动力电池高压控制柜运行逻辑与继电器故障诊断检测研究_刘欢.pdf

使用 维修Operation and Maintenance2 0 2 3 4动力电池高压控制柜运行逻辑与继电器故障诊断检测研究刘欢，徐天，杨勇，谌伊婷湘潭电机股份有限公司摘要给出百吨级纯电交流传动矿用自卸车 P D U 动力电池高压控制柜的系统图，根据高压控制柜的系统原理，分析继电器粘连故障检测的方法，研究系统高压上下电的继电器控制逻辑。关键词：P D U；继电器；粘连；B M S作者简介：刘欢（1987），女，湖南湘潭人，工程师，硕士，研究方向：机电系统控制及自动化。随着双碳政策的持续推进，电动化成为国家大力倡导的新能源产业。矿用自卸车使用动力电池替代传统柴油机为动力源，逐步实现电动化，相比传统燃油百吨级车，能耗降低明显1-2。矿用自卸车中有许多高压用电设备，如电机驱动器、油泵电机、风机电机、空调等，动力电池高压控制柜作为整车电源系统的大脑机构，为这些器件提供高压电。另外，在电池使用过程中，控制柜还提供安全管理和充电管理3-5。继电器作为核心零部件之一，它的稳定性和可靠性直接关系到车辆的安全6-7。本文主要研究高压控制柜的上下电运行逻辑和继电器的故障检测方法。1高压控制柜系统图如图 1 所示，高压控制柜主要由 MSD 手动维护开关、继电器、预充电阻、电流传感器、DC/DC 水冷装置等部件构成。6 个主正继电器分别串接于电池组的正极，主负继电器与电池组的负极串联，4 个充电座分别连接充电正继电器 14 和充电负继电器 14，外部充电设备通过高压柜的充电回路给动力电池充电，动力电池将储存的电能通过高压控制柜分配给各用电设备。两组串联的预充继电器和预充电阻分别与主变继电器和辅变继电器并联，防止上电时瞬态电流对大功率容性负载的冲击。柜体内部采用双层布置设计：上层为 DCDC 电源、预充回路元器件，下层布置主继电器与其他辅助继电器。主变继电器与主负继电器为灭弧罩灭弧设计，为方便主触点与灭弧装置的检修，上下层保持一定安全并适合检修的距离空间。2继电器粘连检测工作原理与故障诊断流程2.1继电器粘连检测工作原理高压继电器粘连是指触点的通断不受继电器线圈控制，该断开时却闭合，即继电器的断开功能失效，使高压1302 0 2 3 4第卷总第期5459第期44电路处于连通状态，导致存在泄漏风险。继电器粘连常采用电压法来判断，当继电器线圈未通电，但继电器后端有电压，说明继电器处于粘连状态。如图 2 所示，有 a、b、c、d 4 个高压采集点，BMS 会采集a、b 之间的 PACK 电压和 c、d 之间的 LINK 电压作为系统正常工作的参数8。继电器的粘连判断关键在于直流继电器的前端和后端的电压值检测9。在进行粘连检测时，BMS 会采集电池组正负极之间的电压V1、电池负极与负载正极之间的电压V2、电池正极与负载负极之间的电压V3，根据电压值的大小判断K1至K3继电器的粘连情况，并根据判断结果进行相应处理。2.2行车上电继电器粘连检测流程图 3 给出了行车上电时继电器粘连检测流程，BMS上电后，分别采集V1、V2、V3电压，在没有发出闭合继电器指令的状态下，若V1和V2两组电压的差值小于一定阈值，则认为K1或K3继电器粘连，说明负载的正极处于高压通路状态，BMS 检测到该状态后，禁止继续上高压，同时发送高压正极处于高压风险的提醒。若V1和V3两组电压的差值小于一定阈值，则认为K2继电器粘连，说明负载的负极处于高压通路状态，BMS 检测到该状态后，禁止继续上高压，同时发送高压负极处于高压风险的提醒。2.3行车下电继电器粘连检测流程图 4 给出了行车下电时继电器粘连检测流程。若车辆在高压状态，用户（驾驶员）操作车辆下电，BMS 发出断图 2粘连检测控制原理图图 1高压控制柜一次系统图131使用 维修Operation and Maintenance2 0 2 3 4图 3行车上电粘连检测流程开继电器K1、K2指令后，就开始检测V2和V3的电压值。如果在断开指令发出一段时间（例如 1 s）后，V2电压值仍然较高，而V3电压值下降正常，说明继电器K1处于粘连的状态，此时负载的正极处于高压通路状态，继电器K2正常断开之后，记录故障，并禁止下次高压上电。如果在断开指令发出一段时间（例如 1 s）后，V3电压值仍然较高，而V2电压值下降正常，说明继电器K2处于粘连的状态，此时负载的负极处于高压通路状态，继电器K1正常断开之后，记录故障，并禁止下次高压上电。3系统运行逻辑与流程3.1主正继电器和主负继电器的上电控制逻辑整车上电后，BMS 系统被整车 CAN 信号或硬件点火信号唤醒，系统进入初始化，初始化过程中先判断主正继电器和主负继电器的粘连判断。结合图 1 和图 2，把系统中的 16 号点作为 a 点，23 号点作为 b 点，17 号点作为c 点，7 号点作为 d 点，如图 3 的控制流程，判断主正继电器 16 和主负继电器是否粘连。当V2电压大于 0.95 倍V1电压，即 7 号点电位接近电源电压，说明主正继电器 16中有粘连，具体是哪个无法判断，需人工检测与确认。如果均无粘连，则按照图 5 闭合 6 个主正继电器和主负继电器。3.2主变回路和辅变回路的上电流程从动力电池输出的近 900 V 高压电通过后端电气柜接到负载，在闭合主正和主负继电器后，需要闭合主回路上的主变继电器以及辅回路上的辅变继电器，主回路和辅回路上的负载才真正接上高压电。主变回路上电前须先给辅变回路通高压电。辅变回路的辅变继电器后端分为两路：一路接至高压本柜的 DC 水冷装置，用于给动力电池组降温；另一路通过后端变频器接到油泵电机、风机和空调。上电流程如图 4行车下电粘连检测流程1322 0 2 3 4第卷总第期5459第期44图 6 所示。先闭合辅变预充继电器，在辅预充电阻的作用下，负载两端的电压缓慢上升，当负载电压达到电池侧电压的 90%时，预充完成，此时断开辅变预充继电器，延时0.5 s 闭合辅变继电器，辅变回路上电完成。主回路的高压电最终接至车轮，车在静止状态时是否闭合主变继电器可根据现场需要做调整，自卸车要动起来时，主变回路才上电，上电流程如图 7 所示。先闭合主变预充继电器，给负载端电容预充电，在主预充电阻的作用下，负载两端的电压缓慢上升，当负载电压达到电池侧电压的 90%时，预充完成，此时断开主变预充继电器，延时 0.5 s 闭合主变继电器，主变回路上电完成。值得提出的是，为了安全考虑，插上充电枪时，主变回路接到闭合继电器的指令时，仍不执行。在收到上辅变高压、主变高压以及充电指令时，需要进行绝缘以及电压等一系列检测，当检测的结果不符合设定值时，辅变高压、主变高压都不能进行上电，也不能进行充电。3.3高压下电控制逻辑高压下电控制流程如图 8 所示。在 PDU 收到下电指令后，先断开主负继电器，在收到主负继电器触点断开的反馈信号或者延时 1 s 后，先断开主变继电器和辅变继电器，随后断开 6 个主正继电器，下电控制完成。值得提出的是，在以下 3 种情况下也会触发主负继电器的断开：1）倾斜传感器测得 X 倾角或者 Y 倾角大于45；2）BMS 系统故障触发下高压指令；3）BMS 通信故障，即 PDU 没有收到 BMS 的报文超过 5 s，整车需要下高压。4结束语本文研究的动力电池高压控制柜作为电池与高压负图 5主正和主负继电器的上电流程图 6辅变回路上电流程图 7主变回路上电流程133使用 维修Operation and Maintenance2 0 2 3 4载的接口，实现高压用电的分配管理。矿用自卸车高压控制柜内继电器数量众多，继电器的粘连检测对整车安全至关重要。一旦继电器处于粘连状态，还进行上电或者维修等操作会产生极大危害。同时，分析各种工况下对高压上下电的运行逻辑控制，可以及时而准确地控制继电器的开通与关断，对系统的稳定性和可靠运行意义重大。参考文献1 刘新蕊.电动汽车动力电池组管理系统研究D.大连：大连理工大学，2010.2 刘宁，吴明瞭，汪斌.纯电动商用车高压电气系统匹配设计J.汽车电器，2014（5）：18-21.3 李田田，金启前，冯擎峰.纯电动汽车高压电气架构的设计J.汽车工程师，2013（11）：49-51.4 房永强.纯电动客车高压配电柜的设计与应用 J.机电技术，2015（4）：126-129.5 戴海峰，张晓龙，魏学哲.电动汽车高压电安全分析与防护设计J.机电一体化，2013（1）：53-59.6 王军玉，李建荣.高压真空接触器控制原理分析及优化设计J.电气传动自动化，2011（8）：44-46.7 陈丹丹，张茜铭.汽车继电器介绍及选型J.汽车电器，2015（4）：63-65.8 陈涛.一种 BMS 诊断继电器粘连设计 J.汽车实用技术，2020（14）：32-34.9 刘达，韦义林，李少帅.广州地铁 5 号线列车接触器触头粘连问题分析及改进J.机电工程技术，2017（3）：116-119.通信地址：湖南省湘潭市岳塘区双马街道双拥南路湘潭电机股份有限公司电气传动事业部（411104）（收稿日期：2022-11-14）图 8高压下电流程134英文摘要ABSTRACTS IN ENGLISHVol.54Serial No.594Publishing on Apr.10,2023No.4communication abnormalities and BMS faults.Through in-depth analysis,it is found that there is signal crosstalk in the whole vehicle communication line,with frequent occurrence,which seriously hin-ders the normal operation of the equip-ment on the communication link.The source of interference is found through research,and improvement measures are proposed to completely eliminate such faults,which can provide a reference for analyzing communication faults in elec-tric products.Keywords:Communication network;CAN bus;Crosstalk;WaveformResearch on Operation Logic of High-voltage Control Cabinet for Traction Battery and Fault Diagnosis and De-tection of RelayThe system diagram of the high-voltage control cabinet for the PDU traction bat-tery of a 100-t pure electric AC driven dumper is given.According to the system principle of the high-voltage control cabi-net,the method for detecting the relay welding fault is analyzed,and the control logic of the relay for high-voltage power-on and power-off of the system is studied.Keywords:PDU;Relay;Sticking;BMSFamily Design and Application of Liu-Gong Construction Machinery ProductsThe importance of f