插電式混合動(dòng)力汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性分析

柳熾偉，景玉軍，王升平，郭美華

(中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東中山 528404)

0 引言

在環(huán)保要求及國(guó)家政策大力推動(dòng)下，純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力汽車已成為公交車更新選用的最主要兩種電動(dòng)車型。在電動(dòng)汽車的使用過程中發(fā)現(xiàn)，涉及電機(jī)及控制器、動(dòng)力混合傳動(dòng)裝置、電池與電源管理等新技術(shù)系統(tǒng)的故障比例較高，尤其是插電式混合動(dòng)力汽車，兼具內(nèi)燃機(jī)與電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)與技術(shù)更復(fù)雜。本文作者對(duì)車輛使用故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，掌握電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的故障規(guī)律，建立其使用可靠性模型，進(jìn)行可靠性分配設(shè)計(jì)和可靠性提升策略分析，對(duì)提高車輛的固有可靠性和使用可靠性均具有十分積極的意義。

1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

1.1 數(shù)據(jù)采集

文中按定時(shí)截尾方式，隨機(jī)抽取20輛某公交公司同批次型號(hào)為“×××6106AGHEV15”的LNG插電式混合動(dòng)力客車，采集其從2015年4月開始投入使用到2017年7月止共820天916個(gè)維修記錄數(shù)據(jù)，并進(jìn)行整理分析。數(shù)據(jù)采集的原則依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《汽車整車產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定方法》[1]，對(duì)同一時(shí)間不同零件、不同模式故障分別統(tǒng)計(jì)，人為或返修的故障不重復(fù)統(tǒng)計(jì)。

1.2 系統(tǒng)故障構(gòu)成分析

該批LNG插電式混合動(dòng)力客車是并聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)，通過離合器控制發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力接入。文中主要研究區(qū)別于傳統(tǒng)公交車的混合電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(不含發(fā)動(dòng)機(jī))等新技術(shù)裝置的可靠性，主要包括：(1)混合動(dòng)力控制系統(tǒng)(Hybrid Power Control System,HCM)；(2)自動(dòng)變速器本體(Automatic Manual Transmission,AMT)及控制器(Transmission Control Unit,TCU)；(3)電機(jī)及控制器(Motor Control Unit,MCU)；(4)動(dòng)力電池組及管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)；(5)電機(jī)系統(tǒng)冷卻裝置等5個(gè)子系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸入與否是由HCM指令TCU，控制電動(dòng)離合器執(zhí)行器(ECA)動(dòng)作來(lái)執(zhí)行，出現(xiàn)故障時(shí)通過HCM系統(tǒng)警告。為便于統(tǒng)計(jì)，將其故障納入HCM系統(tǒng)。電機(jī)及其控制器的冷卻裝置涉及到機(jī)、電、液等工作狀況，可作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行分析。LNG發(fā)動(dòng)機(jī)、主驅(qū)動(dòng)橋等動(dòng)力或傳動(dòng)裝置與傳統(tǒng)車型無(wú)大的差異，文中不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在所有916個(gè)數(shù)據(jù)中篩選出與插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)(Plug in Hybrid Power System, PHPS)相關(guān)故障記錄350個(gè)(不含發(fā)動(dòng)機(jī))，占比38.21%；發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)故障139個(gè)，占比15.17%；其他故障423個(gè)，占比46.62%。進(jìn)一步分析PHPS故障數(shù)據(jù)，得到上述5個(gè)子系統(tǒng)的故障頻次權(quán)重如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)中各子系統(tǒng)故障權(quán)重

2 可靠性建模

根據(jù)PHPS可靠性邏輯結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，其可靠性模型是競(jìng)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)模型(串聯(lián)模型)，要確定PHPS可靠性應(yīng)先建立各個(gè)子系統(tǒng)的可靠性模型。為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)單元(指系統(tǒng)、子系統(tǒng)或元件)只有正常或故障兩種狀態(tài)，而且各單元是獨(dú)立的，出現(xiàn)故障互不影響。

2.1 確定子系統(tǒng)故障分布類型

考慮到可維修系統(tǒng)的故障間隔時(shí)間比首次故障時(shí)間模型更具實(shí)際意義，文中統(tǒng)計(jì)了5個(gè)子系統(tǒng)的故障間隔時(shí)間，采用Johnson中位秩法估計(jì)經(jīng)驗(yàn)概率值，利用MATLAB軟件Wblplot函數(shù)適配相應(yīng)的概率圖。因各系統(tǒng)WPP圖形狀基本都接近直線，符合威布爾分布。

2.2 模型參數(shù)估計(jì)

三參數(shù)威布爾分布的故障概率密度和可靠性模型分別如式(1)、(2)所示：

f(x)=[β(x-γ)β-1/ηβ]exp[-(x-γ)β/ηβ]x≥γ

(1)

R(t)=exp[-(t-γ)β/ηβ]

(2)

式中：β為形狀參數(shù)，決定概率密度曲線的基本形狀；η為尺度參數(shù)，表征分布的離散程度；γ為位置參數(shù)，決定曲線與坐標(biāo)軸的相對(duì)位置。

參數(shù)估計(jì)方法常見的類型有圖形法和解析法。圖形法較簡(jiǎn)單，以往工程應(yīng)用較多，但相對(duì)精度不高。解析法包括矩法、最小二乘法、線性回歸法、極大似然法等，極大似然法對(duì)完整數(shù)據(jù)或截尾數(shù)據(jù)都是適用的。

由于PHPS樣本已知各子系統(tǒng)故障首次發(fā)生時(shí)間，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可將時(shí)間坐標(biāo)平移，轉(zhuǎn)化為兩參數(shù)模型進(jìn)行計(jì)算，再應(yīng)用MATLAB中的Wblfit函數(shù)，可較方便地計(jì)算出模型參數(shù)。

2.3 擬合優(yōu)度檢驗(yàn)

K-S檢驗(yàn)法是檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)與所擬合(假設(shè))的理論分布函數(shù)之間的最大偏差是否在臨界值內(nèi)。在MATLAB中，利用Kstest函數(shù)進(jìn)行K-S檢驗(yàn)。該函數(shù)中有內(nèi)置的臨界值表，對(duì)應(yīng)于5種不同的顯著性水平。Kstest函數(shù)把計(jì)算出的檢驗(yàn)p值與用戶指定的顯著性水平α(默認(rèn)值0.05)作比較，對(duì)于雙側(cè)檢驗(yàn)，當(dāng)p≤α/2時(shí)，拒絕原假設(shè)。

通過以上步驟的分析計(jì)算，可得到PHPS的5個(gè)子系統(tǒng)的可靠性分布類型、模型參數(shù)、擬合度檢驗(yàn)的p值等數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)K-S檢驗(yàn)，各子系統(tǒng)檢驗(yàn)值h=0，p>α/2，故障的威布爾分布模型假設(shè)成立。

表1 PHPS及子系統(tǒng)可靠性模型參數(shù)及檢驗(yàn)p值

2.4 建立PHPS串聯(lián)系統(tǒng)模型

對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)可靠性分析，常常分別建立各個(gè)子系統(tǒng)的可靠性模型后，再依據(jù)其邏輯關(guān)系構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)的可靠性模型。文中PHPS由5個(gè)子系統(tǒng)組成，其中任何一個(gè)系統(tǒng)失效，都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，即其邏輯關(guān)系為串聯(lián)系統(tǒng)。

設(shè)n為系統(tǒng)(或單元、癥狀)個(gè)數(shù)，且PHPS 5個(gè)子系統(tǒng)均為威布爾分布，它們串聯(lián)組成的系統(tǒng)一般也符合威布爾分布，PHPS的串聯(lián)可靠度和故障率模型為

(3)

(4)

依式(3)，選取200天時(shí)間范圍內(nèi)均分的25個(gè)時(shí)間點(diǎn)，分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的可靠度值，利用最小二乘法擬合威布爾分布的模型參數(shù)[2-3]，可得β=0.845 7，η=20.979 2，γ=0，則PHPS的可靠度競(jìng)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)模型為

Rs(t)=exp[-(t/20.979 2)0.845 7]

(5)

3 可靠性分析

3.1 故障率曲線分析

分析故障率發(fā)展規(guī)律，對(duì)各子系統(tǒng)維修方式的決策、維修周期優(yōu)化以及可靠性保障策略研究均有重要意義。威布爾分布的故障率模型如下：

λ(t)=β(t-γ)β-1/ηβ

(6)

將表1中5個(gè)子系統(tǒng)的參數(shù)值代入式(6)，可得到各子系統(tǒng)的故障率函數(shù)，分別作出其故障率曲線圖進(jìn)行分析。5個(gè)子系統(tǒng)的故障率曲線圖分為兩種類型，一類形狀如圖2所示(子系統(tǒng)1)。在最初行駛的兩個(gè)月時(shí)間故障率由高到低快速下降，然后進(jìn)入一個(gè)相對(duì)緩慢下降的階段，類似于“浴盆曲線”的前半段。子系統(tǒng)2、3、4的故障率曲線形狀都與子系統(tǒng)1相似，它們的形狀參數(shù)均小于1，呈遞減的趨勢(shì)，故障率從快速下降進(jìn)入緩慢下降的時(shí)間域則不相同。

圖2 子系統(tǒng)1故障率曲線

另一類型如圖3所示(子系統(tǒng)5)，故障率在車輛行駛初期急速上升，然后進(jìn)入一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)上升的階段。對(duì)于第一種類型的子系統(tǒng)，一般在使用中不需要進(jìn)行預(yù)防性維修，以免更新后使系統(tǒng)故障率更高。子系統(tǒng)5則可通過合適的預(yù)防性維修，提高系統(tǒng)的使用可靠性，延長(zhǎng)系統(tǒng)故障間隔時(shí)間。

圖3 子系統(tǒng)5故障率曲線

3.2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性分配

系統(tǒng)可靠性分配的方法有很多，常見的如等同分配法、相對(duì)失效率分配法、加權(quán)修正法、綜合評(píng)分法等[4-5]。等同分配法只注重使各零件使用壽命有相近的使用經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，忽略了各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、改進(jìn)成本、重要度、失效率等因素的影響。通過知網(wǎng)等查詢可知，當(dāng)前各種因素對(duì)新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性的實(shí)際影響程度缺乏參考數(shù)據(jù)，采用綜合評(píng)分法、加權(quán)修正法等過分依賴主觀判斷，因此根據(jù)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障規(guī)律，采用相對(duì)失效率分配法進(jìn)行可靠性分析更符合工程實(shí)際。

注意到許多故障率分配研究對(duì)象均符合指數(shù)分布(故障率不變)[4-5]，而由PHPS系統(tǒng)威布爾分布模型β<1可知系統(tǒng)故障率是變化的，應(yīng)保證走合期及每個(gè)維護(hù)周期[一級(jí)維護(hù)周期約20天/(5 000 km)]末的可靠性和安全性達(dá)到0.9[5]，并進(jìn)一步確定子系統(tǒng)的容許故障率和可靠度分配值。計(jì)算步驟如下：

(1)將表1的相應(yīng)參數(shù)值分別代入式(2)、式(4)，可計(jì)算出t=20天時(shí)子系統(tǒng)實(shí)際可靠度R1i及系統(tǒng)實(shí)際可靠度R1s。

(2)可靠度與故障率存在以下關(guān)系：

R(t)=exp(-λtβ)

(7)

各子系統(tǒng)模型參數(shù)分別代入式(6)，可以求得t=20天時(shí)子系統(tǒng)實(shí)際瞬時(shí)故障率λ1i、系統(tǒng)實(shí)際瞬時(shí)故障率λ1s以及Rs=0.9時(shí)目標(biāo)故障率λ2s。

(3)各子系統(tǒng)的實(shí)際故障率權(quán)重為

(8)

則各子系統(tǒng)目標(biāo)容許故障率為

λ2i=wiλ2s

(9)

按上述步驟，計(jì)算出各PHPS子系統(tǒng)的目標(biāo)可靠度分配值見表2。

表2 PHPS實(shí)際可靠性指標(biāo)及目標(biāo)可靠性指標(biāo)分配值

由表可見PHPS可靠度較低，如果要從現(xiàn)有的0.378 0提升到0.9，改進(jìn)的幅度較大。例如可靠性影響權(quán)重最大的子系統(tǒng)1的可靠度要達(dá)到目標(biāo)值0.971 2，則故障率要從原來(lái)的0.014 9次/天下降到0.003 1次/天。

3.3 PHPS的故障原因分析

對(duì)主要故障進(jìn)行分析，確定其故障因素的權(quán)重和排序，對(duì)電動(dòng)車可靠性設(shè)計(jì)、診斷專家系統(tǒng)的推理機(jī)優(yōu)化等具有現(xiàn)實(shí)意義[6]。插電式混合動(dòng)力公交車PHPS常見故障現(xiàn)象有混合動(dòng)力系統(tǒng)失效報(bào)警、不能起動(dòng)、不能行駛、不升擋(或遲滯)、換擋沖擊大、跳擋、電池高溫或過壓報(bào)警、電機(jī)高溫報(bào)警等。涉及到的5個(gè)子系統(tǒng)的故障部位或維修措施情況可參見表3，其中權(quán)重依下式計(jì)算：

(10)

式中：qij指第i個(gè)子系統(tǒng)第j個(gè)故障原因的發(fā)生頻次權(quán)重；qis指第i個(gè)子系統(tǒng)在PHPS系統(tǒng)中的故障頻次權(quán)重，參考圖1所示；Qij指第i個(gè)子單元第j個(gè)故障原因的故障頻次；n指第i個(gè)子系統(tǒng)具有的故障原因總數(shù)。

表3 PHPS子系統(tǒng)故障原因及權(quán)重

注：表中故障原因后面的數(shù)值是該故障在所有PHPS故障中所占權(quán)值。

由表可見降低離合器及選換擋的故障率是提升PHPS可靠性的關(guān)鍵因素：一方面新車型需要在實(shí)際使用環(huán)境中進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，及時(shí)反饋設(shè)計(jì)部門完善相應(yīng)的控制程序；另一方面，應(yīng)加強(qiáng)控制系統(tǒng)和CAN總線等抗電磁干擾的保護(hù)設(shè)計(jì)，減少控制器及其信號(hào)受干擾的影響；此外離合器位置傳感器等感應(yīng)器的穩(wěn)定性、抗干擾性、可靠性等性能要積極改進(jìn)。在子系統(tǒng)3中，電機(jī)的控制器和逆變器故障率相對(duì)較高。大功率電子器件工作時(shí)容易出現(xiàn)過流過壓過熱等問題，控制器內(nèi)含高低壓組成的系統(tǒng)，傳導(dǎo)、輻射等干擾類型和耦合路徑多，應(yīng)充分提高M(jìn)OSFET或IGBT、電容等元件的可靠性，完善散熱系統(tǒng)、各模塊保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方案。在子系統(tǒng)4的故障中，更換電池濾芯占了51%，說明插電式混合動(dòng)力汽車的維護(hù)策略和計(jì)劃應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化并落實(shí)執(zhí)行。涉及到單體電池電壓過低(過壓報(bào)警)或SOC(State of Charge)過高過低的報(bào)警故障，可通過提高SOC預(yù)估算法的控制精度以及硬件設(shè)計(jì)水平來(lái)提升。

4 結(jié)論

利用插電式混合動(dòng)力公交車輛的歷史維修數(shù)據(jù)，可建立基于威布爾分布的PHPS各子系統(tǒng)的故障模型，以及系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)模型，以掌握系統(tǒng)故障率發(fā)展的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)汽車可靠度指標(biāo)要求，提出了基于相對(duì)失效率的變故障率電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性分配設(shè)計(jì)方法，比較方便合理地對(duì)PHPS進(jìn)行可靠性分配設(shè)計(jì)。

通過對(duì)子系統(tǒng)各個(gè)故障原因或部位的統(tǒng)計(jì)分析，確定其權(quán)重排序，找到了提升系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵部位和因素，提出初步的解決措施。文中可靠性分配的研究方法和結(jié)果，為新能源汽車的可靠性設(shè)計(jì)及使用可靠性的保障提供了借鑒和依據(jù)。