包括兩部分：一是車輛靜態時的絕緣測試；二是線上絕緣檢測，包括對動力電池組、電機驅動系統、電機以及電池充電器等的檢測。實測絕緣電阻為220MΩ，而標準值為大於0.6MΩ，說明絕緣正常。對電機控制器、正負母線絕緣效能進行檢測，結果資料為220MΩ（圖9），遠高於標準值，說明絕緣效能良好。實測電機相線繞組的阻值，電阻在21.72～23.69mΩ之間，說明線圈電阻資料也正常。
電機控制器控制電機的啟動、調速、制動和停止。該車三相永磁同步電機的執行狀態，採用帶有向量變換以及脈寬調製等功能的電路來調節。控制器根據發動機點火開關訊號、電機電流訊號、電機轉子位置資訊等，經轉換分析形成控制命令，以改變電機的轉矩和轉速。通過調整定子電壓和電流改變定子旋轉磁場與轉子相對位置調整電機輸出轉矩；通過調整三相交流電的頻率調整電機的轉速。
永磁同步電動機的控制系統框圖如圖10所示，主要包括變頻器、數字訊號處理器、感測器和交流同步電機四個部分。變頻器具有整流、逆變和濾波等功能，圖10中功率開關管用的是雙極型絕緣柵IGBT電晶體。數字訊號處理器起到向量變換、電流調節、轉速調節及脈寬調製等作用，現已有專用的處理器積體電路模組。感測器包括電流感測器和編碼器。電流感測器用以採集三相的電流訊號，編碼器是用來獲取電機轉子速度和位置的感測器，將電機轉子的轉速和相位變化訊號，送到速度控制器。現代驅動電機通常採用旋轉變壓器的方式，也有用編碼盤和光電檢測器的方式。交流同步電動機採用的是三相永磁同步無刷電機。
接下來，筆者進行功率開關管檢測，發現IGBT管元件已經損壞。IGBT又稱絕緣柵雙極型電晶體，是由雙極型三極體和絕緣柵型場效電晶體MOs組成的複合全控型、電壓驅動式的功率半導體器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP電晶體，故可看作是達林頓複合管。圖11為IGBT功率管實物與原理圖，左邊為IGBT的實物圖，是一個三相橋的橋臂，由兩個IGBT管再並聯兩個二極體組成；右邊為IGBT管並聯二極體的原理圖，其中二極體與IGBT已固化在一體。
檢測IGBT時需用專業儀表，但許多修理廠多用普通萬能表進行檢測。如果用萬用表的話，最好用指標式的，並採用R×10 kΩ檔。如果用R×1 kΩ檔時，則會因為內部電壓過低，而無法讓IGBT導通。具體的操作方法是：用萬用表的黑表筆（萬用表的正電）接IGBT的集電極C，紅表筆（萬用表的負電）接發射極E，此時萬用表的指標應指向無窮大；接著用手指同時接觸柵極G和集電極C，這時IGBT即被觸發導通，萬用表指標會向阻值較小的方向偏擺，並維持在某一位置附近；然後再用手指同時觸一下柵極G和發射極E，這時IGBT被阻斷，萬用表指標重新指向無窮大。在檢測中，如果上述現象均符合，則可判定IGBT工作正常，否則就存在故障。
從圖11可知，由於IGBT管都並有一個二極體並已固化在內部，已經不能分拆。通常IGBT管處於不導通的狀況，故也可通過檢測二極體的方法，初步判斷IGBT管元件的好壞。筆者用萬用表二極體檔對IGBT管進行檢測，發現其中有一個功率開關管資料不正確（圖12），由此可判斷該功率開關元件已損壞，導致檢測時正反方向均不導通。
為什麼電機控制器裡面的IGBT功率開關管損壞，會導致電機不工作呢？分析圖10所示的變頻器工作原理可知，在每產生一次三相交流電時，總有兩個或三個IGBT功率開關管導通，形成的電流在電機定子線圈中產生旋轉磁場。若有一個橋臂損壞，每次通入三相交流電時就總有兩個繞組不導通，定子無法形成旋轉磁場，電機無法正常工作，從而引起發動機不能啟動的故障，當然也無法給動力電池充電。
由於變頻器是不允許拆開修理的，只能更換電機控制器總成。換上全新的電機控制器後試車，發動機順利啟動並正常行駛，進行檢測發現充電功能也恢復正常。經過一段時間的路試，該車在各種工況下均能正常行駛，證明該車故障被徹底排除。
維修小結：通過本案例，我們會發現，在整個維修診斷過程中，用在檢測和診斷上的時間並不多，主要精力都用在了分析各相關係統的工作原理及控制邏輯上。由此可見，充分了解並掌握系統原理和控制邏輯，並進行必要的分析，會讓診斷過程少走彎路，從而提高診斷的準確率和維修效率。