動力電池組繼電器粘連故障研究報告分析實施報告

1、-. z.動力電池組接觸器粘連故障分析報告共 16 頁中 航 鋰 電（洛 陽）有 限 公 司2017 年 6月動力電池組接觸器粘連故障分析報告編 寫 王 星 20170612 校 對 審 核 批 準 動力電池組接觸器粘連分析報告故障現(xiàn)象2017年6月7日上午，動力電池組（包括8個電池箱、1個高壓箱A和1個高壓箱B）在萬山現(xiàn)場聯(lián)調(diào)時，發(fā)現(xiàn)1橋和3橋供電的接觸器出現(xiàn)粘連：現(xiàn)場操作過程描述如下：1、2017年6月7日上午，整車聯(lián)調(diào)時，發(fā)現(xiàn)1檔2檔上電3檔未上電情況下，負載1橋3橋帶高壓，初步判斷相關(guān)繼電器粘連；2、經(jīng)查數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2017年6月6日下午14點57分52秒（終端記錄時間），負載未進行預(yù)充

2、電，負載端電壓如下圖1所示。圖1 負載端電壓記錄（14:51:10至15:00:04）3、經(jīng)操作狀態(tài)檢查，6月6日下午14點51分至15點之間的操作為：1檔2檔3檔閉合持續(xù)一定時間后3檔2檔斷開，開始對負載刷新程序（刷新程序過程中電壓數(shù)據(jù)不記錄），隨后閉合2檔3檔后，發(fā)現(xiàn)負載空壓機高壓一直再降，隨后斷開3檔。故障定位2.1 工作原理2.1.1 電池管理系統(tǒng)架構(gòu)動力電池子系統(tǒng)的供電輸出部分由8個電池組、1個高壓箱A、1個高壓箱B組成，其核心控制部分為電池管理系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)的硬件主要包括1個主控模塊、8個從控模塊以及3個控制模塊（A1、A2和B）。其硬件架構(gòu)如下圖2所示。圖2 電池管理系統(tǒng)硬件

3、架構(gòu)在電池管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)中：1）主控模塊為電池管理系統(tǒng)的核心控制模塊，主要承擔分析、計算、數(shù)據(jù)處理、與終端通信的功能，型號為8133，硬件版本號為：HV3.10，部軟件的版本號為：。主控軟件在功能上分為驅(qū)動層、中間層和應(yīng)用層。其中驅(qū)動層和中間層代碼已定型，應(yīng)用層根據(jù)項目需求進行編寫，主要包括子系統(tǒng)上下電流程的控制邏輯、網(wǎng)通信協(xié)議（包括從控及控制模塊）、充電機協(xié)議、終端通信協(xié)議、顯控通信協(xié)議、配置文件（閾值參數(shù)表）等。其中配置文件見附表1所示。2）從控模塊為電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊，主要分布在各個電池箱，承擔各單體電池的電壓、溫度、均衡采集等功能，各個模塊硬件軟件均相同，僅地址不同。型號為

4、2412，硬件版本號為：HV3.11，部軟件的版本號為：。軟件硬件均已定型。3）控制模塊為電池管理系統(tǒng)控制子系統(tǒng)上下電、及各類接觸器的執(zhí)行部分，各個模塊硬件軟件均相同，僅地址不同。硬件版本號為：HV1.0，部軟件的版本號為：。軟件硬件均為此項目專門定制。2.1.2 電池管理系統(tǒng)上下電流程圖3 電池管理系統(tǒng)上下電原理圖圖4電池管理系統(tǒng)控制回路圖如圖3圖4所示，電池管理系統(tǒng)的上下電流程為：1）當1檔上電時，電池管理系統(tǒng)上弱電自檢，電池管理系統(tǒng)主控將母線預(yù)充狀態(tài)以及所有負載預(yù)充狀態(tài)設(shè)置為初始化狀態(tài)；此外，從控模塊即開始實時監(jiān)控各單體電池狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)信息上傳至主控模塊進行分析、處理；2）當2檔上電時

5、，母線接觸器線圈得24V正電，同時主控接收到外部2檔上電信號，通過CAN0發(fā)送2檔開關(guān)閉合指令給控制模塊A1，由A1執(zhí)行母線預(yù)充；當A1判斷母線預(yù)充成功時，向主控發(fā)送母線預(yù)充成功的指令，并持續(xù)控制閉合中間繼電器K1，并延時500ms斷開母線預(yù)充接觸器。而當K1閉合后，母線接觸器的線圈得24V負電，從而母線接觸器上電，母線回路通路；當主控接收到A1發(fā)送的母線預(yù)充成功的指令時，延時6s判斷是否有3檔上電信號；3）當3檔上電時，所有負載接觸器線圈得24V正電，同時主控接收到外部3檔上電信號，通過CAN0發(fā)送3檔開關(guān)閉合指令分別給控制模塊A1、A2和B，由A1、A2、B同時且獨立執(zhí)行負載預(yù)充；當A1、

6、A2、B均判斷負載預(yù)充成功時，會分別向主控發(fā)送負載預(yù)充成功的指令；當主控接收到A1、A2、B分別發(fā)送的負載預(yù)充成功的指令時，向A2下達所有負載均已預(yù)充成功的指令，并延時500ms（所有負載接觸器閉合時間小于500ms）后向A1、A2、B下發(fā)斷開負載預(yù)充接觸器的指令，隨后等待3檔退檔信號以及2檔退檔信號；當A2接收到所有負載均已預(yù)充成功的指令時，持續(xù)控制閉合中間繼電器K3，而當K3閉合后，中間繼電器A-KM9閉合，從而使得所有負載接觸器的線圈得24V負電，從而各路負載接觸器同時上電，所有負載回路均為通路； 4）當3檔下電時，各負載接觸器線圈斷電，主觸點斷開，各負載回路斷路，同時主控接收到3檔下電

7、信號，清除3檔上電的標志位，清除負載預(yù)充成功的標志位；5）當2檔下電時，母線接觸器線圈斷電，主觸點斷開，母線回路斷路，同時主控接收到2檔下電信號，清除2檔上電的標志位，清除母線預(yù)充成功的標志位；6）當1檔下電時，電池管理系統(tǒng)電源斷電。電池管理系統(tǒng)主控上下電流程圖詳見附件1。2.1.3 控制模塊A1上下電流程當控制模塊A1接收到主控下發(fā)的2檔閉合指令時，會開始執(zhí)行母線預(yù)充，即閉合母線預(yù)充接觸器。母線預(yù)充接觸器閉合后開始計時并采集預(yù)充回路中的電流，每200ms將采集到的電流值取一次平均值，持續(xù)600ms共得到3個電流平均值，將這3個電流平均值再取平均值后與0.5A相比較（此為設(shè)計值，實際程序設(shè)定為

8、與3.0A相比較，是由于實際采集電流為回路真實電流的6倍，以下均相同），當總平均值低于0.5A時，判斷母線預(yù)充完成，將母線預(yù)充成功標志位置1，控制持續(xù)閉合中間繼電器K1，并通過CAN0將母線預(yù)充成功指令發(fā)送給主控，隨后計時500ms后，斷開母線預(yù)充接觸器；當總平均值高于0.5A時，則判斷最后一次電流是否小于3A，當小于3A時持續(xù)以上步驟，直至計時時間多于3秒；當大于3A或者計時時間多于3秒則判斷預(yù)充失敗。當控制模塊A1接收到主控下發(fā)的3檔閉合指令時，會開始執(zhí)行負載預(yù)充，即閉合負載預(yù)充接觸器。負載預(yù)充接觸器閉合后開始計時并采集預(yù)充回路中的電流，每200ms將采集到的電流值取一次平均值，持續(xù)600

9、ms共得到3個電流平均值，將這3個電流平均值再取平均值后與0.5A相比較，當總平均值低于0.5A時，判斷負載預(yù)充完成，將A1負載預(yù)充成功的指令發(fā)送給主控，隨后等待主控發(fā)送的所有預(yù)充成功的指令；當總平均值高于0.5A時，則判斷最后一次電流是否小于3A，當小于3A時持續(xù)以上步驟，直至計時時間多于3秒；當大于3A或者計時時間多于3秒則判斷預(yù)充失敗；當A1接受到主控下達的所有預(yù)充成功的指令時，計時500ms后，斷開負載預(yù)充接觸器；電池管理系統(tǒng)主控上下電流程圖詳見附件2。 2.1.4 控制模塊A2上下電流程當控制模塊A2接收到主控下發(fā)的3檔閉合指令時，會開始執(zhí)行負載預(yù)充，即閉合負載預(yù)充接觸器。負載預(yù)充接

10、觸器閉合后開始計時并采集預(yù)充回路中的電流，每200ms將采集到的電流值取一次平均值，持續(xù)600ms共得到3個電流平均值，將這3個電流平均值再取平均值后與0.5A相比較，當總平均值低于0.5A時，判斷負載預(yù)充完成，將A2負載預(yù)充成功的指令發(fā)送給主控，隨后等待主控發(fā)送的所有預(yù)充成功的指令；當總平均值高于0.5A時，則判斷最后一次電流是否小于3A，當小于3A時持續(xù)以上步驟，直至計時時間多于3秒；當大于3A或者計時時間多于3秒則判斷預(yù)充失敗；當A2接受到主控下達的所有預(yù)充成功的指令時，控制持續(xù)閉合中間繼電器K3，計時500ms后，斷開負載預(yù)充接觸器；電池管理系統(tǒng)主控上下電流程圖詳見附件3。2.1.5

11、控制模塊B上下電流程當控制模塊B接收到主控下發(fā)的3檔閉合指令時，會開始執(zhí)行負載預(yù)充，即閉合負載預(yù)充接觸器。負載預(yù)充接觸器閉合后開始計時并采集預(yù)充回路中的電流，每200ms將采集到的電流值取一次平均值，持續(xù)600ms共得到3個電流平均值，將這3個電流平均值再取平均值后與0.5A相比較，當總平均值低于0.5A時，判斷負載預(yù)充完成，將B負載預(yù)充成功的指令發(fā)送給主控，隨后等待主控發(fā)送的所有預(yù)充成功的指令；當總平均值高于0.5A時，則判斷最后一次電流是否小于3A，當小于3A時持續(xù)以上步驟，直至計時時間多于3秒；當大于3A或者計時時間多于3秒則判斷預(yù)充失敗；當B接受到主控下達的所有預(yù)充成功的指令時，計時5

12、00ms后，斷開負載預(yù)充接觸器；電池管理系統(tǒng)主控上下電流程圖詳見附件4。2.2 故障定位根據(jù)故障現(xiàn)象，建立其接觸器主觸點粘連的故障樹，如下圖5所示。圖5 故障樹下面對可能的故障原因逐一分析。*01：負載運行功率較大時，主觸點斷開經(jīng)查，在整機聯(lián)調(diào)過程中，負載電機未使能，電機處于未運轉(zhuǎn)狀態(tài)，其穩(wěn)態(tài)電流非常小，因此不存在負載運行功率較大，因此可排除此故障。*02：負載停止運行時有較大的反向沖擊電流經(jīng)查，在整機聯(lián)調(diào)過程中，負載電機未使能，電機處于未運轉(zhuǎn)狀態(tài)，其穩(wěn)態(tài)電流非常小，因此不存在負載運行停止，因此可排除此故障。*03：預(yù)充完成的判斷條件設(shè)計有誤經(jīng)查，預(yù)充完成的判斷條件為：預(yù)充接觸器閉合后開始計時

13、并采集預(yù)充回路中的電流，每200ms將采集到的電流值取一次平均值，持續(xù)600ms共得到3個電流平均值，將這3個電流平均值再取平均值后與0.5A相比較，當總平均值低于0.5A時，判斷預(yù)充完成；否則判斷最后一次電流是否小于3A，當小于3A時持續(xù)以上步驟，直至計時時間多于3秒；當大于3A或者計時時間多于3秒則判斷預(yù)充失敗。在閾值設(shè)定上，母線預(yù)充成功時，母線接觸器閉合時兩端電壓差為0.5A50=25V，符合設(shè)計要求；負載預(yù)充成功時，負載接觸器閉合時兩端電壓差為0.5A100=50V，符合設(shè)計要求。此外，經(jīng)查歷史數(shù)據(jù)記錄，預(yù)充過程中的電壓數(shù)據(jù)也均正常。因此預(yù)充完成的判斷條件設(shè)計無誤，故可排除此故障項。*

14、04：預(yù)充策略失效經(jīng)查歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，6月6日下午14點55分14秒（終端記錄時間）時刻的上電過程中，負載1橋電機的端電壓在1.7s從0V上升至636.8V，負載2橋電機的端電壓在1.7s從0V上升至636.8V，負載3橋電機的端電壓在1.7s從0V上升至636.8V。通過負載端電壓爬升時間可判斷：該次負載上電時預(yù)充成功，且負載接觸器正常閉合。隨后在14點57分52秒（終端記錄時間）時刻，在上電過程中，負載1橋的端電壓在200ms從83.2V上升至665.6V，負載1橋的端電壓在100ms從83.2V上升至662.4V，負載2橋的端電壓在100ms從86.4V上升至662.4V。通過負載端電壓爬

15、升時間可判斷：該次負載上電時未進行預(yù)充電，負載接觸器直接閉合。在隨后的測試中發(fā)現(xiàn)，2檔閉合時，負載1橋電機和3橋電機均已有高壓。再查6月6日下午14點51分至15點之間的操作為：1檔2檔3檔依次閉合持續(xù)一定時間后3檔2檔斷開，開始對負載電機刷新程序（刷新程序過程中電壓數(shù)據(jù)不記錄），隨后閉合2檔3檔后，發(fā)現(xiàn)負載空壓機高壓一直再降，即預(yù)充失敗，隨后斷開3檔。因此可以判斷：當1檔2檔3檔依次閉合的過程中，預(yù)充策略有效；當1檔保持，2檔3檔斷開后再閉合的過程中，預(yù)充策略失效，主接觸器會直接閉合，從而發(fā)生主觸點粘連的現(xiàn)象。對軟件中的上下電流程進行檢查發(fā)現(xiàn)：1）1檔的斷開和閉合，會使得電池管理系統(tǒng)斷電后再

16、重新上電。電池管理系統(tǒng)一旦重新上電，會先進行自檢，并將母線預(yù)充狀態(tài)以及所有負載預(yù)充狀態(tài)進行初始化。2）當1檔2檔3檔依次閉合時，電池管理系統(tǒng)會按照2.1.2所示的上下電流程執(zhí)行預(yù)充和上電；當3檔斷開時，主控也會清除母線預(yù)充完成的標志位，但負載預(yù)充完成的標志位不會清除，導(dǎo)致再次閉合3檔時，主控誤認為負載預(yù)充已完成，再等待母線預(yù)充完成后，會直接向A2同時下達3檔閉合指令以及預(yù)充成功的指令；閉合中間繼電器K3的指令，導(dǎo)致各負載繼電器直接上電。因此，可以定位為此故障。*05：因使用二極管浪涌抑制器導(dǎo)致主觸點斷開緩慢經(jīng)查，在整機聯(lián)調(diào)過程中，負載電機未使能，電機處于未運轉(zhuǎn)狀態(tài)，其穩(wěn)態(tài)電流非常小，因此即使主

17、觸點斷開緩慢也不會發(fā)生粘連現(xiàn)象，因此可排除此故障。*06：線圈控制電壓不穩(wěn)定經(jīng)查，在整機聯(lián)調(diào)過程中，線圈的控制電壓源采用的是24V200Ah的鉛酸電瓶以及70W的開關(guān)電源并聯(lián)使用。電池管理系統(tǒng)以及所有接觸器的線圈保持功耗的總和不超過70W，接觸器線圈啟動功耗不超過120W。因此可排除此故障。*07：切換過渡時間過短經(jīng)查圖紙，如圖2所示，在終端無通信的情況下，所有接觸器的上電控制有電池管理系統(tǒng)控制，下電控制則由檔位直接控制。經(jīng)查歷史操作記錄，在整機聯(lián)調(diào)過程中，終端與電池管理系統(tǒng)不存在通信物理連接，操作人員不存在頻繁的檔位操作，且負載電機未使能，電機處于未運轉(zhuǎn)狀態(tài)，其穩(wěn)態(tài)電流非常小，因此可排除此故

18、障。*08：電氣壽命終結(jié)經(jīng)查，本次粘連的繼電器均為5月25日新?lián)Q的產(chǎn)品，生產(chǎn)廠家為群英，質(zhì)量保證等級為軍品級，且已通過檢驗。期間一直未使用。因此排除此故障。綜上所述，本次接觸器的粘連故障定位為：因軟件問題，導(dǎo)致1檔2檔3檔在上電后，3檔2檔斷開后再閉合時，母線預(yù)充有效，而負載預(yù)充失效，從而導(dǎo)致負載接觸器在主觸點兩端壓差極大的情況下直接上電，從而發(fā)生粘連。機理清楚根據(jù)2.1工作原理可知：當3檔上電時，所有負載接觸器線圈得24V正電，同時主控接收到外部3檔上電信號，通過CAN0發(fā)送3檔開關(guān)閉合指令分別給控制模塊A1、A2和B。當控制模塊A1、A2、B接收到主控下達的3檔開關(guān)閉合指令時，會分別控制各

19、自的負載預(yù)充接觸器閉合。根據(jù)流程圖6、圖7、圖8中預(yù)充成功的判斷條件進行檢測，當控制模塊A1、A2、B均判斷負載預(yù)充成功時，會分別向主控發(fā)送負載預(yù)充成功的指令；當主控接收到A1、A2、B分別發(fā)送的負載預(yù)充成功的指令時，向A2下達所有負載均已預(yù)充成功的指令，并延時500ms后向A1、A2、B下發(fā)斷開負載預(yù)充接觸器的指令，隨后等待3檔退檔信號以及2檔退檔信號；當A2接收到所有負載均已預(yù)充成功的指令時，持續(xù)控制閉合中間繼電器K3，而當K3閉合后，中間繼電器A-KM9閉合，從而使得所有負載接觸器的線圈得24V負電，從而各路負載接觸器同時上電，所有負載回路均為通路；至此所有3檔上電流程全部完成。在3檔下

20、電時，各負載接觸器線圈斷電，主觸點斷開，各負載回路斷路，同時主控檢測到3檔下電信號，清除3檔上電的標志位，清除負載預(yù)充成功的標志位。至此所有3檔下電流程全部完成。經(jīng)查軟件發(fā)現(xiàn)，軟件在處理3檔下電前后，將負載預(yù)充成功的標志位采用了或”的關(guān)系進行迭代，并沒有采取等于”的關(guān)系進行迭代。這就導(dǎo)致了，在3檔下電前一刻，負載預(yù)充成功的標志位為1；在3檔下電時，負載預(yù)充成功的標志位被清除置0；但在3檔下電后一刻，負載預(yù)充成功的標志位為前兩刻數(shù)值相或”，仍然為1。而正常情況下，在3檔下電后一刻，負載預(yù)充成功的標志位應(yīng)置為前一時刻負載預(yù)充成功的標識位。因此，根據(jù)軟件的錯誤處理導(dǎo)致，當再次3檔上電時，主控的負載預(yù)

21、充標志位仍然為1，即主控依然認定負載預(yù)充成功。因此，當主控接收到外部3檔上電信號時，不僅通過CAN0發(fā)送3檔開關(guān)閉合指令分別給控制模塊A1、A2和B，還同時向A2下達了所有負載均已預(yù)充成功的指令。隨后，A1、B依然分別控制各自的負載預(yù)充接觸器閉合，根據(jù)流程圖6、圖8中預(yù)充成功的判斷條件進行檢測；而A2不僅控制負載預(yù)充接觸器閉合，根據(jù)流程圖7中預(yù)充成功的判斷條件進行檢測，還持續(xù)控制閉合中間繼電器K3。而當K3閉合后，中間繼電器A-KM9閉合，從而使得各路負載接觸器同時上電。但此時各路負載預(yù)充也才剛剛開始，并未完成，從而使得負載接觸器兩端壓差過大，導(dǎo)致負載接觸器主觸點粘連。故障復(fù)現(xiàn)2017年6月8

22、日，在萬山現(xiàn)場采用模擬加載的方式進行故障復(fù)現(xiàn)。打開高壓箱A、高壓箱B，將電池組、高壓箱A、高壓箱B、測試開關(guān)（S0、S1、S2）、24V電源進行連接。故障復(fù)現(xiàn)接線圖如下圖所示：圖6 故障復(fù)現(xiàn)接線圖首先，將5.1k的負載接入GD03*7接口，使用示波器測量A-KM4的預(yù)充電阻的端電壓（其中，示波器橫軸為1s/div，縱軸為2V/div）。1）閉合S0、S1、S2后，測得的示波器波形如下圖7所示，時間寬度約為800ms，電壓約為4.2V；圖7 S0S1S2閉合后的波形圖2）斷開S2、S1，再閉合S1、S2后，測得的示波器波形如下圖8所示，時間寬度約為20ms，電壓約為6V衰減到4.2V后直接降為0

23、V；圖8 S1S2斷開又閉合后的波形圖3）根據(jù)圖7圖8可知，波形的時間寬度為預(yù)充接觸器閉合且主接觸器未閉合的時間，即預(yù)充時間。圖11中波形的時間寬度約為800ms，與故障現(xiàn)象中前段預(yù)充完成的現(xiàn)象相符；圖12中波形的時間寬度約僅為20ms，與故障現(xiàn)象中后段發(fā)生粘連的現(xiàn)象相符。故障得以復(fù)現(xiàn)。整改措施5.1 整改措施根據(jù)以上分析，建議整改措施如下：1、退檔之后應(yīng)將主控中所有的負載預(yù)充標志位清除和置位（導(dǎo)致本次故障的原因）。6月14日。2、增加主控檢測S1、S2開關(guān)持續(xù)1秒后再進行相應(yīng)動作，以防止頻繁上下電操作或開關(guān)信號出現(xiàn)抖動、誤動作等。6月14日。3、調(diào)整控制模塊的預(yù)充判斷邏輯，增加了單個負載預(yù)充成功后的預(yù)充再判斷，防止*路負載預(yù)充成功至負載上電之間，該路負載因意外啟動放電等原因?qū)е仑撦d端電壓下降。6月14日。4、更改母線的預(yù)充判斷條件，原母線預(yù)充條件為正或負預(yù)充成功即成功，更改為正且負預(yù)充成功方可成功，以提高母線預(yù)充的可靠性。6月14日。5、增加3檔開關(guān)閉合時刻的前置條件，即3檔閉合時需要確保2檔也閉合