动力电池组继电器粘连故障分析报告

1、共 16页中航锂电（洛阳）有限公司2017年6月编 写 王星20170612校 对 审 核批准、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5

2、1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I/O串串串DOA1串K1串串串串串串串串DOA2串K2串串串串串串串串串串DOA3串K4串串串3#4#串串串串串DOA4串K5串串串5#6#串串串串串DOA5串K6串串 串串串串串串串串串DOA6串K7串串串串串串串

3、串串串串串DOA7串K8串串串串串串串串串串串串串串A2j 串 j 串 j 串 j 串 j 串1串串串串串串OJ=t2 | 串 | 串 | 串 | 串 | 串 | 串 | 串 | 串3串串串串串4串串串串串串串够j 串 j 串 j 串 j 串 j 串1串1#2#串串串串串 串2串2#DCDC串串3串串串串串串4串串串串串 于I/O串串串DOA1串K3串串串串串串串串DOA3串K9串串串串串串串串串串串串DOA4串K10串串串1#2#串串串 串串DOA5 串 K11 串串串 2#dcdc 串串串串串DOA6串K12串串串串串串串串串串串DOA7串K13串串串串串串串串串串控模块、8个从控模块以及

4、3个控制模块（A1、A2和B）。其硬件架构如下图2 所示。8133串串HNI111V3.1011串串串串串串串串串串串A1 =. 一 串串串串串1串串串串串串串 2串串串串串串串 3串3#4#串串串串串 串4串5#6#串串串串串L串-2412串串-724串串串串8串串串1A2412串串-6c=24串串串串8串串串42412串串-524串串串串8串串串42412串串-424串串串串8串串串42412串串-324串串串串8串串串2412 串串-824串串串串8串串串2412串串-2:24串串串串8串串串2412串串-124串串串串8串串串图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

5、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_3.10.05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

6、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-b3-3.11.4o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TtSL6gr臭Tl占卜 1 1I 1S ! a iIKirpI图3电池管理系统上下电原理图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

7、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CANO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CA

8、NO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

9、，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

10、。 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

11、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

12、 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

13、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

14、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，

15、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

16、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 0.5A X 50 Q =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0.5AX 100 Q =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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、 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（SO、S1、S2）、 24V 电源进行连接。故障复现接线图如下图所示：串串串串串串串串串25 Q100 Q-t串串/VS1串串15k Q串串串串串串串串串25 Q4.23VS2串串totiti+0.8串串串

26、串串串/s图6故障复现接线图首先，将5.1kQ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

27、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