柳熾偉，景玉軍，王升平，郭美華

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

0 引言

在環(huán)保要求及國家政策大力推動下，純電動和插電式混合動力汽車已成為公交車更新選用的最主要兩種電動車型。在電動汽車的使用過程中發(fā)現(xiàn)，涉及電機及控制器、動力混合傳動裝置、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力汽車，兼具內(nèi)燃機與電驅(qū)動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)與技術(shù)更復(fù)雜。本文作者對車輛使用故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，掌握電動汽車動力系統(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)計和可靠性提升策略分析，對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)計分析

1.1 數(shù)據(jù)采集

文中按定時截尾方式，隨機抽取20輛某公交公司同批次型號為“×××6106AGHEV15”的LNG插電式混合動力客車，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)量檢驗評定方法》[1]，對同一時間不同零件、不同模式故障分別統(tǒng)計，人為或返修的故障不重復(fù)統(tǒng)計。

1.2 系統(tǒng)故障構(gòu)成分析

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

圖1 混合動力系統(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，其可靠性模型是競爭風(fēng)險模型(串聯(lián)模型)，要確定PHPS可靠性應(yīng)先建立各個子系統(tǒng)的可靠性模型。為簡化分析，假設(shè)單元(指系統(tǒng)、子系統(tǒng)或元件)只有正?；蚬收蟽煞N狀態(tài)，而且各單元是獨立的，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)的故障間隔時間比首次故障時間模型更具實際意義，文中統(tǒng)計了5個子系統(tǒng)的故障間隔時間，采用Johnson中位秩法估計經(jīng)驗概率值，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

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)軸的相對位置。

參數(shù)估計方法常見的類型有圖形法和解析法。圖形法較簡單，以往工程應(yīng)用較多，但相對精度不高。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)生時間，為簡化計算，可將時間坐標(biāo)平移，轉(zhuǎn)化為兩參數(shù)模型進(jìn)行計算，再應(yīng)用MATLAB中的Wblfit函數(shù)，可較方便地計算出模型參數(shù)。

2.3 擬合優(yōu)度檢驗

K-S檢驗法是檢驗經(jīng)驗分布函數(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。該函數(shù)中有內(nèi)置的臨界值表，對應(yīng)于5種不同的顯著性水平。Kstest函數(shù)把計算出的檢驗p值與用戶指定的顯著性水平α(默認(rèn)值0.05)作比較，對于雙側(cè)檢驗，當(dāng)p≤α/2時，拒絕原假設(shè)。

通過以上步驟的分析計算，可得到PHPS的5個子系統(tǒng)的可靠性分布類型、模型參數(shù)、擬合度檢驗的p值等數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)K-S檢驗，各子系統(tǒng)檢驗值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p值

2.4 建立PHPS串聯(lián)系統(tǒng)模型

對于一個復(fù)雜的系統(tǒng)可靠性分析，常常分別建立各個子系統(tǒng)的可靠性模型后，再依據(jù)其邏輯關(guān)系構(gòu)建整個系統(tǒng)的可靠性模型。文中PHPS由5個子系統(tǒng)組成，其中任何一個系統(tǒng)失效，都會導(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)個數(shù)，且PHPS 5個子系統(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天時間范圍內(nèi)均分的25個時間點，分別計算出對應(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的可靠度競爭風(fēng)險模型為

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)。在最初行駛的兩個月時間故障率由高到低快速下降，然后進(jìn)入一個相對緩慢下降的階段，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，故障率從快速下降進(jìn)入緩慢下降的時間域則不相同。

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)入一個相對平穩(wěn)上升的階段。對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，延長系統(tǒng)故障間隔時間。

圖3 子系統(tǒng)5故障率曲線

3.2 電驅(qū)動系統(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、相對失效率分配法、加權(quán)修正法、綜合評分法等[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)前各種因素對新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)可靠性的實際影響程度缺乏參考數(shù)據(jù)，采用綜合評分法、加權(quán)修正法等過分依賴主觀判斷，因此根據(jù)電驅(qū)動系統(tǒng)的故障規(guī)律，采用相對失效率分配法進(jìn)行可靠性分析更符合工程實際。

注意到許多故障率分配研究對象均符合指數(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)保證走合期及每個維護(hù)周期[一級維護(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)，可計算出t=20天時子系統(tǒng)實際可靠度R1i及系統(tǒng)實際可靠度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天時子系統(tǒng)實際瞬時故障率λ1i、系統(tǒng)實際瞬時故障率λ1s以及Rs=0.9時目標(biāo)故障率λ2s。

(3)各子系統(tǒng)的實際故障率權(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

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

(10)

式中：qij指第i個子系統(tǒng)第j個故障原因的發(fā)生頻次權(quán)重；qis指第i個子系統(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個子單元第j個故障原因的故障頻次；n指第i個子系統(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際使用環(huán)境中進(jìn)行優(yōu)化升級，及時反饋設(shè)計部門完善相應(yīng)的控制程序；另一方面，應(yīng)加強控制系統(tǒng)和CAN總線等抗電磁干擾的保護(hù)設(shè)計，減少控制器及其信號受干擾的影響；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，電機的控制器和逆變器故障率相對較高。大功率電子器件工作時容易出現(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%，說明插電式混合動力汽車的維護(hù)策略和計劃應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化并落實執(zhí)行。涉及到單體電池電壓過低(過壓報警)或SOC(State of Charge)過高過低的報警故障，可通過提高SOC預(yù)估算法的控制精度以及硬件設(shè)計水平來提升。

4 結(jié)論

利用插電式混合動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)的競爭風(fēng)險模型，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，提出了基于相對失效率的變故障率電驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性分配設(shè)計方法，比較方便合理地對PHPS進(jìn)行可靠性分配設(shè)計。

通過對子系統(tǒng)各個故障原因或部位的統(tǒng)計分析，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)計及使用可靠性的保障提供了借鑒和依據(jù)。