特種車輛高壓直流供配電系統可靠性提升方法

宋生壯，張 錦，張玉常，李澤宇，夏 歡

(1.北京航天發射技術研究所，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域分析系統可靠度的重要手段[1]，如何與特種車輛高壓供配電系統相結合，是本文的主要研究目的。

本文旨在通過搭建可靠性模型，針對可靠性模型進行計算，分析出制約高壓直流供配電系統可靠性提升的薄弱環節，通過各類補償措施，從系統層面提升產品可靠性。典型高壓直流供配電系統一般由一次能源設備、高壓配電設備、電能變換設備、低壓配電設備和系統控制器組成[2]，然而，由于上述各類產品元器件數量大、單點多，導致系統集成后，存在可靠性低、無故障間隔時間短等缺陷。典型高壓直流供配電系統框圖如圖1所示。

圖1 典型高壓直流供配電系統框圖

其中，為提升車輛適應多種使用工況的能力和集成度，一般會使用自發電的方式作為可持續供電的來源，因此，一次能源一般由發電機組、鋰電池組和充電機組成，鋰電池組既可以接收發電機組供電、也可以通過外接市電使用充電機進行充電；在無市電保障的工況下，通過發電機組+鋰電池組的組合方式，為母線提供高壓直流供電。高壓配電設備主要為系統中各高壓負載供電，同時為系統中電源變換設備供電。電源變換設備將高壓直流電能變換成低壓直流電能，為特種車輛上各類低壓負載供電。低壓配電箱主要將低壓直流電能分配給各低壓負載。系統控制器主要負責進行系統狀態監控，控制配電設備進行上電、下電操作，同時為系統提供必要保護機制。

1 可靠性建模

根據圖1典型高壓直流供配電系統框圖以及各單機設備在系統中所實現的功能，僅考慮無市電保障工況，建立供配電系統可靠性框圖[3-4]，如圖2所示，可靠性框圖為串聯模型，即任意一種設備出現故障，則系統將出現失效情況。

圖2 典型高壓直流供配電系統可靠性框圖

本文所提到的高壓供配電系統，為了提高發電功率密度、降低鋰電池組容量(有效降低成本)，采用的是恒功率發電模式，恒功率發電過程中當功率需求出現變化時，由鋰電池組作為補充功率或卸放功率的緩沖設備，因此在發電機組工作的情況下，鋰電池組必須在線，可靠性建模中二者為串聯關系。

供配電系統可靠度計算公式[5]如下：

RS=RS1×RS2×RS3×RS4×RS5×RS6

(1)

式中，RS為系統可靠度；RS1為系統控制器可靠度；RS2為發電機組可靠度；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 可靠性預計

2.1 可靠性指標分配

供配電系統在某項流程中的可靠性設計指標為0.995，置信度為0.7，平均故障間隔時間(Mean Time Between Failure,MTBF)為2000 h。為保障供配電系統能夠達到對應的可靠性指標，依據供配電系統可靠度計算公式，對系統各單機可靠性進行分配，如表1所示。

表1 可靠性指標分配結果

2.2 單機產品可靠性預計方法

依據GJB/Z 299C—2006《電子設備可靠性預計手冊》和GJB 813—1990《可靠性模型的建立和可靠性預計》中的規定，供配電可靠性預計采用元器件計數法[6]，各參數計算公式如下。

① 設備總失效率(10-6/h)λGS。其計算公式[5]見式(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種元器件的通用質量系數；Ni為第i種元器件的數量；n為設備所用元器件的種類數目。

② 平均故障間隔時間MTBF。其計算公式[5]見式(3)。

(3)

式中，λGi為各單元的失效率；n為設備的單元數量。

③ 用指數分布計算設備的可靠度，計算公式[5]見式(4)。

RS=e-λGS t0

(4)

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

2.3 單機產品可靠性預計結果

以鋰電池組為例，其組成主要包括高壓箱、電池分箱，高壓箱內部含主控模塊、電流傳感器、電壓傳感器、接觸器、保險等電子元器件，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電源電路、采樣電路、輸出電路等分支電路，所含元器件規格達120種，元器件數量6000多種，通過計算得出的高壓鋰電池組單機設備總失效率λGS3=683.2×10-6/h，計算得出的MTBF值僅為1463 h，與可靠性分配值差距較大。

系統控制器、發電機組、DC/DC電源同樣存在以上問題。表2為各單機通過可靠性預計方法計算出的設備總失效率、預計MTBF值以及與實際分配值的對比。

表2 單機可靠性預計結果

3 可靠性提升方法

3.1 設計措施

為提升供配電系統可靠性[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 高壓配電箱內部重點回路，增加冗余接觸器，提升重點回路供電可靠性；

③ DC/DC電源采用多電源模塊并聯的電路拓撲，單一電源模塊失效時，其他電源模塊依然能保證低壓的持續供電能力；

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，重點回路采用雙接觸器并聯方式。

3.2 系統改進后建模

改進后的供配電系統框圖如圖3所示。

圖3 改進后供配電系統框圖

按上文方法重新進行可靠性建模，鋰電池、DC/DC電源變為并聯環節，高壓配電箱、低壓配電箱因設計措施得當總失效率計算結果明顯降低，改進后可靠性模型如圖4所示。

圖4 改進后系統可靠性建模

3.3 系統改進后可靠性預計

按式(1)重新計算供配電系統可靠度，其中并聯模型計算公式[5]見式(5)。

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

(5)

式中，RS31為單個單機的產品可靠度，改進后單機可靠性預計結果如表3所示。

表3 改進后單機可靠性預計結果

4 可靠性驗證及評估

供配電系統可靠性評估依據指數型分布[8-9]計算方法如下。

設產品壽命服從指數分布，某項流程中時間為t0。投試若干樣品(一般至少為3件)，累計試驗時間為T，累計失敗數為f。

評估任務可靠度置信下限RL(t0)，其計算公式[8]見式(6)。

(6)

評估MTBF，其計算公式[8]見式(7)。

(7)

供配電系統獨立或隨特種車輛進行了一系列測試工作。供配電系統各單機設備出廠前均完成環境應力篩選試驗、老煉試驗(常溫200 h或高溫48 h)和部分環境試驗，各單機出廠前平均運行時間達450 h；同時，供配電系統進行了散態匹配試驗，供配電系統期間累計運行時間為650 h。

供配電系統在特種車輛上總裝后，累計工作時間達1100 h，期間供配電系統未發生故障。供配電系統t0=5 h；其余兩套投產產品，每套產品累計運行時間為450 h。因此，三套產品累計試驗時間為T=450+650+1100+2×450=3100 h，所有試驗過程中未出現故障情況，累計失敗此時為f=0。

因此，評估任務可靠度置信下限RL(t0)：

評估無故障降額時間下限MTBFL：

由可靠性評估結果可知，供配電系統可靠度滿足任務書要求。

5 結束語

通過可靠性建模和計算，可以得出高壓直流供配電系統存在產品冗余度不足的問題，導致系統可靠性不能滿足設計指標。通過為鋰電池組、DC/DC電源增加冗余備份，為重點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計，能夠有效提升產品可靠性，經過可靠性試驗驗證，得出可靠性評估結果能夠滿足系統設計需求。

所提供可靠性提升方法可以應用于其他特種車輛高壓直流供配電系統中，為其他同類供配電系統或其他電氣系統設計提供可借鑒的思路。