純電動(dòng)商用車動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)開(kāi)發(fā)①

徐宏杰，曹 靜，宋 珂

(同濟(jì)大學(xué),上海 201804)

0 引 言

近年來(lái)，隨著人們對(duì)綠色環(huán)保需求的日益增加，動(dòng)力電池逐漸取代了內(nèi)燃機(jī)成為了新一代交通工具的動(dòng)力核心。特別是在污染和排放問(wèn)題更嚴(yán)重的商用車領(lǐng)域，電動(dòng)化是解決這些問(wèn)題最為有效的手段。在商用車電動(dòng)化的大背景下，動(dòng)力電池系統(tǒng)的可靠性是關(guān)系著商用整車的性能和安全的關(guān)鍵因素。動(dòng)力電池系統(tǒng)是一個(gè)包含化學(xué)，電學(xué)，熱力學(xué)等多種變化的復(fù)雜系統(tǒng)。對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析，需要了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)故障機(jī)理，理清故障發(fā)生的邏輯順序，從而能夠采取有效措施避免故障發(fā)生，提高系統(tǒng)的可靠性。本文通過(guò)分析動(dòng)力電池系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，研究了動(dòng)力電池常見(jiàn)故障和故障產(chǎn)生原因，并通過(guò)文獻(xiàn)查閱對(duì)動(dòng)力電池傳統(tǒng)靜態(tài)故障樹(shù)分析法進(jìn)行了分析總結(jié)。并且針對(duì)電池系統(tǒng)的復(fù)雜性引入了動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析方法，介紹了該方法的特點(diǎn)以及優(yōu)勢(shì)，并針對(duì)電池中相對(duì)復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)建立了動(dòng)態(tài)故障樹(shù)模型，為電池系統(tǒng)中的復(fù)雜動(dòng)態(tài)故障診斷分析提供了新思路。

1 動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

動(dòng)力電池系統(tǒng)主要包含電池模組、電池管理系統(tǒng)(BMS)、熱管理系統(tǒng)、電氣及機(jī)械組件四大部分。電池模組是由電池單體經(jīng)過(guò)串并聯(lián)組合而成的電量存儲(chǔ)體。電池管理系統(tǒng)BMS是對(duì)電池性能和健康狀況進(jìn)行監(jiān)控和性能管理的重要部件，其中包含傳感器，執(zhí)行器，主控芯片等，對(duì)電池的電壓，電流溫度和外殼絕緣等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)檢測(cè)到的故障做出及時(shí)處理。熱管理系統(tǒng)不同于BMS系統(tǒng)，主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制，一般是對(duì)電池進(jìn)行冷卻，所以也稱為冷卻系統(tǒng)。從形式上看，冷卻系統(tǒng)有風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻等幾種冷卻形式，不同的冷卻方式在動(dòng)力電池系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)布置上也有所不同。電氣及機(jī)械組件包含電池箱體，高低壓連接線束，機(jī)械接插件和一些輔助密封材料等。

2 動(dòng)力電池故障分類及產(chǎn)生原因

電池系統(tǒng)是一個(gè)龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)，存在各種各樣的故障，因此需要對(duì)電池系統(tǒng)故障類型進(jìn)行總結(jié)。根據(jù)大量電池系統(tǒng)故障經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以將電池系統(tǒng)的故障分成以下三個(gè)大類：性能故障，熱異常故障，BMS故障。電池良好的性能是保證整車動(dòng)力系統(tǒng)正常工作的前提。電池的性能參數(shù)包含電壓，電池內(nèi)阻，電池容量和SOC等。從實(shí)際使用中來(lái)看，性能故障包含電壓故障，容量故障，絕緣故障。產(chǎn)生這些故障的原因主要有內(nèi)外兩個(gè)方面。內(nèi)部原因主要是電池單體內(nèi)部老化衰減和電池成組過(guò)程中的線路腐蝕，外部原因主要是考慮電池使用過(guò)程的操作不當(dāng)引起的，如充電不足，過(guò)充、過(guò)放等異常的充放電。熱異常故障是指電池系統(tǒng)溫度出現(xiàn)異常，通常指過(guò)熱，這會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)工作故障，甚至引發(fā)火災(zāi)。熱異常的產(chǎn)生一般是三個(gè)方面：1)電池冷卻系統(tǒng)的異常 電池冷卻系統(tǒng)的種類不同，具體產(chǎn)生故障的原因也有所不同。2)電池包的發(fā)熱異常 電池包產(chǎn)生太多熱量導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)無(wú)法對(duì)電池包進(jìn)行降溫。發(fā)熱異?？梢詮膯误w和電池包整體來(lái)看。漏液、內(nèi)部短路、過(guò)充過(guò)放都會(huì)引起單體的發(fā)熱異常。電池包的發(fā)熱異常通常是電池包過(guò)大，過(guò)重，以及殘次品的原因?qū)е碌摹?)設(shè)計(jì)缺陷 主要是指電池的散熱能力和電池的產(chǎn)熱不匹配，通常是在電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中就會(huì)考慮的一項(xiàng)故障問(wèn)題。BMS故障指的是電池管理系統(tǒng)產(chǎn)生故障。BMS系統(tǒng)是電池使用過(guò)程中保證安全，保證電池正常工作最為重要的部件。BMS故障可以概括為通信故障，傳感器故障，執(zhí)行器異常三類。

3 動(dòng)力電池靜態(tài)故障樹(shù)

故障樹(shù)分析法(Fault Tree Analysis, FTA)，是通過(guò)分析系統(tǒng)產(chǎn)生故障的各種因素，繪制系統(tǒng)故障發(fā)生的邏輯圖，從而確定造成系統(tǒng)故障原因的可能組合和發(fā)生概率的方法[1]。它對(duì)于提高系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)以及分析有很大的幫助，且具有直觀性、層次性、系統(tǒng)性等特點(diǎn)，是目前對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分析發(fā)展最為完善，應(yīng)用最為廣泛的分析方法。傳統(tǒng)故障樹(shù)分析法是不考慮系統(tǒng)特性隨時(shí)間變化的靜態(tài)系統(tǒng)分析方法，所以也稱為靜態(tài)故障樹(shù)或者標(biāo)準(zhǔn)故障樹(shù)(Standard Fault Tree, SFT)[2，3]。而動(dòng)態(tài)故障樹(shù)是(Dynamic Fault Tree, DFT)充分考慮了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，滿足了現(xiàn)代實(shí)際工程系統(tǒng)的先進(jìn)分析方法。

故障樹(shù)是一種樹(shù)狀圖展示的邏輯演繹法，由一些基本的圖形符號(hào)根據(jù)不同的邏輯關(guān)系組合而成的故障樹(shù)模型。故障樹(shù)符號(hào)可以分為事件符號(hào)，邏輯門(mén)符號(hào)和其他轉(zhuǎn)移符號(hào)等組成。其中邏輯門(mén)的輸入事件是邏輯門(mén)輸出事件的“因”，輸出事件是邏輯門(mén)輸入事件的“果”。靜態(tài)故障樹(shù)的常見(jiàn)符號(hào)如下表1所示[4]

許多文獻(xiàn)都對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)靜態(tài)故障樹(shù)的繪制方法進(jìn)行了介紹。如文獻(xiàn)[5]針對(duì)專用特種車所使用的動(dòng)力型VRLA電池包建立了靜態(tài)故障樹(shù)。文獻(xiàn)[6]是針對(duì)鋰電池PACK生產(chǎn)監(jiān)理進(jìn)行故障樹(shù)分析，面向的是電池PACK的生產(chǎn)監(jiān)理過(guò)程存在的故障問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]針對(duì)電動(dòng)觀光車動(dòng)力系統(tǒng)故障維修建立了蓄電池系統(tǒng)靜態(tài)故障樹(shù)，為電池故障維修的診斷排查提供幫助。通過(guò)常見(jiàn)故障的分析和文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，以純電動(dòng)商用車鋰離子動(dòng)力電池為例，將動(dòng)力電池系統(tǒng)故障作為頂事件，可以繪制得到動(dòng)力電池系統(tǒng)故障樹(shù)圖1所示。

表1靜態(tài)故障樹(shù)常見(jiàn)符號(hào)

4 動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法

由于靜態(tài)故障樹(shù)建模的局限性，所以引入了動(dòng)態(tài)邏輯門(mén)來(lái)體現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中零部件存在的失效優(yōu)先性、順序相關(guān)性和功能相關(guān)性等動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)邏輯門(mén)也是動(dòng)態(tài)故障樹(shù)區(qū)別于靜態(tài)故障樹(shù)的地方，動(dòng)態(tài)邏輯門(mén)符號(hào)如下表2所示

動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法最早由Dugan[8,9]提出，除了引入動(dòng)態(tài)邏輯門(mén)對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行描述以外，通過(guò)馬爾科夫鏈對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定性和定量的動(dòng)態(tài)分析。在后續(xù)研究中，眾多學(xué)者逐漸引用此方法進(jìn)行系統(tǒng)可靠性的分析。如文獻(xiàn)[10]將動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法運(yùn)用在了衛(wèi)星電源系統(tǒng)的可靠性分析中，并得到了電源系統(tǒng)發(fā)生故障的概率。文獻(xiàn)[11]運(yùn)用動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法對(duì)HXD3型機(jī)車蓄電池充電裝置的可靠性進(jìn)行了定量和定性的分析。在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)發(fā)展，又出現(xiàn)一系列針對(duì)特定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析方法。如在文獻(xiàn)[12]中，提出基于BDD的動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法，是通過(guò)二元決策樹(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)進(jìn)行定性和定量分析的方法。再如文獻(xiàn)[13]考慮了系統(tǒng)零部件失效參數(shù)的不確定性，提出了基于模糊馬爾科夫的動(dòng)態(tài)樹(shù)分析方法，以及基于離散貝葉斯網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)可靠性評(píng)估模型和模糊數(shù)據(jù)下的基于連續(xù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)可靠性分析法，并運(yùn)用在實(shí)例分析中。此外還提出了基于共因失效的動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法應(yīng)用在了甬溫線高鐵事故故障分析，證明了該方法的有效性。動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法概念較為新穎，目前在動(dòng)力電池故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用較少。動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用動(dòng)態(tài)故障樹(shù)建模能夠有效提高故障診斷分析的準(zhǔn)確性。因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)是動(dòng)力電池系統(tǒng)中的重要組成部分，且某些部件含有動(dòng)態(tài)特性，適用于動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法，故本文將建立動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)。

5 冷卻系統(tǒng)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)建模

冷卻系統(tǒng)是動(dòng)力電池中非常重要的一部分。圖示2為某純電動(dòng)客車強(qiáng)制風(fēng)冷卻系統(tǒng)。該冷卻系統(tǒng)的工作原理如下：當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到電池堆溫度過(guò)熱時(shí)，BMS主控制器發(fā)出信號(hào)，通過(guò)CAN通信發(fā)送給從控芯片，從控芯片接受信號(hào)并發(fā)出風(fēng)扇啟動(dòng)指令，經(jīng)過(guò)從控主板內(nèi)部光耦隔離芯片隔離后，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部繼電器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)外部繼電器，從而驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。從控主板可以驅(qū)動(dòng)兩路風(fēng)扇。

表2動(dòng)態(tài)故障樹(shù)邏輯門(mén)符號(hào)[11]

圖1 動(dòng)力電池系統(tǒng)靜態(tài)故障樹(shù)

圖2 強(qiáng)制風(fēng)冷卻系統(tǒng)

圖3 冷卻系統(tǒng)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)

以此為基礎(chǔ)，本文嘗試建立了動(dòng)態(tài)故障樹(shù)如圖3所示，為后續(xù)故障診斷及生產(chǎn)制造提供幫助。除了靜態(tài)故障樹(shù)的基礎(chǔ)之外，冷卻系統(tǒng)還存在兩處動(dòng)態(tài)故障。一部分為功能相關(guān)門(mén)，即從控執(zhí)行模塊的所有子部件由同一電壓供電，所以當(dāng)電壓出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致從控執(zhí)行模塊產(chǎn)生故障。還有一處是熱備件門(mén)。該冷卻系統(tǒng)使用的從控主板可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩塊風(fēng)扇，兩路風(fēng)扇的設(shè)計(jì)能夠保證系統(tǒng)的冗余，但通常只驅(qū)動(dòng)一路就能達(dá)到冷卻效果。故可以將另一處風(fēng)扇視為熱備件，只有在另一路風(fēng)扇失效時(shí)，才發(fā)揮作用，且備件期間的失效率同工作時(shí)的失效率相同。

6 結(jié) 語(yǔ)

在純電動(dòng)商用車動(dòng)力電池系統(tǒng)故障分析領(lǐng)域，傳統(tǒng)靜態(tài)故障樹(shù)目前被廣泛使用。本文研究了動(dòng)力電池系統(tǒng)常見(jiàn)故障及其產(chǎn)生原因，結(jié)合了動(dòng)力電池領(lǐng)域故障樹(shù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究，對(duì)動(dòng)力電池靜態(tài)故障樹(shù)進(jìn)行了總結(jié)繪制。由于靜態(tài)故障樹(shù)只能反映靜態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)，所以本文引入了動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法。動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法是在靜態(tài)故障樹(shù)分析法上進(jìn)一步延伸得到的方法，對(duì)于復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)而言，更為合理和準(zhǔn)確。本文還介紹了動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法目前在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，并且針對(duì)某客車的冷卻系統(tǒng)建立了動(dòng)態(tài)故障樹(shù)模型，為后續(xù)的故障診斷和研究提高了新思路。