李霞林，李 圍，趙 權(quán)，趙 勝，鄭雨龍

基于多維T-S船用電池管理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)故障樹分析

李霞林，李 圍，趙 權(quán)，趙 勝，鄭雨龍

（武漢船用電力推進(jìn)及化學(xué)電源研究所，武漢 430064）

本文對(duì)船用電池管理系統(tǒng)基本事件進(jìn)行分析，根據(jù)電池管理系統(tǒng)原理建立T-S動(dòng)態(tài)故障樹,構(gòu)建了T-S動(dòng)態(tài)門及其連續(xù)時(shí)間描述規(guī)則，搭建事件描述方法和數(shù)學(xué)模型。利用連續(xù)時(shí)間T-S動(dòng)態(tài)故障樹算法計(jì)算電池管理系統(tǒng)可靠性，分別計(jì)算各基本事件的概率重要度、關(guān)鍵重要度和綜合重要度；根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)基本事件進(jìn)行排序。

電池管理系統(tǒng) T-S故障樹 可靠度 綜合重要度

0 引言

隨著船舶動(dòng)力系統(tǒng)在環(huán)保性、安全性要求越來越高的趨勢(shì)下，以鋰二次電池為代表的動(dòng)力電池組越來越廣泛的應(yīng)用于新能源船舶上。為了進(jìn)一步提高船用電池系統(tǒng)可靠性、安全性和維修性，本文根據(jù)船用電池管理系統(tǒng)原理建立T-S動(dòng)態(tài)故障樹，分析了系統(tǒng)可靠度和各基本事件的重要度，對(duì)于電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維修具有指導(dǎo)意義。

1 電池管理系統(tǒng)T-S動(dòng)態(tài)故障樹建立

船用電池管理系統(tǒng)由電池檢測(cè)單元和電池管理單元組成，原理見圖1。

根據(jù)電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理[1]，結(jié)合電池管理系統(tǒng)故障形成機(jī)理建造電池管理系統(tǒng)的T-S動(dòng)態(tài)故障樹[6]，如圖2。

圖1 船用電池管理系統(tǒng)原理圖

基本時(shí)間Xi（i=1，2..........11）對(duì)應(yīng)的事件名稱[2]及故障概率λ見表1，且壽命均服從指數(shù)分布，任務(wù)時(shí)間tM=86400 h。

圖2 電池管理系統(tǒng)故障樹

表1 基本事件及其故障率

用沖激函數(shù)描述上級(jí)事件y與下級(jí)時(shí)間xi失效時(shí)刻關(guān)系，即

描述T-S動(dòng)態(tài)門連續(xù)時(shí)間規(guī)則。G1-G4門的事件時(shí)序描述規(guī)則，分別見表2～5。

表2 G1門的事件順序描述規(guī)則

表2 G2門的事件順序描述規(guī)則

表3 G3門的事件順序描述規(guī)則

表4 G4門的事件順序描述規(guī)則

2 故障樹計(jì)算

2.1 頂事件在任務(wù)時(shí)間內(nèi)的故障率

利用下事件各故障狀態(tài)的可靠數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出上級(jí)事件的故障概率密度函數(shù)，計(jì)算頂事件T的故障概率密度函數(shù)在規(guī)定工作時(shí)間t內(nèi)積分進(jìn)而求得頂事件T的故障概率分布函數(shù)。

電池管理系統(tǒng)故障概率隨時(shí)間變化的曲線如圖3。

圖3 系統(tǒng)故障概率曲線

通過系統(tǒng)故障概率曲線可以看出，故障在工作時(shí)間中后期呈現(xiàn)幾何級(jí)增長(zhǎng)。根據(jù)計(jì)算，將tM=86400代如，頂事件T的故障概率為：0.1024。

2.2 概率重要度計(jì)算

概率重要度反映基本事件xi在任務(wù)時(shí)間內(nèi)從正常狀態(tài)變?yōu)楣收蠣顟B(tài)時(shí)頂事件T故障概率的變化值[3]。

2.3 關(guān)鍵重要度計(jì)算

關(guān)鍵重要度反映基本事件xi故障概率的變化率與引起頂事件T故障率的變化率的比值。

2.4 綜合重要度計(jì)算

綜合重要度反映基于基本事件的故障率及其正常工作的概率，基本事件可靠性變化導(dǎo)致頂事件T可靠性變化的數(shù)學(xué)期望[4]。

根據(jù)上述計(jì)算公式，各基本事件的重要度見表5。

表5 基本事件重要度

通過計(jì)算分析，電池管理系統(tǒng)在10年的工作周期內(nèi)可靠度為0.1024。

各基本事件概率重要度排序?yàn)椋?/p>

關(guān)鍵重要度排序?yàn)椋?/p>

綜合重要度排序?yàn)椋?/p>

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)船用電池管理系統(tǒng)的基本事件進(jìn)行了深入分析，建立了連續(xù)時(shí)間多維T-S故障樹；根據(jù)故障機(jī)理，描述了事件規(guī)則，最終建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了電池管理系統(tǒng)10年工作壽命內(nèi)的故障率，并就各基本事件的重要度進(jìn)行計(jì)算[5]。通過計(jì)算表明電池管理系統(tǒng)10年內(nèi)故障率為0.1024。綜合重要度從高到低排序，依次為：繼電器控制>電芯電壓采集>安全保護(hù)策略>電芯溫度采集>SOC估算>總電流檢測(cè)>總電壓檢測(cè)>狀態(tài)自檢。

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Dynamic fault tree analysis base on T-S marine battery management system

Li Xialin, Li Wei, Zhao Quan，Zhao Sheng，Zheng Yulong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-4862（2023）06-0000-00

2022-08-03

李霞林（1985-），男，工程師。研究方向：電源管理系統(tǒng)及設(shè)計(jì)研發(fā)。E-mail: lixinnan0407@163.com