电力蓄电池工程车BMS采集板烧损故障分析

摘要：针对广州地铁电力蓄电池工程车在应用过程中，由蓄电池供电模式转换为第三轨供电模式时，BMS采集线破损使线芯对箱体放电造成采集板烧损的故障，深入查找了故障原因，为类似故障处理提供了参考，以免影响地铁电力蓄电池工程车的正常运行。

关键词：工程车;BMS;放电;采集板烧损

1 蓄电池控制原理

1.1    蓄电池管理系统

广州地铁的电力蓄电池工程车采用接触网、第三轨及牵引蓄电池3种供电模式运行，并配备有蓄电池管理系统（简称BMS），利用数据采集模块检测牵引蓄电池各单体的电压、电流、温度参数，并通过显示屏显示实时信息和故障信息，为相关工作人员提供数据参考。

1.2    蓄电池接地保护

接地保护故障原理如图1所示。电力蓄电池工程车的牵引蓄电池由8箱（=11-G01～G08，每箱48节）蓄电池单体通过串联形式组成。在蓄电池供电模式下，为保护主电路系统，牵引蓄电池负极设置有负极接地检测电路，用于检测蓄电池是否出现接地故障。负极接地检测回路由电流传感器（=11-B12）和检测电阻（=11-R01）组成。当牵引蓄电池组正极出现接地故障时，蓄电池正极与负极检测回路之间形成回路，电流传感器（=11-B12）检测到牵引蓄电池供电回路的漏电流，并报“牵引蓄电池接地故障”。

工程车由蓄电池供电模式转换为接触网或第三轨供电模式时，在出现牵引蓄电池接地等故障情况下，将导致正负极电流产生差异，通过差分电流传感器可判断正负极电流的差值，按故障等级报“差动电流大于1 A”或“差动电流大于50 A”。

2 系统数据分析

2.1    蓄电池管理系统数据分析

BMS显示屏报“蓄电池单体欠压”故障，此时查看具体参数：第1箱蓄电池第1～20节电压显示为0 V;第21～24节电压异常，分别为0.32 V、1.75 V、3.09 V、3.25 V。工程车回库后使用万用表测量蓄电池电压均在2.00～2.20 V标准范围内，且自身无烧损痕迹，说明蓄电池运行状态正常。

笔者检查发现第1箱蓄电池对应的BMS采集板支架烧穿，采集板连接器X2和X3的采集线线束断股，如图2所示。其中，第1～20节的数据采集连接器为X2，第21～24节的数据采集连接器为X3。

笔者进一步对BMS系统记录电压数据进行分析，可得出以下结论：

（1）第1～20蓄电池节单体电压为0 V，此数据表明数据采集插头的采集线全部烧断。

（2）第21节蓄电池单体有微弱电压，此数据表明该节蓄电池采集线未完全烧断。

（3）第22节蓄电池单体显示欠电压，该节电池采集线与带有电压的箱体粘连，导致该节采集线虽熔断但仍有电压信号显示。

（4）第23～24节蓄电池单体显示过电压，采集线已经熔断，采集触点触碰箱体或者其他部分，导致该采集精度已失效。

2.2    故障记录的数据分析

笔者通过解析工程车故障记录数据，还原该故障发生及发展的过程，故障记录数据如图3所示，故障记录分析如图4所示。

（1）2019-06-01T00：20：56，事件记錄显示此刻机车采用第三轨供电模式升靴成功（升靴信号为高电平1），而在此之前为蓄电池供电模式，未出现异常情况。

（2）2019-06-01T00：20：58，系统首先检测主回路差分电流大于1 A报警后，又瞬间检测到差分电流大于50 A报警，同时主电路接地报警;出于工程车自身防护需要，系统控制受流器自动降靴，且该时刻的牵引蓄电池电压值从804 V骤降至674 V。可推断此刻为故障发生初始点，第1箱部分蓄电池单体已出现放电现象。

（3）2019-06-01T00：20：59—00：21：01，该时间段主电路仍然检测到差分电流大于1 A报警，差分电流大于50 A报警，主电路接地故障消失;牵引蓄电池电压从674 V逐渐回升至794 V，可推断该时间段放电故障已结束。

3 故障分析

3.1    连接器X2、X3采集线烧损故障分析

笔者检查现场第1箱牵引蓄电池箱的X2、X3连接器布线路径，连接器X2线缆整股烧断，X3连接器3根线（ZD420415、ZD420416、ZD420418）没有完全断开，同时采集线ZD420417烧熔后紧贴在了采集盒安装板与箱体侧边之间，初步判断线缆烧损的原因是采集线ZD420417经过长期使用，振动摩擦导致线缆外部绝缘层破损，破损的线芯与蓄电池箱箱体直接接触，导致蓄电池供电回路短路或线芯对箱体放电。

（1）若采集线ZD420417线芯直接与箱体接触，将导致第1箱第23节蓄电池正极与第8箱第48节牵引蓄电池的负极短接，并造成后续所有蓄电池短路放电欠压故障，但从BMS显示的数据来看，第25节及后续所有单体蓄电池电压正常，且整组蓄电池电压在故障时间点仅降至674 V，可判定该次故障不是采集线ZD420417与箱体直接接触导致。

（2）若采集线ZD420417线芯被支架夹扁磨损导致线缆破损，线芯裸露对箱体放电，瞬间产生的电弧将使得与采集线ZD420417相邻走线的X2连接器的采集线烧损。采集线束烧损绝缘层破坏后，将导致该线束的多节蓄电池之间短接放电，瞬间的放电电流计算可达660 A左右，高温使该线束瞬间完全烧断，与故障现象吻合。

3.2    蓄电池报警故障分析

牵引蓄电池在蓄电池供电模式下运行正常，而在转换为第三轨供电模式时产生放电故障，通过电路图及软件逻辑分析，在蓄电池供电模式下，接触网/第三轨供电模式接触器（=11-K01）触点为断开状态，牵引蓄电池自身可形成供电回路，未与车体接地，因此线缆破损处未与车体产生放电现象。

在切换为第三轨供电模式时，接触网/第三轨供电模式接触器（=11-K01）触点闭合，使集电靴1 500 V正极回路在对牵引蓄电池充电的同时，牵引蓄电池负极与工程车轴端接地形成回流，如图5所示。此时，牵引蓄电池通过线缆破损处与车体产生放电现象，电压迅速下降导致出现蓄电池单体欠压及差动电流异常故障。

4 结语

本文通过以上分析，确认本次故障的原因为BMS采集线ZD420417绝缘层破损，在第三轨供电模式下，线芯对蓄电池箱箱体放电，瞬间产生的电弧将附近线缆和支架烧毁。在电力蓄电池工程车的日常维护保养过程中，工作人员应重点检查BMS采集线线缆安装及绝缘情况，发生此类故障后，在确保非蓄电池自身故障或现场故障范围未进一步扩大时，可断开牵引蓄电池隔离开关后，根据线路条件采用接触网或第三轨供电模式返回地铁车辆段内做进一步处理。

[参考文献]

[1] 孙凤霞，赵东波.电力蓄电池工程车牵引蓄电池充电控制[J].铁道技术监督，2017，45（8）：44-47.

[2] 扶巧梅，邓晓博.一种应用于电力蓄电池工程车的电池管理系统（BMS）介绍[J].技术与市场，2017，24（9）：76-77.

收稿日期：2020-08-13

作者简介：林钦海（1991—），男，广东广州人，助理工程师，研究方向：城轨车辆维保。