通信車供電系統(tǒng)可靠性設計

楊 洋，戈建偉，徐傳旭，郭 人，蔡 娜

（北京計算機技術及應用研究所，北京 100039）

通信車供電系統(tǒng)是車輛在正常和極端環(huán)境下安全有效運行、成功完成各種通信任務、保證車輛生命力的關鍵。通信車為滿足不同通聯(lián)任務的需求，上裝有多種通信設備和電子電氣設備，用電側(cè)復雜，如果車輛供電系統(tǒng)的可靠性設計不合理，將導致供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性降低、潛在故障隱患增加、故障率升高，嚴重時甚至造成整個車載系統(tǒng)的癱瘓。因此，如何對通信車的供電系統(tǒng)進行合理的可靠性設計，使車輛在穩(wěn)定實現(xiàn)各項任務通聯(lián)功能的同時，又能有效保證車輛供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，成為本文研究的主要內(nèi)容。

1 供電系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 供電系統(tǒng)組成

通信車在車輛底盤上采用取力方式供電，在行進中能給任務設備滿功率供電。供電系統(tǒng)由電機控制器（包括直流轉(zhuǎn)直流電源（Direct Current/Direct Current, DC/DC）模塊、絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）模塊、發(fā)電控制板、發(fā)電接口板、濾波電容板和逆變控制板）、交流發(fā)電機（包括前端蓋、定子、轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)變壓器、后端蓋）以及電機安裝件（包括安裝架、吊鉤、漲緊輪和導向輪）組成，供電系統(tǒng)的組成結(jié)構如圖1 所示。

圖1 供電系統(tǒng)組成

1.2 供電系統(tǒng)工作原理

底盤發(fā)動機通過皮帶驅(qū)動交流發(fā)電機發(fā)電，交流發(fā)電機為銅轉(zhuǎn)子三相異步電機，在行車中輸出交流電，并由電機控制器將交流發(fā)電機輸出的交流電可控整流為穩(wěn)定的高壓直流電，為車內(nèi)上裝的任務設備供電，供電系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 供電系統(tǒng)工作原理

2 供電系統(tǒng)可靠性分配

2.1 可靠性模型

依據(jù)供電系統(tǒng)的工作原理，建立了供電系統(tǒng)可靠性模型。供電系統(tǒng)可靠性模型為電機控制器、交流發(fā)電機和電機安裝件3 個單元串聯(lián)組成。其中電機控制器單元的可靠性模型為DC/DC 模塊、IGBT 模塊、發(fā)電控制板、發(fā)電接口板、濾波電容板、逆變控制板6 個部件串聯(lián)組成。交流發(fā)電機單元的可靠性模型為前端蓋、定子、轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)變壓器、后端蓋5 個部件串聯(lián)組成。電機安裝件單元的可靠性模型為安裝架、吊鉤、漲緊輪、導向輪4 個部件串聯(lián)組成[1]。建立的供電系統(tǒng)和各單元可靠性模型框圖如圖3 所示。

圖3 可靠性模型

2.2 可靠性分配和計算方法

根據(jù)“評分分配法[2]”將要求的供電系統(tǒng)可靠性時間3 000 h 分配給供電系統(tǒng)各部件。

評分因素分為復雜程度、技術水平、工作時間和環(huán)境條件四項，每項1～10 分，分數(shù)越高，可靠性水平越低。由經(jīng)驗豐富的評分專家按照評分原則對評分因素逐一進行評分，并取平均值。

組成系統(tǒng)的各單元評分數(shù)wi和系統(tǒng)評分數(shù)w的計算公式[3]為

式中，ri為各評分因素。

各單元評分系數(shù)ci的計算公式為

各單元分配值δi的計算公式為

式中，tMTBF為平均故障工作時間。

2.3 可靠性分配結(jié)果

根據(jù)“評分分配法”將要求的供電系統(tǒng)可靠性時間3 000 h 分配給供電系統(tǒng)各單元及其單元部件[4]，分配結(jié)果如表1—表4 所示。

表1 供電系統(tǒng)可靠性分配結(jié)果

表2 電機控制器單元可靠性分配結(jié)果

表4 電機安裝件單元可靠性分配結(jié)果

供電系統(tǒng)各單元的可靠性分配結(jié)果顯示，電機控制器單元的可靠性分配值最低，而在電機控制器單元各部件的可靠性分配中，發(fā)電控制板和逆變控制板的可靠性分配值最低。

電機控制器是供電系統(tǒng)的核心單元，發(fā)電控制板和逆變控制板是電機控制器單元中兩個最為重要的組成部件。電機控制板的功能是通過控制三相橋路在定子線圈施加三相交流電壓，以建立發(fā)電機運行磁場和建立輸出電壓，在運行過程中，電機控制部件實時檢測輸出電壓、輸出電流、發(fā)電機轉(zhuǎn)速等模擬量，通過對輸出電壓的閉環(huán)控制，實時調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)差（改變電流和磁場），以實現(xiàn)對輸出電壓的控制。而逆變控制板的功能是將輸入的370 V 母線直流電，通過H 橋拓撲電路變換成220 V/50 Hz 交流電，具有多環(huán)路復合控制，如電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)、前饋控制環(huán)路、重復控制環(huán)路等，使逆變器在各種負載工況下都能有較快的動態(tài)響應和較高的穩(wěn)態(tài)精度[5-6]。

基于電機控制板和逆變控制板極為復雜的閉環(huán)控制功能，其復雜程度和技術水平均為供電系統(tǒng)各部件中最高的，按照可靠性分配原理，可靠性分配值也相應最低。

通過上述供電系統(tǒng)各部件的可靠性分配，落實了供電系統(tǒng)的可靠性指標，明確了供電系統(tǒng)的各單元及其部件的合理的可靠性要求，同時也顯示出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為改進設計提供了相應的依據(jù)。

3 供電系統(tǒng)故障模式影響分析

3.1 約定層次

采用“硬件定量法”[7-8]進行供電系統(tǒng)故障模式影響分析。根據(jù)供電系統(tǒng)的可靠性模型，劃分層次如下：

1）初始約定層次為供電系統(tǒng)；

2）第二約定層次為電機控制器、交流發(fā)電機、電機安裝件；

3）最低約定層次為電機控制器內(nèi)功能模塊。

3.2 故障判據(jù)

當供電系統(tǒng)出現(xiàn)如下情況時，判斷為故障：

1）無輸出電壓；

2）上電后，上報輸出過壓故障、輸出過流故障和過溫故障；

3）通訊異常。

3.3 嚴酷度類別定義

確定每一個故障模式和產(chǎn)品的嚴酷度類別的目的在于為安排改進措施提供依據(jù)。優(yōu)先考慮消除Ⅰ類和Ⅱ類故障模式。當較低約定層次產(chǎn)品失去輸入或輸出危及較高約定層次產(chǎn)品正常工作時，也應該采取措施，嚴酷度定義[9-10]如表5 所示。

表5 供電系統(tǒng)嚴酷度分類表

3.4 故障模式影響分析表

故障模式影響分析如表6 所示。

表6 故障模式影響分析表

供電系統(tǒng)故障模式影響分析表顯示，發(fā)電控制板和逆變控制板的嚴酷度類別最高，為Ⅱ類，且其故障模式對系統(tǒng)的影響程度也最為嚴重，會直接導致供電系統(tǒng)無直流輸出，喪失供電功能[10]。因此，確定發(fā)電控制板和逆變控制板為供電系統(tǒng)的兩項薄弱環(huán)節(jié)，應針對發(fā)電控制板和逆變控制板重點進行相應的可靠性設計。

4 可靠性設計

針對發(fā)電控制板和逆變控制板這兩項薄弱環(huán)節(jié)，從工藝設計、元器件質(zhì)量控制、裕度設計和耐環(huán)境設計方面采取相應措施。

4.1 工藝設計

1）采用自動貼片機、回流焊接設備進行發(fā)電控制板和逆變控制板的焊接，通過對錫膏用量以及爐溫的有效控制，并在回流焊接工序后，增加自動光學檢測（Automated Optical Inspection, AOI）設備焊點自動檢測工序，以從工藝上保證發(fā)電控制板和逆變控制板的電路板焊接質(zhì)量。

2）采用超聲波清洗設備，對發(fā)電控制板和逆變控制板的清洗步驟、次數(shù)、時間等控制因素進行改善，以有效去除錫渣。

4.2 元器件質(zhì)量控制

對發(fā)電控制板和逆變控制板的元器件質(zhì)量等級進行嚴格控制和篩選，優(yōu)先選用高性能系列化產(chǎn)品，并進行滿載連續(xù)工作老化試驗。

4.3 裕度設計

在發(fā)電控制板和逆變控制板的電路設計中進行降額（85%）使用。

4.4 耐環(huán)境設計

1）在發(fā)電控制板和逆變控制板的電路設計時對于電阻、電容、功率器件及部分發(fā)熱器件預留設計余量，增加防靜電措施，如增加放電電阻、印制板的公共地通過低阻抗的電纜進行接地處理等。

2）電路板調(diào)試完成后均噴涂三防漆，并采用設備自動三防處理，嚴禁手工三防處理，保證具有防水、防塵、防霉菌作用，減慢元器件老化速率。

3）采用防腐密封措施，進一步減小外部環(huán)境對其壽命的影響。

5 結(jié)論

基于通信車的供電系統(tǒng)組成及其工作原理，建立了供電系統(tǒng)及其各單元的可靠性模型，采用專家評分法對可靠性指標進行了合理分配，使供電系統(tǒng)各單元的平均故障工作時間更符合供電系統(tǒng)可靠性的實際要求。同時根據(jù)供電系統(tǒng)的可靠性模型，進行了故障模式影響分析，識別了供電系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并進行了相應的可靠性設計（包括工藝設計、元器件質(zhì)量控制、裕度設計和耐環(huán)境設計），以減少通信車供電系統(tǒng)的故障發(fā)生率，消除系統(tǒng)的潛在故障隱患，提高了通信車供電系統(tǒng)的可靠性水平。