應急電源充電電流異常的故障分析

劉茹文 朱佑滔

摘要：應急電源系統(tǒng)是后勤安全保障的重要組成部分，一旦應急電源系統(tǒng)發(fā)生故障，將直接影響其他系統(tǒng)的正常工作，后果嚴重時甚至會威脅到生命安全?，F(xiàn)針對應急電源充電電流異常時出現(xiàn)的應急電源故障進行詳細的原理分析，并對排查出的故障問題進行技術改進，以避免今后應急電源再發(fā)生類似的故障問題。

關鍵詞：應急電源系統(tǒng)；充電電流；沖擊電流

中圖分類號：U270.38+1? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）12-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.002

0? ? 引言

應急電源是在無市電的情況下采用電池組形式供電，通過控制器獲取直流信號源，為其提供特定大小的電流源[1]。某型號應急電源在調試期間連續(xù)發(fā)生5次故障，故障非常頻繁[2]。故障現(xiàn)象為上位機顯示充電電流為0 A，應急電源正常充電，BMS控制器上報數(shù)據(jù)錯誤，點擊“復位”按鍵后，故障仍然無法復位，從而使得整個項目的所有任務被迫中止，因此必須對該應急電源故障進行深入分析，從根本上解決該故障問題[3]。

1? ? 應急電源設計原理

應急電源主要由鋰電池模組、BMS主控[4]、BMS從控、配電線路、機柜和配套軟件等組成，采用鈦酸鋰電池作為儲能單元，通過BMS主控和BMS從控進行電池管理和配電控制，輸出高壓直流電經供配電系統(tǒng)電源變換和配電后，為設備不間斷供電。

鋰電池模組由7P12S電池模組、BMS從控、接插件及結構件組成，主要實現(xiàn)能量儲存、單體電壓/溫度采集/均衡、通信等；控制箱由BMS主控、充放電控制組件、電壓傳感器、電流傳感器、絕緣檢測儀、接觸器、二極管、接插件及結構件等組成，主要實現(xiàn)充放電的控制，電壓、電流采集，均衡控制，絕緣阻值、故障告警等上報[5-6]。應急電源的原理框圖如圖1所示。

高壓直流母線回路有一個獨立電流傳感器PA1，電流傳感器檢測應急電源直流母線電流信號，電流信號通過調理電路轉換為電壓信號，BMS主控采集電壓信號，經軟件處理后通過CAN總線上傳給CAN1/CAN2網段。應急電源電流采樣及數(shù)據(jù)上傳原理框圖如圖2所示。

2? ? 故障分析

跟蹤發(fā)現(xiàn)某型應急電源故障時上位機顯示充電電流數(shù)據(jù)異常，通過對應急電源硬軟件、故障數(shù)據(jù)分析，總結出了可能出現(xiàn)的所有故障，故障樹如圖3所示。

2.1? ? 大電流充電

當BMS主控讀到電流超過73 A后，軟件邏輯處理為0 A。用AC/DC充電機給應急電源進行充電，并測試應急電源母線電壓和電流波形如圖4所示，從圖中可以看出，開關閉合瞬間沒有出現(xiàn)過大的沖擊電壓[7]、電流，故可排除大電流充電的過程。

2.2? ? 電流傳感器到主控的采樣線與插頭匹配故障

BMS主控J2插頭4、5為電流傳感器輸出信號，如果有故障，BMS主控將采集不到電流傳感器的輸出值，從而導致電流為0 A。因此，問題查找的關鍵是對應急電源產品控制箱BMS主控J2插頭的生產工藝進行排查，排查內容主要包括虛焊，接口處光潔、平滑、無拉尖，焊杯之間無多余物。同時，對產品的實驗記錄進行復查，如環(huán)篩、老煉、運輸振動等。經過進一步的篩選，以上環(huán)節(jié)均未出現(xiàn)異常問題。

2.3? ? 電流傳感器故障

問題均發(fā)生在應急電源上電后，且問題一直存在。應急電源在初始上電后負載存在約10 μF的電容，按照實際負載環(huán)境搭建測試環(huán)境，在應急電源輸出端口加10 μF左右電容，并連接電阻負載，在電流傳感器輸出端串入電流表，對應急電源進行反復開關機測試，用示波器和電流表測試母線電壓、母線電流、PA1電流傳感器采樣信號輸出值。正常情況下，PA1電流傳感器測試值與電流值換算關系如下：

當電流大于70 A時，超出電流傳感器量程，電流傳感器采樣輸出的理論值大于70 mA；當電流回到0 A時，電流傳感器采樣輸出值為0 mA。

經過測試，在應急電源上電過程中，因系統(tǒng)中存在電容、電感和電阻（高壓線纜存在阻值和電感量），會出現(xiàn)短時電容充電大電流，充電完成后電容給電感線圈放電，經測試母線峰值電流為200 A，持續(xù)時間80 μs，然后電容給線纜電感放電，穩(wěn)定后母線電流值為0 A，測試波形如圖5所示。

理論上電流傳感器檢測到的母線電流應為0 A，實測電流傳感器輸出測試值為250 mA左右，且一直保持不變。母線電壓、電流波形如圖6所示，故有可能存在電流傳感器故障問題。

2.4? ? 主控盒故障

主控盒故障分為硬件故障和軟件故障，硬件故障主要檢測相應的采樣電路是否出現(xiàn)失效以及未導通的情況，而軟件故障主要排查軟件的邏輯是否符合要求。

2.4.1? ? 硬件故障

電流傳感器采樣后的輸出電流信號經過調理電路轉換為電壓信號，調理電路原理圖如圖7所示。BMS主控根據(jù)讀取到的采樣電壓值，經過計算轉換成電流值。

圖7中AD1為轉換后的電壓信號，其計算方式為：

式中：Vref為基準電壓1.5 V；Iout1為電流傳感器采樣轉換后電流；R72、R94為負載電阻；R58為反饋電阻。

基準電壓故障模式分為電壓偏小、偏大或為0。當基準電壓偏小時，將導致ADC接收的信號偏小，造成顯示電流增大；當基準電壓偏大時，將導致ADC接收的信號偏大，造成顯示電流減??；當基準電壓為0時，Vad1約為0 V，超出電流采樣范圍，顯示0 A，但是重新上電后，電流仍然為0 A，與故障現(xiàn)象不一致。

2.4.2? ? 軟件故障

軟件中使用1 s內50次電流值取平均值作為電流采樣結果，計算采用double類型的32位浮點有符號數(shù)，使用ADC電壓最大值3 000 mV、最小值0 mV代入軟件代碼中的計算公式（3），經過校核均不會出現(xiàn)溢出情況。

式中：ImA為采樣平均值；Vadc為ADC電壓值。

若是軟件數(shù)據(jù)處理錯誤導致顯示電流為0，那么每次開機重啟后顯示電流均為0，與故障現(xiàn)象不一致，可排除。

3? ? 故障分析

經上述分析排查后發(fā)現(xiàn)，將應急電源上報充電電流異常問題定位于電流傳感器的補償線圈電感量低于設計參考值100 mH，傳感器過載，控制響應時間偏短，小于要求值，導致了傳感器輸出鎖定，使得電流傳感器輸出電流保持250 mA左右不變，BMS檢測到電流傳感器輸出信號超過73 mA后，認為超過量程，將BMS上報電流值處理為0 A，進而導致應急電源上報充電電流為0 A。

傳感器采用的DRV421型磁通門芯片是一款完全集成的磁通門芯片，具有閉環(huán)電流傳感器調節(jié)和補償電路，可實現(xiàn)精密的隔離式直流和交流電流測量。當電流傳感器受到沖擊電流影響時，沖擊電流產生的階躍響應將迅速使補償線圈產生大補償電流，隨著時間累積，補償電流回落到210 mA最低值，但由于磁芯內部的磁場持續(xù)增加，最終超出磁通門的測量范圍。

4? ? 故障解決

要正確使用此過載控制功能，在磁場超過極性檢測閾值（13 μT）和飽和跳閘電平（1.7 mT）之間至少需要10 μs。最初，初級電流階躍電感快速耦合到補償線圈（變壓器效應），所以初級電流上升時間是不受控制的；而補償線圈補償電流的上升時間由補償線圈電感量決定，較大的電感會使得補償電流上升變化減緩，時間延長。因此，所需的最小電感為100 mH，推薦使用300 mH。

5? ? 結束語

在設計階段，生產方未充分考慮應急電源過載和控制時間偏短的特點，導致應急電源出現(xiàn)充電電流異常的故障，擴大了應急電源故障的影響。本文通過重新選型線圈傳感器的量程范圍，解決了應急電源充電電流異常的問題，避免了應急電源出現(xiàn)故障從而影響其他設備設施的正常運營，也可為國內應急電源的設計提供一些參考。

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收稿日期：2023-03-09

作者簡介：劉茹文（1995—），女，安徽人，助教，從事電力系統(tǒng)分析與研究工作。

朱佑滔（1993—），男，四川人，工程師，研究方向：應急電源保護。