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【Cite this paper】 ZHANG C T， FANG Y， LI W， et al. Automotive High-Voltage Relay Adhesion Failure Fault Tree Analysis[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（XX）： X-XX.

【摘要】針對(duì)電動(dòng)汽車高壓繼電器粘連失效故障現(xiàn)象，采用故障樹分析法（FTA）進(jìn)行相關(guān)可靠性分析。通過分析高壓繼電器所在電氣系統(tǒng)，建立繼電器粘連失效故障樹模型，對(duì)其進(jìn)行定性及定量分析。最后求解故障樹最小割集及頂事件故障概率，并依據(jù)重要度分析找出引起粘連失效的薄弱環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：高壓繼電器；粘連失效；故障樹分析法

中圖分類號(hào)：U469.72+2" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20230241

Automotive High-Voltage Relay Adhesion Failure Fault Tree Analysis

Zhang Changtao1，2， Fang Yuan1，2， Li Wei1，2， Qu Zhenning1，2， Ci Weicheng1，2

（1.Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013; 2.National Key Laboratory of Advanced Vehicle Integration and Control， Changchun 130013）

【Abstract】 In view of the electric vehicle high-voltage relay adhesion failure phenomenon， Fault Tree Analysis （FTA） is used to perform the relevant reliability analysis. By analyzing the electrical system in which the high-voltage relay is located， a relay Adhesion failure fault tree model is built to analyze it qualitatively and quantitatively. Finally， the minimum cut set of the fault tree and the top event failure probability are solved， and the weak links causing the adhesion failure are identified based on the importance analysis.

Key words： High voltage relays， Adhesion failure， Fault Tree Analysis （FTA）

0 引言

在綠色發(fā)展背景下，各國都將發(fā)展新能源汽車作為交通減碳的主要方式。新能源汽車一般采用高壓電池組作為動(dòng)力源，在動(dòng)力電池系統(tǒng)或相關(guān)高壓總成中配置高壓繼電器。高壓繼電器是維持電氣系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要元器件，可以保證電氣系統(tǒng)正常通斷[1-3]。對(duì)引起高壓繼電器失效的關(guān)鍵要素進(jìn)行分析、識(shí)別，是減少其失效頻次、提升整車可靠性的重要方法。目前用于識(shí)別系統(tǒng)失效關(guān)鍵誘因、預(yù)測系統(tǒng)失效概率的方法主要有可靠性框圖法、故障樹分析法（Fault Tree Analysis， FTA）、佩特里網(wǎng)（Petri）等。其中，故障樹分析法因可通過梳理系統(tǒng)部件間和子系統(tǒng)間邏輯功能關(guān)系，尋找系統(tǒng)故障事件的根本原因，而被廣泛用于事前與事后故障分析[4-6]。故障樹分析法是一種將系統(tǒng)故障形成的原因由總體至部分按樹枝狀逐級(jí)細(xì)化的分析方法。1961年首次被美國貝爾研究所成功應(yīng)用于導(dǎo)彈隨機(jī)失效問題預(yù)測研究中[7]，之后該方法及其演變、擴(kuò)展方法廣泛應(yīng)用在故障診斷、系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別等研究中。如單機(jī)故障排查方面，楊帆[8]將故障樹分析用于壓氣機(jī)的振動(dòng)故障分析；霍麗寧[9]使用故障樹分析法來估計(jì)引信彈道爆炸概率。除機(jī)械電子等設(shè)備外，故障樹分析也可以應(yīng)用于大系統(tǒng)或體系的故障排查，如郭韌[10]在研究跨境電商物流的脆弱性時(shí)使用了故障數(shù)分析；Asuelimen[11]使用故障樹和風(fēng)險(xiǎn)矩陣進(jìn)行海洋地震測量船運(yùn)營的規(guī)范化安全評(píng)估。為解決復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分析問題，多種故障樹的衍生或相關(guān)分析方法不斷出現(xiàn)，如陳東寧[12]提出了連續(xù)時(shí)間多維T-S動(dòng)態(tài)故障樹分析方法，并驗(yàn)證其可行性；陳舞[13]將T-S模糊故障樹和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)合評(píng)價(jià)隧道坍塌的易發(fā)性。故障樹分析法的豐富應(yīng)用案例和研究證明了其在系統(tǒng)可靠性評(píng)估及薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別方面的可行性。

目前，電動(dòng)乘用車高壓電氣系統(tǒng)的相關(guān)研究起步較晚，汽車用高壓繼電器故障模式及可靠性評(píng)估的研究內(nèi)容有限。因此，本文結(jié)合故障樹分析法，對(duì)高壓繼電器所在電氣系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，以繼電器粘連失效為頂事件計(jì)算其發(fā)生概率，并通過定量及定性分析確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

1 故障樹分析原理

1.1 故障樹基本符號(hào)及含義

應(yīng)用故障樹分析方法時(shí)，目標(biāo)系統(tǒng)的所有故障狀態(tài)以及不正常狀況，其他完好狀態(tài)及正常狀況，皆定義為事件。系統(tǒng)的結(jié)果事件定義為頂事件，作為故障樹分析的目標(biāo)，位置在故障樹的頂端。引起其他事件發(fā)生且無法繼續(xù)拆分的事件成為底事件。處于頂事件和底事件中間的其他結(jié)果事件定義為中間事件。代表以上事件的符號(hào)和表現(xiàn)事件邏輯關(guān)系的門符號(hào)構(gòu)成系統(tǒng)的故障樹。本文建立故障樹的基本符號(hào)表示見表1。

1.2 故障樹分析目標(biāo)及步驟

故障樹分析的目標(biāo)：（1）明確地表現(xiàn)各事件的聯(lián)系和相關(guān)邏輯；（2）從故障樹的頂端向下分析，找出系統(tǒng)故障與哪些部件、零件的狀態(tài)有關(guān)，全面弄清引起系統(tǒng)故障的原因和部位；（3）由故障樹的下端向上分析，查清零件、部件故障對(duì)系統(tǒng)故障的影響和傳播途徑；（4）全方位考慮系統(tǒng)環(huán)境、人、軟硬件等因素，確定目標(biāo)系統(tǒng)故障率及存在的薄弱環(huán)節(jié)，以便提出可靠性設(shè)計(jì)措施。

故障樹分析的實(shí)施步驟如下：首先，建立故障樹模型；然后，建立故障樹數(shù)學(xué)模型；其次是系統(tǒng)模型定性分析；最后，對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行定量分析并綜合結(jié)果得出結(jié)論。

其中系統(tǒng)定性分析目的是為了確定引起目標(biāo)事件發(fā)生的全部可能故障模式，也就是明確該系統(tǒng)出現(xiàn)故障有多少可能性組合。當(dāng)故障樹幾個(gè)頂事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，將引起頂事件的發(fā)生，則稱這些底事件組成的集和稱之為割集，且當(dāng)去掉該割集中任意一個(gè)事件后，就不再是割集，則這個(gè)割集被稱之為最小割集[14]。對(duì)于已經(jīng)發(fā)生故障的系統(tǒng)，最小割集所包括的事件是必須要處理的基本故障。故障樹定性分析的首要目標(biāo)就是最小割集的確定。

故障樹定量分析主要包括頂事件概率求解和底事件重要度計(jì)算。對(duì)于給定的故障樹，可以明確計(jì)算出系統(tǒng)頂事件的故障概率數(shù)值來評(píng)估該系統(tǒng)的整體可靠性；不同底事件對(duì)頂事件發(fā)生的貢獻(xiàn)程度不同，稱作底事件重要度，重要度對(duì)識(shí)別薄弱環(huán)節(jié)、確定系統(tǒng)故障診斷方案中發(fā)揮著重要作用[15]。

2 汽車高壓繼電器粘連失效機(jī)理分析

2.1 高壓繼電器所處電氣系統(tǒng)簡述

電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池、電驅(qū)、空調(diào)、正溫度系數(shù)熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient， PTC）等負(fù)載及高壓繼電器所在的配電模塊等組成。其中配電模塊包含了預(yù)充電路以及若干控制不同電路的繼電器，其中正/負(fù)極繼電器是高壓大電流電路的控制開關(guān)，在整車電路中起到自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、切換電路等作用。高壓繼電器系統(tǒng)示意見圖1。

高壓繼電器由觸點(diǎn)系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)3部分共同組成，當(dāng)高壓繼電器受到控制器驅(qū)動(dòng)時(shí)，其動(dòng)作線圈通過電流，同時(shí)產(chǎn)生磁場，與鐵芯相連的動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作，動(dòng)靜觸點(diǎn)閉合，高壓繼電器高壓電路接通；當(dāng)控制器停止驅(qū)動(dòng)高壓繼電器后，其動(dòng)作線圈斷電導(dǎo)致磁場消失，鐵芯被彈簧推到原位，動(dòng)靜觸點(diǎn)斷開，高壓繼電器高壓電路斷開；通過控制繼電器動(dòng)作線圈的電信號(hào)，進(jìn)而控制動(dòng)靜觸點(diǎn)的閉合與分離，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓系統(tǒng)的邏輯控制，是整車的關(guān)鍵部件。

由圖1可以看出，高壓繼電器在電動(dòng)汽車內(nèi)部電路中數(shù)量和種類相對(duì)其他元器件較多，而且在充電、預(yù)充、外放電以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)、外用電器相關(guān)負(fù)載等不同工況下，都會(huì)由繼電器參與工作。因此相較于電路其他部分，繼電器具有較高的重要度，其發(fā)生失效的概率也相應(yīng)增加，需要明確其關(guān)鍵故障模式，提升高壓繼電器的可靠性及壽命。

2.2 高壓繼電器失效機(jī)理

汽車用高壓繼電器實(shí)際應(yīng)用中的主要失效模式為動(dòng)、靜觸點(diǎn)粘連和分?jǐn)嗍?，一旦高壓繼電器出現(xiàn)粘連故障，整車高壓回路一直存在高壓電風(fēng)險(xiǎn)，威脅乘員安全。除自身原因外，汽車內(nèi)部高壓電氣系統(tǒng)中其他控制器件故障或異常也會(huì)引發(fā)繼電器觸點(diǎn)粘連。

引起高壓繼電器出現(xiàn)粘連失效的原因有很多，按失效機(jī)理不同可分為容性接通粘連失效、分?jǐn)嗾尺B失效等。容性接通粘連失效是因?yàn)楦邏夯芈分泻须姍C(jī)控制器、空調(diào)壓縮機(jī)等容性負(fù)載，當(dāng)回路接通時(shí)，如果預(yù)充準(zhǔn)備不充分或控制器邏輯不合理會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生較大的浪涌電流，在高壓繼電器動(dòng)靜觸點(diǎn)閉合時(shí)的回跳會(huì)在接觸表面反復(fù)產(chǎn)生拉弧，使觸點(diǎn)接觸面局部升溫-軟化-熔化，快速冷卻后動(dòng)靜觸點(diǎn)發(fā)生粘連；分?jǐn)嗾尺B失效一部分原因是因?yàn)樨?fù)載大電流切斷時(shí)觸點(diǎn)表面產(chǎn)生非常大的電弧使觸點(diǎn)表面熔化，導(dǎo)致動(dòng)靜觸點(diǎn)粘連在一起；另一部分原因是由于長期帶載閉合導(dǎo)致觸點(diǎn)表面不斷有燒蝕積累引起的分?jǐn)嗄芰ο陆?。此外如果回路發(fā)生短路，動(dòng)靜觸點(diǎn)間會(huì)出現(xiàn)非常大的電流產(chǎn)生電動(dòng)斥力而分離，從而產(chǎn)生電弧，觸點(diǎn)表面熔化粘接。

通過收集電動(dòng)汽車高壓繼電器的歷史故障數(shù)據(jù)，總結(jié)引起中間事件的主要原因有4類：線圈驅(qū)動(dòng)異常、帶載分?jǐn)喙收?、觸點(diǎn)溫升、短路大電流引起的觸點(diǎn)粘連。

通過以上的失效機(jī)理分析并結(jié)合繼電器觸點(diǎn)粘連失效的歷史統(tǒng)計(jì)事件進(jìn)行魚骨圖分析，對(duì)引起粘連失效的因素進(jìn)一步細(xì)化分解，找出關(guān)鍵影響因素，魚骨圖分析結(jié)果見圖2。

通過對(duì)試驗(yàn)失效高壓繼電器的拆解分析，不同原因引起繼電器粘連失效的動(dòng)靜觸點(diǎn)接觸面狀態(tài)見表2。

3 汽車高壓繼電器粘連失效故障樹分析

3.1 高壓繼電器粘連失效故障樹建立

為分析高壓繼電器觸點(diǎn)粘連失效概率，量化各底事件對(duì)高壓繼電器觸點(diǎn)粘連失效事件的影響，本文以純電動(dòng)汽車配電盒中高壓繼電器觸點(diǎn)粘連失效為頂事件進(jìn)行故障樹構(gòu)建。

根據(jù)失效機(jī)理分析結(jié)果及歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，將所有能夠引發(fā)繼電器粘連失效的原因進(jìn)行整理編碼見表3。

同時(shí)收集相關(guān)的故障信息見表4，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜曳治鼋o出相應(yīng)底事件的故障概率見表5。

依據(jù)故障傳播的邏輯建立高壓繼電器粘連失效故障樹見圖3。

3.2 高壓繼電器粘連失效故障樹分析

3.2.1 最小割集

求解故障樹最小割集的方法有布爾割集法、上行法和下行法等。文中采用上行法求解最小割集，由圖3可以得出頂事件（D）與中間事件（Y）及底事件（X）的邏輯關(guān)系為：

[D=Y1?Y2?Y3?Y4] （1）

為方便展開底事件計(jì)算把邏輯乘[A?B]記為[AB]。可以得到頂事件（D）與底事件（X）的關(guān)系式，如式（2）。

[D=Y1?Y2?Y3?Y4" "=（X5?X6?X7X8?X9X10）?X11?X12?X4?（（X2）（X1?X3））" " =X4?X5?X6?X11?X12?" " " X1X2?X2X3?X7X8?X9X10] （2）

高壓繼電器失效故障樹的最小割集為：[X4]，[X5]，[X6]，[X11]，[X12]，[{X1，X2}]，[{X2，X3}]，[{X7，X8}]，[{X9， X10}]。

3.2.2 頂事件故障概率計(jì)算

頂事件（目標(biāo)事件）的發(fā)生概率是評(píng)價(jià)系統(tǒng)整體可靠性的重要指標(biāo)，基于底事件的頂事件失效概率[pD]的計(jì)算公式為：

[pD={1-（1-pY1）（1-pY2）（1-pY3）（1-pY4）}" " " ={1-（1-pX4）（1-pX11）（1-pX12）×（1-pX2（pX1+pX3-pX1pX3）×[1-（pX5+pX6-pX5pX6）×（1-pX7pX8）（1-pX9pX10）]}] （3）

式中：[pYi]表示中間事件[i]的故障發(fā)生概率，[pXi]表示底事件[i]的故障發(fā)生概率。依據(jù)表5底事件失效概率及公式（3），可計(jì)算出故障樹頂事件失效概率[pD=0.000 009 8]。

3.2.3 底事件重要度計(jì)算

故障樹分析中，底事件重要度反映了其對(duì)頂事件的影響程度。底事件重要度越大，則說明該事件所處的環(huán)節(jié)越薄弱。重要度是系統(tǒng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別、可靠性改進(jìn)及優(yōu)化的基礎(chǔ)。常用的重要度有兩個(gè)，其中一個(gè)是關(guān)鍵性重要度，其表示由某一底事件觸發(fā)頂事件的可能性大小；另一個(gè)是概率重要度，表示底事件發(fā)生概率對(duì)目標(biāo)頂事件是否發(fā)生的影響程度。這是評(píng)價(jià)引起系統(tǒng)故障事件重要性的關(guān)鍵指標(biāo)。

底事件[i]發(fā)生概率變化時(shí)對(duì)頂事件概率變化的影響程度稱為事件[i]的概率重要度[Ig（i）]，其求解公式為：

[Ig（i）=?pD?pXi] （4）

概率重要度[Ig（i）]數(shù)值越大，說明底事件相比其他事件對(duì)頂事件的影響程度越大。將表4數(shù)值及[pD]帶入公式可以得到各底事件的概率重要度見表6，并繪制概率重要度的條形圖，如圖4。

底事件[i]的關(guān)鍵性重要度[Ic（i）]的含義是其故障概率的變化率與其引起頂事件發(fā)生概率變化率之比，其計(jì)算公式為：

[Ic（i）=pXipDIg（i）] （5）

[Ic（i）]的數(shù)值表示底事件[i]引起頂事件發(fā)生的可能性大小。將表4數(shù)值及[pD]帶入公式可以得到各底事件的關(guān)鍵性重要度如表7，并繪制關(guān)鍵性重要度的條形圖，見圖5。

由表5可以得出高壓繼電器粘連失效故障樹底事件的概率重要度大小排序?yàn)椋篬X5gt;X4gt;X6gt;X11gt;X12gt;X2gt;X7gt;X9=X8gt;X1=X3=X10]。

由表7可以得出高壓繼電器粘連失效故障樹底事件的關(guān)鍵性重要度大小排序?yàn)椋篬X5gt;X4gt;X6gt;X11gt;X7=X8gt;X1=X2=X3=X9=X10=X12]。

綜合底事件概率重要度及關(guān)鍵性重要度可知，對(duì)系統(tǒng)故障影響較大的底事件是電源線束連接異常通斷、5倍以上載流的電流、電源異常通斷。

4 結(jié)束語

本文通過建立高壓繼電器粘連失效故障樹模型，并將模型結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行定量、定性分析，得到以下結(jié)論：

（1）通過對(duì)高壓繼電器粘連失效機(jī)理及該故障傳播途徑的分析，確立了電動(dòng)汽車高壓繼電器故障樹模型，找到了引發(fā)粘連失效相關(guān)事件的最小割集，計(jì)算出高壓繼電器的故障概率及相關(guān)底事件的概率重要度和關(guān)鍵性重要度。

（2）結(jié)合故障樹概率重要度和關(guān)鍵性重要度可分析得出，回路短路、線圈驅(qū)動(dòng)異常是引起繼電器粘連失效的主要原因和薄弱環(huán)節(jié)；需要從以上兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)開展相應(yīng)的失效機(jī)理分析從而達(dá)到提高壓繼電器可靠性，降低其發(fā)生粘連失效故障的概率，間接提高整車的可靠性。

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