一种电动压缩机CAN 控制策略及故障处理方法研究

陈 俊， 叶新伟， 戴伶俐， 鲍建名

（1.潍柴动力股份有限公司， 上海 201100；2.上海光裕汽车空调压缩机有限公司， 上海 201807）

在传统动力车型上， 空调压缩机大多固定在发动机轮系中， 由发动机提供制冷剂循环的动力； 在新能源车型上，电动空调压缩机通过高压电驱动压缩机内部的电机， 电机旋转提供制冷剂的循环动力。 相比传统的机械压缩机， 电动压缩机在结构上多了控制器、 电机等部分， 在控制方法上也有PWM、 ON/OFF、 CAN等方式， 由于其可布置位置、结构件、 控制方法都变得多样化， 电动空调压缩机在发生故障时也较难排查。

W公司在氢燃料电池车型 （下文称FCV）、 纯电动车型（下文称BEV） 空调系统上设计了同一套CAN控制策略， 当用户通过位于乘员舱内的空调控制器发出制冷请求时， 空调控制器会将制冷请求转为CAN报文， 电动压缩机在接收到CAN报文后执行相应的指令， 同时， 电动压缩机会通过CAN线将压缩机当前工作的状态发送到CAN网络中。

1 电动压缩机CAN控制策略及电器原理图

1.1 CAN网络拓扑图

FCV、 BEV的CAN网络拓扑如图1 所示， 分别为车身CAN、 动力CAN、 充电CAN。 其中， VCU、 仪表、 ABS、 行驶记录仪、 BCM、 DCM、 远程终端、 换挡手柄、 空调面板、空调压缩机、 低速行人报警、 BMS 在车身CAN 网络中；VCU、 OBD、 五合一在动力CAN网络中； 快充和BMS在充电CAN网络中。 VCU和BMS具有网管能力， 分别传递给各自对应的两路CAN网络信息。

图1 网络拓扑示意

车身CAN网络上2个120Ω终端电阻在VCU和BMS中， 动力CAN网络上2个120Ω终端电阻在VCU和五合一中， 快充CAN网络上2个120Ω终端电阻在快充和BMS中。 由于3个CAN网络各有2个120Ω的电阻并联， 当整车低压电下电后，测试低压接插件CAN H和CAN L针脚间的电阻约为60Ω。

1.2 CAN控制策略

空调面板与空调压缩机之间基于J1939的协议进行通信， CAN总线速率： 250kb/s； 发送周期100ms。 空调面板发出的信号与空调压缩机反馈的信号都为单帧信号， 每帧信号带有8个字节的数据， 这样可以使所有空调控制信息和反馈信息均在单帧内完成。

空调面板的通信ID为： 0x1801EFF8， 空调压缩机的通信ID为： 0x1801F8EF， 表1和表2为空调面板与空调压缩机的通信矩阵表。 空调面板将空调压缩机的目标转速、 最大允许功率、 压缩机的开关机命令通过CAN线发送至网络上，空调压缩机在收到报文后通过CAN线将压缩机的温度、 转速、 功率和故障信息发送至总线， 实现信号采集、 故障报警、 过温保护、 过压/欠压保护、 过流保护、 短路保护及反接保护等功能。

表1 空调面板的CAN通信矩阵表

表2 空调压缩机的CAN通信矩阵表

1.3 空调制冷系统组成

FCV、 BEV的空调制冷系统与传统燃油车基本相同， 都是由压缩机、 冷凝器总成、 高低压管路、 蒸发器总成等组成机械部件， 三态压力开关、 蒸发器温度传感器、 空调控制器、 鼓风机/冷凝风机等组成电器件。 但新能源车型中电动压缩机结构有所不同， 它通过高压电驱动， 内部的电控组件、 电机、 压缩机完全隔离， 外部高低压接插件直接固定到壳体上， 总成防护等级达到IP67。

如图2所示， BEV的电动压缩机布置于发动机舱内， 在高度上与上轮眉相齐， 在FCV中发动机舱被氢燃料电池占据， 电动压缩机布置于车架右侧、 燃料电池散热器内侧，空调系统其余部件不再缀述。

图2 新能源车型中电动压缩机布置位置示意

1.4 空调电器原理图及控制逻辑

空调系统的电器原理图如图3所示， 在冷媒压力正常、EAT （蒸发器温度传感器） 正常、 空调处于制冷需求、 鼓风机处于工作状态时， 电动压缩机才可以工作。

图3 新能源车型中空调电器原理图示意

在电器原理上， A2与A14脚分别与高低压开关相连，这两个针脚接通后表示冷媒的压力正常； A16和A20脚分别与EAT的两个针脚相连， 当其反馈电压正常表示EAT正常；A3脚的电压反馈在合适区间代表空调处于制冷需求； A15反馈鼓风机的工作状态， 当为高电平代表鼓风机正常。 在以上条件都满足的情况下， 空调面板的AC按键按下， 空调控制器会向电动压缩机发出0x01的工作指令， 当空调控制器再发出转速信号时， 电动压缩机会结合使能信号和转速信号进入工作状态。

电动压缩机上有高、 低压共2个接插件， 其中低压侧有6个针脚， 除了2个针脚空置外， 其余分别为24V电源正、负极、 CAN L和CAN H； 高压侧有2个引脚， 分别为电源正、 电源负， 另外还有高压互锁针脚。 整车预充结束后，压缩机高压、 低压即接通电源， 但其工作与否由空调控制器发出CAN线指令决定。

2 故障处理案例及分析

BEV在20年5月下线评审时， 出现空调系统制冷功能关闭后无法再次开启， 且在关闭空调时发动机舱冒出大量白烟； FCV在20年9月路试至2180km时， 出现空调制冷功能失效， 失效时未见明显异常现象。

2.1 故障诊断步骤

目前针对新能源汽车空调系统的故障检测设备， 主要有绝缘电阻仪、 万用表和CAN诊断仪。 在检修时， 首先需要与车辆使用者沟通， 做好故障现象、 发生的时间和频率，有无特殊操作方法的记录； 其次， 对空调系统各个组件进行目视检查， 查看是否有明显机械或者电气损坏的痕迹。最后， 根据新能源车型特点对系统报文进行排查， 并根据报文提示结合控制逻辑及电器原理对报文定位的零件进行排查。

2.2 故障排查及分析

对发生故障的FCV、 BEV进行目视检查并拍照记录，发现两辆车空调系统的电器件未见明显损坏， 压缩机、 风机的线束未见接插不良。 但BEV的压缩机后部及钣金表面有油污痕迹， 而FCV的压缩机壳体表面有些泥污且外侧的燃料电池散热器表面湿度很大。

2.2.1 对BEV进行故障排查及分析

将制冷剂压力表接入系统中， 显示系统压力为4bar稍低于正常值。 接着打开空调控制面板的风量旋钮， 并按下AC制冷按键， 分析报文发现， 空调控制器发出的启动、 转速指令均正常， 但电动压缩机端反馈报文为： 压缩机实际转速： 0x00； 压缩机状态： 0x03； 第4字节无对应故障代码； 第7字节压缩电压反馈0x8C， 转化后为560V。 由于空调控制器已经发出报文， 代表系统制冷剂压力、 蒸发器温度传感器、 风机信号正常， 电动压缩机反馈的报文指令代表其低压部分无问题、 CAN收发功能和高压电也正常。 经过分析报文得出电动压缩机接到工作指令但未执行， 鉴于现场无压缩机总成备件但正好有电动压缩机内部的电控组件， 对电动压缩机的电控组件进行了更换。

对更换电控组件的空调系统进行再次测试： 开启鼓风机并按下AC制冷按键， 发现冷凝风机立即启动且系统制冷功能正常； 再次按下AC键后， 压缩机停止工作， 冷凝风机延迟30s停机； 保持鼓风机开启、 AC按键按下状态， 只关闭鼓风机时， 冷凝风机也延迟30s停机， 但发现电动压缩机仍在工作！ 对此段报文进行分析， 发现在保持鼓风机开启、AC按键按下状态， 如果只关闭鼓风机， 空调控制器仍然发出 “压缩机开机： 0x01” 及转速指令。

空调控制器在关机状态下仍然发出工作指令是BEV产生故障的原因， 此时冷凝风机和鼓风机都已关闭， 压缩机继续工作会导致系统压力高， 压力达到压缩机泄压阀限值后， 冷媒夹杂着压缩机润滑油喷出产生白烟状物质， 同时使钣金表面有油污的痕迹。 电动压缩机控制器的热量是通过低温冷媒带走的， 这也解释了压缩机内部电控组件损坏现象。

整车下电后， 对空调面板的程序进行刷写并对空调系统进行第3次测试， 如表3报文所示： 在第1行的相对时间点， 控制器发出3000r/min的转速， 允许消耗的最大功率为5kW， 压缩机可以开启； 在第2行的相对时间点， 压缩机发出2744r/min、 90℃、 2A、 560V的报文； 第3行至第9行控制器的控制报文未变， 压缩机在第4 行的时间节点发出2793r/min、 90℃、 2A、 560V的报文， 在第6行的时间节点发出2813r/m、 90℃、 2A、 560V的报文， 在第8行的时间节点 发 出2888r/min、 90℃、 1.4A、 560V 的 报 文， 第10 行 发出2941r/min、 90℃、 1.4A、 560V的报文； 当鼓风机关闭后，在第11行的相对时间点， 控制器发出压缩机状态为0、 转速为0的指令， 在第12行电动压缩机反馈0r/min、 90℃、 0A、560V的报文。 通过报文发现制冷系统运行正常， 电动压缩机可根据指令执行相应的运作， 系统故障排除。

表3 空调控制器及压缩机在工作时报文示意

2.2.2 对FCV进行故障排查及分析

将制冷剂压力表接入系统中， 显示系统压力为6bar，随后打开空调控制面板的风量旋钮、 按下AC制冷按键， 通过读取的报文发现， 空调控制器发出的启动、 转速指令均正常， 但电动压缩机的CAN地址不在报文表中。

由于空调控制器已经发出报文， 只是压缩机端无反馈报文， 决定从电动压缩机侧进行排查。 为保证维修安全，需要将钥匙打到OFF挡、 关闭24V蓄电池开关， 拔除MSD维修开关10min后再进行检查。 拔开与电动压缩机相连的低压线束， 发现如图4所示的低压线束的母端接插件已有铜锈， 观察图5中压缩机的接插件， 发现其内部也有铜锈。 由于与压缩机低压端对接的线束上有CAN线， 如果续接可能会导致CAN线电压到达不了限值而导致信息传递异常， 故如图6所示， 将已经生锈的接插件针脚拆除， 利用酒精清洗、 物理去除的方法进行铜锈的处理。

图4 低压线束接插件表面的铜锈

图5 电动压缩机低压接插件内铜锈

图6 清洗低压线束铜锈

待低压接插件的针脚干燥后， 执行以下检测： 保持560V高压、 24V低压不上电的状态， 对CAN H和CAN L的电阻进行测量， 其电阻值为60Ω； 保持560V高压不上电，24V低压上电， 如图7所示， 测量CAN H和CAN L的电压分别为2.6V、 2.2V， 测量电源正为22.4V， 电源搭铁正常。 通过检测发现低压接插件线束正常， 将针脚与密封圈恢复至接插件中。

图7 CAN线电压测量示意

更换新的电动压缩机后， 将系统高压、 低压线束连接后测试， 发现压缩机反馈电压为0x04， 此报文提示高压回路开路， 更换五合一熔断丝后电动压缩机启动正常。

但低压接插件锈蚀一般不会导致高压回路熔断丝烧断， 再次检查高压线束发现其端面有不易察觉的小水珠，如图8所示， 在接插件的背面发现线束有斜向受力留下的泥污。 如图9所示， 翻看之前拍摄的照片发现电动压缩机的高压线束直接朝上且有与车架接触产生弯折。 这种弯折的布线方式导致高压接插件的密封堵帽长期受力不均匀， 虽然压缩机总成防护及线束防护等级达到IP67， 但雨水仍会慢慢的从密封堵帽渗透进接插件内进而导致熔断丝烧断。

图8 高压接插件背面不均匀的泥污

图9 高压线斜向受力

对FCV车型电动压缩机的布置位置进行分析， 发现其布置于散热器正后， 而散热器吸风时正好将雨水吹拂至其外壳及对接的线束上， 加之选型的此款电动压缩机高压、低压接插件朝上， 高压线及低压线在布置弯折段时未未留够足够的长直段， 这些原因综合导致电动压缩机损坏。

3 总结

1） 新能源车型在维修时， 需要做好故障现象、 发生时间和频率的记录。 在目视检查后， 利用CAN诊断仪器读取报文并确定故障信息， 结合控制原理及电器原理图的知识有助于迅速定位具体的硬件。

2） 若需要对电动压缩机的高、 低压线束进行拔除， 需要将MSD拔下并等待10min以上， 以保证变频器总成内高压电处于完全放完状态。 同时， CAN线的收发不需要高压上电， 可在低压状态读取CAN线报文、 测量CAN线电压和电阻等操作， 再进行高压侧的检查。

3） 不要将电动压缩机布置于易被雨水喷溅的位置， 若无法避免则应该选型接插件侧出的电动压缩机型号， 连接压缩机的线束需要先沿直线段布置， 然后再进行捆扎。

4） 在故障处理后， 需要分析故障产生的根本原因， 并在设计或工艺上进行规避。