特種車(chē)輛高壓直流供配電系統(tǒng)可靠性提升方法

宋生壯，張 錦，張玉常，李澤宇，夏 歡

(1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076；2.火箭軍駐某部軍事代表室，北京 100076)

可靠性分析方法作為軍工領(lǐng)域分析系統(tǒng)可靠度的重要手段[1]，如何與特種車(chē)輛高壓供配電系統(tǒng)相結(jié)合，是本文的主要研究目的。

本文旨在通過(guò)搭建可靠性模型，針對(duì)可靠性模型進(jìn)行計(jì)算，分析出制約高壓直流供配電系統(tǒng)可靠性提升的薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)各類(lèi)補(bǔ)償措施，從系統(tǒng)層面提升產(chǎn)品可靠性。典型高壓直流供配電系統(tǒng)一般由一次能源設(shè)備、高壓配電設(shè)備、電能變換設(shè)備、低壓配電設(shè)備和系統(tǒng)控制器組成[2]，然而，由于上述各類(lèi)產(chǎn)品元器件數(shù)量大、單點(diǎn)多，導(dǎo)致系統(tǒng)集成后，存在可靠性低、無(wú)故障間隔時(shí)間短等缺陷。典型高壓直流供配電系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 典型高壓直流供配電系統(tǒng)框圖

其中，為提升車(chē)輛適應(yīng)多種使用工況的能力和集成度，一般會(huì)使用自發(fā)電的方式作為可持續(xù)供電的來(lái)源，因此，一次能源一般由發(fā)電機(jī)組、鋰電池組和充電機(jī)組成，鋰電池組既可以接收發(fā)電機(jī)組供電、也可以通過(guò)外接市電使用充電機(jī)進(jìn)行充電；在無(wú)市電保障的工況下，通過(guò)發(fā)電機(jī)組+鋰電池組的組合方式，為母線提供高壓直流供電。高壓配電設(shè)備主要為系統(tǒng)中各高壓負(fù)載供電，同時(shí)為系統(tǒng)中電源變換設(shè)備供電。電源變換設(shè)備將高壓直流電能變換成低壓直流電能，為特種車(chē)輛上各類(lèi)低壓負(fù)載供電。低壓配電箱主要將低壓直流電能分配給各低壓負(fù)載。系統(tǒng)控制器主要負(fù)責(zé)進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控，控制配電設(shè)備進(jìn)行上電、下電操作，同時(shí)為系統(tǒng)提供必要保護(hù)機(jī)制。

1 可靠性建模

根據(jù)圖1典型高壓直流供配電系統(tǒng)框圖以及各單機(jī)設(shè)備在系統(tǒng)中所實(shí)現(xiàn)的功能，僅考慮無(wú)市電保障工況，建立供配電系統(tǒng)可靠性框圖[3-4]，如圖2所示，可靠性框圖為串聯(lián)模型，即任意一種設(shè)備出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)將出現(xiàn)失效情況。

圖2 典型高壓直流供配電系統(tǒng)可靠性框圖

本文所提到的高壓供配電系統(tǒng)，為了提高發(fā)電功率密度、降低鋰電池組容量(有效降低成本)，采用的是恒功率發(fā)電模式，恒功率發(fā)電過(guò)程中當(dāng)功率需求出現(xiàn)變化時(shí)，由鋰電池組作為補(bǔ)充功率或卸放功率的緩沖設(shè)備，因此在發(fā)電機(jī)組工作的情況下，鋰電池組必須在線，可靠性建模中二者為串聯(lián)關(guān)系。

供配電系統(tǒng)可靠度計(jì)算公式[5]如下：

RS=RS1×RS2×RS3×RS4×RS5×RS6

(1)

式中，RS為系統(tǒng)可靠度；RS1為系統(tǒng)控制器可靠度；RS2為發(fā)電機(jī)組可靠度；RS3為高壓鋰電池的可靠度；RS4為高壓智能配電箱可靠度；RS5為DC/DC電源可靠度；RS6為低壓配電箱可靠度。

2 可靠性預(yù)計(jì)

2.1 可靠性指標(biāo)分配

供配電系統(tǒng)在某項(xiàng)流程中的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)為0.995，置信度為0.7，平均故障間隔時(shí)間(Mean Time Between Failure,MTBF)為2000 h。為保障供配電系統(tǒng)能夠達(dá)到對(duì)應(yīng)的可靠性指標(biāo)，依據(jù)供配電系統(tǒng)可靠度計(jì)算公式，對(duì)系統(tǒng)各單機(jī)可靠性進(jìn)行分配，如表1所示。

表1 可靠性指標(biāo)分配結(jié)果

2.2 單機(jī)產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法

依據(jù)GJB/Z 299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》和GJB 813—1990《可靠性模型的建立和可靠性預(yù)計(jì)》中的規(guī)定，供配電可靠性預(yù)計(jì)采用元器件計(jì)數(shù)法[6]，各參數(shù)計(jì)算公式如下。

① 設(shè)備總失效率(10-6/h)λGS。其計(jì)算公式[5]見(jiàn)式(2)。

(2)

式中，λG為第i種元器件的通用失效率(10-6/h)；πQ為第i種元器件的通用質(zhì)量系數(shù)；Ni為第i種元器件的數(shù)量；n為設(shè)備所用元器件的種類(lèi)數(shù)目。

② 平均故障間隔時(shí)間MTBF。其計(jì)算公式[5]見(jiàn)式(3)。

(3)

式中，λGi為各單元的失效率；n為設(shè)備的單元數(shù)量。

③ 用指數(shù)分布計(jì)算設(shè)備的可靠度，計(jì)算公式[5]見(jiàn)式(4)。

RS=e-λGS t0

(4)

式中，RS為設(shè)備的可靠度；λGS為設(shè)備總失效率(10-6/h)；t0為工作時(shí)間(h)。

2.3 單機(jī)產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果

以鋰電池組為例，其組成主要包括高壓箱、電池分箱，高壓箱內(nèi)部含主控模塊、電流傳感器、電壓傳感器、接觸器、保險(xiǎn)等電子元器件，電池分箱主要包括從控模塊、溫度傳感器等電子元器件，主控模塊、從控模塊又各包含各類(lèi)電源電路、采樣電路、輸出電路等分支電路，所含元器件規(guī)格達(dá)120種，元器件數(shù)量6000多種，通過(guò)計(jì)算得出的高壓鋰電池組單機(jī)設(shè)備總失效率λGS3=683.2×10-6/h，計(jì)算得出的MTBF值僅為1463 h，與可靠性分配值差距較大。

系統(tǒng)控制器、發(fā)電機(jī)組、DC/DC電源同樣存在以上問(wèn)題。表2為各單機(jī)通過(guò)可靠性預(yù)計(jì)方法計(jì)算出的設(shè)備總失效率、預(yù)計(jì)MTBF值以及與實(shí)際分配值的對(duì)比。

表2 單機(jī)可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果

3 可靠性提升方法

3.1 設(shè)計(jì)措施

為提升供配電系統(tǒng)可靠性[7]，采取以下措施：

① 增加一組鋰電池作為原有鋰電池組的冗余備份；

② 高壓配電箱內(nèi)部重點(diǎn)回路，增加冗余接觸器，提升重點(diǎn)回路供電可靠性；

③ DC/DC電源采用多電源模塊并聯(lián)的電路拓?fù)?，單一電源模塊失效時(shí)，其他電源模塊依然能保證低壓的持續(xù)供電能力；

④ 低壓配電箱前端增加一組鉛酸蓄電池，采用DC/DC電源浮充的模式，提升配電箱前端供電的可靠性；

⑤ 低壓配電箱采用與高壓配電箱相同的冗余方法，重點(diǎn)回路采用雙接觸器并聯(lián)方式。

3.2 系統(tǒng)改進(jìn)后建模

改進(jìn)后的供配電系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后供配電系統(tǒng)框圖

按上文方法重新進(jìn)行可靠性建模，鋰電池、DC/DC電源變?yōu)椴⒙?lián)環(huán)節(jié)，高壓配電箱、低壓配電箱因設(shè)計(jì)措施得當(dāng)總失效率計(jì)算結(jié)果明顯降低，改進(jìn)后可靠性模型如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后系統(tǒng)可靠性建模

3.3 系統(tǒng)改進(jìn)后可靠性預(yù)計(jì)

按式(1)重新計(jì)算供配電系統(tǒng)可靠度，其中并聯(lián)模型計(jì)算公式[5]見(jiàn)式(5)。

RS3=1-(1-RS31)(1-RS31)

(5)

式中，RS31為單個(gè)單機(jī)的產(chǎn)品可靠度，改進(jìn)后單機(jī)可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 改進(jìn)后單機(jī)可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果

4 可靠性驗(yàn)證及評(píng)估

供配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估依據(jù)指數(shù)型分布[8-9]計(jì)算方法如下。

設(shè)產(chǎn)品壽命服從指數(shù)分布，某項(xiàng)流程中時(shí)間為t0。投試若干樣品(一般至少為3件)，累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間為T(mén)，累計(jì)失敗數(shù)為f。

評(píng)估任務(wù)可靠度置信下限RL(t0)，其計(jì)算公式[8]見(jiàn)式(6)。

(6)

評(píng)估MTBF，其計(jì)算公式[8]見(jiàn)式(7)。

(7)

供配電系統(tǒng)獨(dú)立或隨特種車(chē)輛進(jìn)行了一系列測(cè)試工作。供配電系統(tǒng)各單機(jī)設(shè)備出廠前均完成環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)、老煉試驗(yàn)(常溫200 h或高溫48 h)和部分環(huán)境試驗(yàn)，各單機(jī)出廠前平均運(yùn)行時(shí)間達(dá)450 h；同時(shí)，供配電系統(tǒng)進(jìn)行了散態(tài)匹配試驗(yàn)，供配電系統(tǒng)期間累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為650 h。

供配電系統(tǒng)在特種車(chē)輛上總裝后，累計(jì)工作時(shí)間達(dá)1100 h，期間供配電系統(tǒng)未發(fā)生故障。供配電系統(tǒng)t0=5 h；其余兩套投產(chǎn)產(chǎn)品，每套產(chǎn)品累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為450 h。因此，三套產(chǎn)品累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間為T(mén)=450+650+1100+2×450=3100 h，所有試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)故障情況，累計(jì)失敗此時(shí)為f=0。

因此，評(píng)估任務(wù)可靠度置信下限RL(t0)：

評(píng)估無(wú)故障降額時(shí)間下限MTBFL：

由可靠性評(píng)估結(jié)果可知，供配電系統(tǒng)可靠度滿(mǎn)足任務(wù)書(shū)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)可靠性建模和計(jì)算，可以得出高壓直流供配電系統(tǒng)存在產(chǎn)品冗余度不足的問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過(guò)為鋰電池組、DC/DC電源增加冗余備份，為重點(diǎn)配電回路增加冗余接觸器，為低壓配電箱前端增加鉛酸蓄電池等設(shè)計(jì)，能夠有效提升產(chǎn)品可靠性，經(jīng)過(guò)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，得出可靠性評(píng)估結(jié)果能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

所提供可靠性提升方法可以應(yīng)用于其他特種車(chē)輛高壓直流供配電系統(tǒng)中，為其他同類(lèi)供配電系統(tǒng)或其他電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可借鑒的思路。