动力电池组继电器粘连故障分析报告.doc

动力电池组接触器粘连故障分析报告 共 16 页 中 航 锂 电（洛 阳）有 限 公 司2017 年 6月 动力电池组接触器粘连故障分析报告 编 写 王 星 20170612 校 对 审 核 批 准 动力电池组接触器粘连分析报告一、 故障现象2017年6月7日上午，动力电池组（包括8个电池箱、1个高压箱A和1个高压箱B）在万山现场联调时，发现1桥和3桥供电的接触器出现粘连：现场操作过程描述如下：1、2017年6月7日上午，整车联调时，发现1档2档上电3档未上电情况下，负载1桥3桥带高压，初步判断相关继电器粘连；2、经查数据，发现2017年6月6日下午14点57分52秒（终端记录时间），负载未进行预充电，负载端电压如下图1所示。图1 负载端电压记录（14:51:10至15:00:04）3、经操作状态检查，6月6日下午14点51分至15点之间的操作为：1档2档3档闭合持续一定时间后3档2档断开，开始对负载刷新程序（刷新程序过程中电压数据不记录），随后闭合2档3档后，发现负载空压机高压一直再降，随后断开3档。二、 故障定位2.1 工作原理2.1.1 电池管理系统架构动力电池子系统的供电输出部分由8个电池组、1个高压箱A、1个高压箱B组成，其核心控制部分为电池管理系统。电池管理系统的硬件主要包括1个主控模块、8个从控模块以及3个控制模块（A1、A2和B）。其硬件架构如下图2所示。图2 电池管理系统硬件架构在电池管理系统的硬件架构中：1）主控模块为电池管理系统的核心控制模块，主要承担分析、计算、数据处理、与终端通信的功能，型号为8133，硬件版本号为：HV3.10，内部软件的版本号为：SV_C8133_b3_3.10.0.5。主控软件在功能上分为驱动层、中间层和应用层。其中驱动层和中间层代码已定型，应用层根据项目需求进行编写，主要包括子系统上下电流程的控制逻辑、内网通信协议（包括从控及控制模块）、充电机协议、终端通信协议、显控通信协议、配置文件（阈值参数表）等。其中配置文件见附表1所示。2）从控模块为电池管理系统的数据采集模块，主要分布在各个电池箱内，承担各单体电池的电压、温度、均衡采集等功能，各个模块硬件软件均相同，仅地址不同。型号为2412，硬件版本号为：HV3.11，内部软件的版本号为：SV：M-b3-3.11.4。软件硬件均已定型。3）控制模块为电池管理系统控制子系统上下电、及各类接触器的执行部分，各个模块硬件软件均相同，仅地址不同。硬件版本号为：HV1.0，内部软件的版本号为：JG3_b3_3.1.0.1.84。软件硬件均为此项目专门定制。2.1.2 电池管理系统上下电流程图3 电池管理系统上下电原理图图4电池管理系统控制回路图如图3图4所示，电池管理系统的上下电流程为：1）当1档上电时，电池管理系统上弱电自检，电池管理系统主控将母线预充状态以及所有负载预充状态设置为初始化状态；此外，从控模块即开始实时监控各单体电池状态，并将数据信息上传至主控模块进行分析、处理；2）当2档上电时，母线接触器线圈得24V正电，同时主控接收到外部2档上电信号，通过CAN0发送2档开关闭合指令给控制模块A1，由A1执行母线预充；当A1判断母线预充成功时，向主控发送母线预充成功的指令，并持续控制闭合中间继电器K1，并延时500ms断开母线预充接触器。而当K1闭合后，母线接触器的线圈得24V负电，从而母线接触器上电，母线回路通路；当主控接收到A1发送的母线预充成功的指令时，延时6s判断是否有3档上电信号； 3）当3档上电时，所有负载接触器线圈得24V正电，同时主控接收到外部3档上电信号，通过CAN0发送3档开关闭合指令分别给控制模块A1、A2和B，由A1、A2、B同时且独立执行负载预充；当A1、A2、B均判断负载预充成功时，会分别向主控发送负载预充成功的指令；当主控接收到A1、A2、B分别发送的负载预充成功的指令时，向A2下达所有负载均已预充成功的指令，并延时500ms（所有负载接触器闭合时间小于500ms）后向A1、A2、B下发断开负载预充接触器的指令，随后等待3档退档信号以及2档退档信号；当A2接收到所有负载均已预充成功的指令时，持续控制闭合中间继电器K3，而当K3闭合后，中间继电器A-KM9闭合，从而使得所有负载接触器的线圈得24V负电，从而各路负载接触器同时上电，所有负载回路均为通路； 4）当3档下电时，各负载接触器线圈断电，主触点断开，各负载回路断路，同时主控接收到3档下电信号，清除3档上电的标志位，清除负载预充成功的标志位；5）当2档下电时，母线接触器线圈断电，主触点断开，母线回路断路，同时主控接收到2档下电信号，清除2档上电的标志位，清除母线预充成功的标志位；6）当1档下电时，电池管理系统电源断电。电池管理系统主控上下电流程图详见附件1。2.1.3 控制模块A1上下电流程当控制模块A1接收到主控下发的2档闭合指令时，会开始执行母线预充，即闭合母线预充接触器。母线预充接触器闭合后开始计时并采集预充回路中的电流，每200ms将采集到的电流值取一次平均值，持续600ms共得到3个电流平均值，将这3个电流平均值再取平均值后与0.5A相比较（此为设计值，实际程序设定为与3.0A相比较，是由于实际采集电流为回路真实电流的6倍，以下均相同），当总平均值低于0.5A时，判断母线预充完成，将母线预充成功标志位置1，控制持续闭合中间继电器K1，并通过CAN0将母线预充成功指令发送给主控，随后计时500ms后，断开母线预充接触器；当总平均值高于0.5A时，则判断最后一次电流是否小于3A，当小于3A时持续以上步骤，直至计时时间多于3秒；当大于3A或者计时时间多于3秒则判断预充失败。当控制模块A1接收到主控下发的3档闭合指令时，会开始执行负载预充，即闭合负载预充接触器。负载预充接触器闭合后开始计时并采集预充回路中的电流，每200ms将采集到的电流值取一次平均值，持续600ms共得到3个电流平均值，将这3个电流平均值再取平均值后与0.5A相比较，当总平均值低于0.5A时，判断负载预充完成，将A1负载预充成功的指令发送给主控，随后等待主控发送的所有预充成功的指令；当总平均值高于0.5A时，则判断最后一次电流是否小于3A，当小于3A时持续以上步骤，直至计时时间多于3秒；当大于3A或者计时时间多于3秒则判断预充失败；当A1接受到主控下达的所有预充成功的指令时，计时500ms后，断开负载预充接触器；电池管理系统主控上下电流程图详见附件2。 2.1.4 控制模块A2上下电流程当控制模块A2接收到主控下发的3档闭合指令时，会开始执行负载预充，即闭合负载预充接触器。负载预充接触器闭合后开始计时并采集预充回路中的电流，每200ms将采集到的电流值取一次平均值，持续600ms共得到3个电流平均值，将这3个电流平均值再取平均值后与0.5A相比较，当总平均值低于0.5A时，判断负载预充完成，将A2负载预充成功的指令发送给主控，随后等待主控发送的所有预充成功的指令；当总平均值高于0.5A时，则判断最后一次电流是否小于3A，当小于3A时持续以上步骤，直至计时时间多于3秒；当大于3A或者计时时间多于3秒则判断预充失败；当A2接受到主控下达的所有预充成功的指令时，控制持续闭合中间继电器K3，计时500ms后，断开负载预充接触器；电池管理系统主控上下电流程图详见附件3。2.1.5 控制模块B上下电流程当控制模块B接收到主控下发的3档闭合指令时，会开始执行负载预充，即闭合负载预充接触器。负载预充接触器闭合后开始计时并采集预充回路中的电流，每200ms将采集到的电流值取一次平均值，持续600ms共得到3个电流平均值，将这3个电流平均值再取平均值后与0.5A相比较，当总平均值低于0.5A时，判断负载预充完成，将B负载预充成功的指令发送给主控，随后等待主控发送的所有预充成功的指令；当总平均值高于0.5A时，则判断最后一次电流是否小于3A，当小于3A时持续以上步骤，直至计时时间多于3秒；当大于3A或者计时时间多于3秒则判断预充失败；当B接受到主控下达的所有预充成功的指令时，计时500ms后，断开负载预充接触器；电池管理系统主控上下电流程图详见附件4。2.2 故障定位根据故障现象，建立其接触器主触点粘连的故障树，如下图5所示。图5 故障树下面对可能的故障原因逐一分析。X01：负载运行功率较大时，主触点断开经查，在整机联调过程中，负载电机未使能，电机处于未运转状态，其稳态电流非常小，因此不存在负载运行功率较大，因此可排除此故障。X02：负载停止运行时有较大的反向冲击电流经查，在整机联调过程中，负载电机未使能，电机处于未运转状态，其稳态电流非常小，因此不存在负载运行停止，因此可排除此故障。X03：预充完成的判断条件设计有误经查，预充完成的判断条件为：预充接触器闭合后开始计时并采集预充回路中的电流，每200ms将采集到的电流值取一次平均值，持续600ms共得到3个电流平均值，将这3个电流平均值再取平均值后与0.5A相比较，当总平均值低于0.5A时，判断预充完成；否则判断最后一次电流是否小于3A，当小于3A时持续以上步骤，直至计时时间多于3秒；当大于3A或者计时时间多于3秒则判断预充失败。在阈值设定上，母线预充成功时，母线接触器闭合时两端电压差为0.5A50=25V，符合设计要求；负载预充成功时，负载接触器闭合时两端电压差为0.5A100=50V，符合设计要求。此外，经查历史数据记录，预充过程中的电压数据也均正常。因此预充完成的判断条件设计无误，故可排除此故障项。X04：预充策略失效经查历史数据发现，6月6日下午14点55分14秒（终端记录时间）时刻的上电过程中，负载1桥电机的端电压在1.7s内从0V上升至636.8V，负载2桥电机的端电压在1.7s内从0V上升至636.8V，负载3桥电机的端电压在1.7s内从0V上升至636.8V。通过负载端电压爬升时间可判断：该次负载上电时预充成功，且负载接触器正常闭合。随后在14点57分52秒（终端记录时间）时刻，在上电过程中，负载1桥的端电压在200ms内从83.2V上升至665.6V，负载1桥的端电压在100ms内从83.2V上升至662.4V，负载2桥的端电压在100ms内从86.4V上升至662.4V。通过负载端电压爬升时间可判断：该次负载上电时未进行预充电，负载接触器直接闭合。在随后的测试中发现，2档闭合时，负载1桥电机和3桥电机均已有高压。再查6月6日下午14点51分至15点之间的操作为：1档2档3档依次闭合持续一定时间后3档2档断开，开始对负载电机刷新程序（刷新程序过程中电压数据不记录），随后闭合2档3档后，发现负载空压机高压一直再降，即预充失败，随后断开3档。因此可以判断：当1档2档3档依次闭合的过程中，预充策略有效；当1档保持，2档3档断开后再闭合的过程中，预充策略失效，主接触器会直接闭合，从而发生主触点粘连的现象。对软件中的上下电流程进行检查发现：1）1档的断开和闭合，会使得电池管理系统断电后再重新上电。电池管理系统一旦重新上电，会先进行自检，并将母线预充状态以及所有负载预充状态进行初始化。2）当1档2档3档依次闭合时，电池管理系统会按照2.1.2所示的上下电流程执行预充和上电；当3档断开时，主控也会清除母线预充完成的标志位，但负载预充完成的标志位不会清除，导致再次闭合3档时，主控误认为负载预充已完成，再等待母线预充完成后，会直接向A2同时下达3档闭合指令以及预充成功的指令；闭合中间继电器K3的指令，导致各负载继电器直接上电。因此，可以定位为此故障。X05：因使用二极管浪涌抑制器导致主触点断开缓慢经查，在整机联调过程中，负载电机未使能，电机处于未运转状态，其稳态电流非常小，因此即使主触点断开缓慢也不会发生粘连现象，因此可排除此故障。X06：线圈控制电压不稳定经查，在整机联调过程中，线圈的控制电压源采用的是24V200Ah的铅酸电瓶以及70W的开关电源并联使用。电池管理系统以及所有接触器的线圈保持功耗的总和不超过70W，接触器线圈启动功耗不超过120W。因此可排除此故障。X07：切换过渡时间过短经查图纸，如图2所示，在终端无通信的情况下，所有接触器的上电控制有电池管理系统控制，下电控制则由档位直接控制。经查历史操作记录，在整机联调过程中，终端与电池管理系统不存在通信物理连接，操作人员不存在频繁的档位操作，且负载电机未使能，电机处于未运转状态，其稳态电流非常小，因此可排除此故障。X08：电气寿命终结经查，本次粘连的继电器均为5月25日新换的产品，生产厂家为群英，质量保证等级为军品级，且已通过检验。期间一直未使用。因此排除此故障。综上所述，本次接触器的粘连故障定位为：因软件问题，导致1档2档3档在上电后，3档2档断开后再闭合时，母线预充有效，而负载预充失效，从而导致负载接触器在主触点两端压差极大的情况下直接上电，从而发生粘连。三、 机理清楚根据2.1工作原理可知：当3档上电时，所有负载接触器线圈得24V正电，同时主控接收到外部3档上电信号，通过CAN0发送3档开关闭合指令分别给控制模块A1、A2和B。当控制模块A1、A2、B接收到主控下达的3档开关闭合指令时，会分别控制各自的负载预充接触器闭合。根据流程图6、图7、图8中预充成功的判断条件进行检测，当控制模块A1、A2、B均判断负载预充成功时，会分别向主控发送负载预充成功的指令；当主控接收到A1、A2、B分别发送的负载预充成功的指令时，向A2下达所有负载均已预充成功的指令，并延时500ms后向A1、A2、B下发断开负载预充接触器的指令，随后等待3档退档信号以及2档退档信号；当A2接收到所有负载均已预充成功的指令时，持续控制闭合中间继电器K3，而当K3闭合后，中间继电器A-KM9闭合，从而使得所有负载接触器的线圈得24V负电，从而各路负载接触器同时上电，所有负载回路均为通路；至此所有3档上电流程全部完成。在3档下电时，各负载接触器线圈断电，主触点断开，各负载回路断路，同时主控检测到3档下电信号，清除3档上电的标志位，清除负载预充成功的标志位。至此所有3档下电流程全部完成。经查软件发现，软件在处理3档下电前后，将负载预充成功的标志位采用了“或”的关系进行迭代，并没有采取“等于”的关系进行迭代。这就导致了，在3档下电前一刻，负载预充成功的标志位为1；在3档下电时，负载预充成功的标志位被清除置0；但在3档下电后一刻，负载预充成功的标志位为前两刻数值相“或”，仍然为1。而正常情况下，在3档下电后一刻，负载预充成功的标志位应置为前一时刻负载预充成功的标识位。因此，根据软件的错误处理导致，当再次3档上电时，主控的负载预充标志位仍然为1，即主控依然认定负载预充成功。因此，当主控接收到外部3档上电信号时，不仅通过CAN0发送3档开关闭合指令分别给控制模块A1、A2和B，还同时向A2下达了所有负载均已预充成功的指令。随后，A1、B依然分别控制各自的负载预充接触器闭合，根据流程图6、图8中预充成功的判断条件进行检测；而A2不仅控制负载预充接触器闭合，根据流程图7中预充成功的判断条件进行检测，还持续控制闭合中间继电器K3。而当K3闭合后，中间继电器A-KM9闭合，从而使得各路负载接触器同时上电。但此时各路负载预充也才刚刚开始，并未完成，从而使得负载接触器两端压差过大，导致负载接触器主触点粘连。四、 故障复现2017年6月8日，在万山现场采用模拟加载的方式进行故障复现。打开高压箱A、高压箱B，将电池组、高压箱A、高压箱B、测试开关（S0、S1、S2）、24V电源进行连接。故障复现接线图如下图所示：图6 故障复现接线图首先，将5.1k的负载接入GD03X7接口，使用示波器测量A-KM4的预充电阻的端电压（其中，示波器横轴为1s/div，纵轴为2V/div）。1）闭合S0、S1、S2后，测得的示波器波形如下图7所示，时间宽度约为800ms，电压约为4.2V；图7 S0S1S2闭合后的波形图2）断开S2、S1，再闭合S1、S2后，测得的示波器波形如下图8所示，时间宽度约为20ms，电压约为6V衰减到4.2V后直接降为0V；图8 S1S2断开又闭合后的波形图3）根据图7图8可知，波形的时间宽度为预充接触器闭合且主接触器未闭合的时间，即预充时间。图11中波形的时间宽度约为800ms，与故障现象中前段预充完成的现象相符；图12中波形的时间宽度约仅为20ms，与故障现象中后段发生粘连的现象相符。故障得以复现。五、 整改措施5.1 整改措施根据以上分析，建议整改措施如下：1、退档之后应将主控中所有的负载预充标志位清除和置位（导致本次故障的原因）。6月14日。2、增加主控检测S1、S2开关持续1秒后再进行相应动作，以防止频繁上下电操作或开关信号出现抖动、误动作等。6月14日。3、调整控制模块的预充判断逻辑，增加了单个负载预充成功后的预充再判断，防止某路负载预充成功至负载上电之间，该路负载因意外启动放电等原因导致负载端电压下降。6月14日。4、更改母线的预充判断条件，原母线预充条件为正或负预充成功即成功，更改为正且负预充成功方可成功，以提高母线预充的可靠性。6月14日。5、增加3档开关闭合时刻的前置条件，即3档闭合时需要确保2档也闭合，方可进行负载预充，以防止3档闭合瞬间2档下电的情况发生。6月14日。6、更改延时时间，母线预充成功后，延时3秒开始负载预充。6月14日。7、更改延时时间，预充成功后，延时1秒断开预充继电器。6月14日。8、增加紧急下电限制：母线上电和负载上电成功后，才允许执行紧急下电的报文。6月14日。9、将预充回路中的电流采集模块更改为电压采集模块，以增加可靠性和接触器粘连判断。6月30日。5.2 改进后方案对比本次整改仅针对控制模块的软件部分进行了整改，其管理系统的所有硬件及框架均无更改。相对于更改前的软件，更改后的软件不仅修改了原有的程序漏洞，还增加了多项预防措施，以防止各类误操作、频繁操作、断电操作、紧急下电操作等现象发生时的预充功能及上电功能的误动作。详见附件5更改后的主控上下电流程图、附件6更改后的控制模块A1上下电流程图、附件7更改后的控制模块A1上下电流程图、附件8更改后的控制模块A1上下电流程图。六、 举一反三本次软件为该项目单独开发，生产数量仅为1套。完善控制模块的软件版本号为JG3_b3_3.1.0.1.85。经查该项目其他定制软件，未发现此类问题。经查该项目未发生故障的接触器、熔断器等元器件，均完好、可使用。七、 措施有效及试验验证根据分析，整改后的软件流程结果有效。针对更改后的软件流程，建立专用的测试方法，详见附件9软件更改后的测试方法。2017年6月14日，在万山现场，将整改后的软件载入到产品中后进行测试：八、 结论通过对本次接触器粘连故障进行了深入分析，确定本次故障定位为：因软件问题，导致1档2档3档在上电后，3档2档断开后再闭合时，母线预充有效，而负载预充失效，从而导致负载接触器在主触点两端压差极大的情况下直接上电，从而发生粘连。针对该故障，说明了故障机理，完成了故障复现并制定了可行的后续解决措施，并对解决措施进行了落实和试验验证。后续建议本次更改后继续进行联调。可以归零。