基于失效率變化量的燃料電池轎車可靠性分配優(yōu)化*

陳 鐵，鄭松林，2，劉新田，馮金芝，2

(1．上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 200093;2．機械工業(yè)汽車底盤機械零部件強度與可靠性評價重點實驗室，上海 200093)

前言

從世界汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)動向來看，燃料電池轎車正處于加速和突破發(fā)展階段，各大汽車公司都在加快整車關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，以爭取未來市場競爭的主動權(quán)［1］。目前，我國燃料電池轎車仍處于技術(shù)驗證和特定試驗考核階段，動力系統(tǒng)可靠性不高是制約其產(chǎn)業(yè)化的主要因素之一［2－3］。為了改善燃料電池轎車整車可靠性分配不合理的問題，研究整車可靠性指標(biāo)分配優(yōu)化尤為必要。

系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配優(yōu)化方法通常是以總費用最小為約束［4］，并運用模糊綜合評判法［5－6］或模糊層次分析法［7－8］進行系統(tǒng)可靠性分配，但是，上述方法可能會由于評價因素過多、過雜而弱化產(chǎn)品可靠性歷史數(shù)據(jù)提供的客觀信息。

為了改進現(xiàn)有可靠性分配方法的不足，本文中通過分析燃料電池轎車整車可靠性統(tǒng)計特性，提出了基于失效率變化量的可靠性分配層次分析法，評價各影響因素對燃料電池轎車整車失效率變化量的貢獻，為實現(xiàn)整車可靠性優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 燃料電池轎車可靠性統(tǒng)計分析

1．1 故障等級分類

為便于進行可靠性統(tǒng)計分析，根據(jù)燃料電池轎車故障危害程度的不同，可將故障劃分為4個等級［9］。燃料電池轎車故障分級評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 燃料電池轎車故障分級

1．2 故障統(tǒng)計特性分析

本文中以28輛燃料電池轎車的用戶道路試驗數(shù)據(jù)為樣本，進行可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。該樣本的累計行駛里程為833 102．84km，單車最大里程為34 358．70km，最小里程為 21 742．70km，平均值為29 753．67km。各樣車的行駛里程如圖1所示，故障統(tǒng)計見表2。

表2 燃料電池轎車故障統(tǒng)計結(jié)果

由表2可知，本次試驗的燃料電池轎車故障主要發(fā)生在燃料電池發(fā)動機FCE(fuel cell engine)、電池及管理系統(tǒng)BMS(battery＆management system)、電器EA(electrical appliance)以及電驅(qū)動系統(tǒng)EDS(electric drive system)這4大系統(tǒng)，傳統(tǒng)車體均未發(fā)生故障。28輛樣車共發(fā)生242例故障，各級故障所占比例分別為9%、28%、34%和29%，其中1級和2級故障屬于高級別故障，與傳統(tǒng)轎車相比，它們占的比例過大，出現(xiàn)此類現(xiàn)象的原因有3種:(1)故障收集不全面;(2)劃分的故障級別偏高;(3)該燃料電池轎車可靠性水平偏低。由于本次用戶道路試驗的故障數(shù)據(jù)收集全面，而且故障等級劃分合理，所以，此處的原因為第3種。

1．3 平均故障間隔里程和失效率

平均故障間隔里程MTBF，反映的是汽車平均無故障行駛的里程，是汽車可靠性評價的重要指標(biāo)，其計算公式如下:

式中:MTBFk為第k個子系統(tǒng)的平均故障間隔里程;T為累計行駛里程;rk為第k個子系統(tǒng)的故障數(shù)。

根據(jù)式(1)，結(jié)合表2統(tǒng)計結(jié)果，該車型整車MTBF 值為3 442．57km。

假設(shè)燃料電池轎車整車及各子系統(tǒng)的壽命服從指數(shù)分布，則根據(jù)式(2)可計算各子系統(tǒng)失效率大小，結(jié)果如表3所示。

表3 燃料電池轎車子系統(tǒng)失效率10－5km－1

2 基于失效率變化量的可靠性分配層次分析法

本文中提出的可靠性分配方法不再是直接分配可靠性指標(biāo)值，而是在充分考慮可靠性歷史數(shù)據(jù)的前提下，確定系統(tǒng)失效率變化量，將其定量地分配給各子系統(tǒng)，并與原失效率疊加得到可靠性指標(biāo)優(yōu)化分配結(jié)果。

2．1 失效率變化量

2．2 可靠性分配層次結(jié)構(gòu)模型

在確定了系統(tǒng)失效率變化量之后，運用層次結(jié)構(gòu)分析法，建立可靠性分配層次結(jié)構(gòu)模型。目標(biāo)層A為系統(tǒng)失效率變化量;準(zhǔn)則層C為影響系統(tǒng)失效率變化量的因素，包括重要程度U1、復(fù)雜程度U2、設(shè)計水平U3、制造水平U4、工作時間比U5和成本預(yù)算U6;對象層P為系統(tǒng)的組成單元或子系統(tǒng)。圖2為以燃料電池轎車為對象建立的可靠性分配層次結(jié)構(gòu)模型。

2．3 構(gòu)造判斷矩陣

運用文獻［11］中提出的1～9標(biāo)度法，由專家對準(zhǔn)則層中的影響因素進行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣F。該矩陣的元素fij表示因素i與因素j比較的評分值，且fij×fji=1，評價方法如表4所示。

表4 文獻［11］中提出的1～9標(biāo)度法

采用行和歸一化法［12］對判斷矩陣F的最大特征根 λmax及對應(yīng)的特征向量 W=(w1，w2，…，wn)進行求解，所得的特征向量即為準(zhǔn)則層對目標(biāo)層影響程度的權(quán)向量。

鑒于所構(gòu)造的判斷矩陣F可能會因為專家的意見分歧，或者判斷矩陣賦值的非等比性，造成判斷矩陣難以滿足嚴(yán)格的一致性要求，因此須進行一致性檢驗。

式中:CI為一致性指標(biāo);n為判斷矩陣F的階數(shù);RI為隨機一致性指標(biāo)，可查表5得到;CR為一致性比率，當(dāng)CR＜0．1時，則判斷矩陣滿足一致性要求。

表5 隨機一致性指標(biāo)RI

2．4 建立組合評分向量

為評價準(zhǔn)則層各影響因素對于對象層各子系統(tǒng)失效率變化量的影響，建立子系統(tǒng)失效率變化量評價準(zhǔn)則，如表6所示。然后，建立9級評分表對影響的程度進行劃分并賦值，如表7所示。

表6 子系統(tǒng)失效率變化量評價準(zhǔn)則

表7 失效率變化量影響程度分值表

2．5 計算層次結(jié)構(gòu)綜合權(quán)向量

將得到的判斷矩陣權(quán)向量W與組合評分向量R相乘，即得層次結(jié)構(gòu)綜合權(quán)向量C，它表示各子系統(tǒng)在影響因素綜合評價下失效率變化量的相對權(quán)重。

2．6 分配失效率變化量

3 燃料電池轎車可靠性分配優(yōu)化

3．1 燃料電池轎車可靠性分配

根據(jù)專家意見對建立的燃料電池轎車可靠性分配層次結(jié)構(gòu)模型(圖2)構(gòu)造判斷矩陣F。

計算判斷矩陣F的最大特征根λmax=6.0693，及其對應(yīng)的特征向量(權(quán)向量)W=(0.3668，0.083，0.2332，0.1286，0.0597，0.1286)。再根據(jù)式(5)和式(6)進行一致性檢驗，CR=0.0112＜0.1，說明判斷矩陣F滿足一致性要求。由權(quán)向量可知，燃料電池轎車整車可靠性影響因素的權(quán)重關(guān)系:重要程度＞設(shè)計水平＞制造水平=成本預(yù)算＞復(fù)雜程度＞工作時間比。

根據(jù)表6和表7，建立各影響因素的評分向量，構(gòu)造出組合評分向量R。

根據(jù)式(7)計算層次結(jié)構(gòu)綜合權(quán)向量C。

對層次結(jié)構(gòu)綜合權(quán)向量C進行歸一化，得到分配系數(shù)M。

根據(jù)式(8)分別求取燃料電池轎車各子系統(tǒng)的失效率。

3.2 燃料電池轎車可靠性分配結(jié)果分析

燃料電池轎車整車可靠性優(yōu)化分配須保證各子系統(tǒng)失效率之和不大于失效率指標(biāo)值，即

經(jīng)計算可知，本文中提出的可靠性優(yōu)化分配方法能滿足要求。燃料電池轎車各子系統(tǒng)失效率分配結(jié)果對比如圖3所示。經(jīng)分配，F(xiàn)CE、BMS、EA和EDS這4個子系統(tǒng)的失效率分別下降了23.25%、38.41%、27.01%和19.59%。

結(jié)合燃料電池轎車用戶道路試驗的典型故障模式和故障原因，分析可靠性分配結(jié)果的合理性，再根據(jù)技術(shù)改進的難易程度，論證可靠性改進設(shè)計的可行性，分析結(jié)果如表8所示。

對易于消除的故障可以優(yōu)先考慮，如EDS的電機控制器“12V欠壓(11V)”故障，可能是因為整車長時間運行缺乏充電，或由于預(yù)充電回路沒有切除造成，在實際使用過程中，加以注意即可有效降低EDS失效率。對于FCE“單電池電壓低于下限值”故障而言，在裝配過程中保證膜電極受力均勻、不變形損壞，在使用時注意水泵和增濕器的工作溫度警告，都可減少此類故障的發(fā)生，降低FCE失效率。

表8 燃料電池轎車可靠性分配結(jié)果分析

對于技術(shù)改進為中等難度的系統(tǒng)而言，在設(shè)計、制造和使用方面應(yīng)引起重視。如FCE的“氣泵、水泵故障”，一方面是由于泵體內(nèi)傳動短軸有初始缺陷，或者裝配質(zhì)量不嚴(yán)導(dǎo)致;另一方面是由于使用過程中密封件磨損、濾清器堵塞、調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)不當(dāng)引起。BMS中“SOC過高、過低”故障，主要是因為SOC預(yù)估算法和硬件電路設(shè)計不完善，提高SOC算法的控制精度和硬件設(shè)計水平，可降低BMS失效率。EA的“傳感器故障”和“CAN通信故障”，可以通過嚴(yán)格控制傳感器的供應(yīng)質(zhì)量，為控制電路增加抗電磁干擾設(shè)計來降低EA失效。

對于FCE的“電流短路危險”而言，其危害程度很高，技術(shù)改進的難度也很大。主要是因為燃料電池雙極板防腐蝕性能和質(zhì)子交換膜耐高溫性能較差導(dǎo)致，研究出高性能的燃料電池材料是改善FCE可靠性和耐久性的關(guān)鍵。另外，F(xiàn)CE作為燃料電池轎車的核心部件，它的故障與其它子系統(tǒng)的故障存在關(guān)聯(lián)性，提高FCE的可靠性，其余子系統(tǒng)的可靠性也會隨之提高。

4 結(jié)論

(1)提出了基于失效率變化量的可靠性優(yōu)化分配方法，有效利用了可靠性歷史數(shù)據(jù)提供的客觀信息，可推廣到其他機電耦合系統(tǒng)的可靠性分配中。

(2)運用層次分析法綜合評價了影響燃料電池轎車可靠性的6大因素，相對模糊方法計算簡便，有工程實用價值。

(3)論證了可靠性分配結(jié)果的有效性和可行性，為整車及關(guān)鍵零部件的可靠性改進設(shè)計和輕量化開發(fā)提供了理論依據(jù)，也為制定可靠性增長目標(biāo)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

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