通信車供電系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

楊 洋，戈建偉，徐傳旭，郭 人，蔡 娜

（北京計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)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(yùn)行、成功完成各種通信任務(wù)、保證車輛生命力的關(guān)鍵。通信車為滿足不同通聯(lián)任務(wù)的需求，上裝有多種通信設(shè)備和電子電氣設(shè)備，用電側(cè)復(fù)雜，如果車輛供電系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)不合理，將導(dǎo)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(yán)重時(shí)甚至造成整個(gè)車載系統(tǒng)的癱瘓。因此，如何對通信車的供電系統(tǒng)進(jìn)行合理的可靠性設(shè)計(jì)，使車輛在穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)任務(wù)通聯(lián)功能的同時(shí)，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(jìn)中能給任務(wù)設(shè)備滿功率供電。供電系統(tǒng)由電機(jī)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(jī)（包括前端蓋、定子、轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)變壓器、后端蓋）以及電機(jī)安裝件（包括安裝架、吊鉤、漲緊輪和導(dǎo)向輪）組成，供電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)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(jī)通過皮帶驅(qū)動交流發(fā)電機(jī)發(fā)電，交流發(fā)電機(jī)為銅轉(zhuǎn)子三相異步電機(jī)，在行車中輸出交流電，并由電機(jī)控制器將交流發(fā)電機(jī)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(wù)設(shè)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(jī)控制器、交流發(fā)電機(jī)和電機(jī)安裝件3 個(gè)單元串聯(lián)組成。其中電機(jī)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(gè)部件串聯(lián)組成。交流發(fā)電機(jī)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(gè)部件串聯(lián)組成。電機(jī)安裝件單元的可靠性模型為安裝架、吊鉤、漲緊輪、導(dǎo)向輪4 個(gè)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(jì)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(shí)間3 000 h 分配給供電系統(tǒng)各部件。

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

組成系統(tǒng)的各單元評分?jǐn)?shù)wi和系統(tǒng)評分?jǐn)?shù)w的計(jì)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(jì)算公式為

各單元分配值δi的計(jì)算公式為

式中，tMTBF為平均故障工作時(shí)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(shí)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(jī)控制器單元可靠性分配結(jié)果

表4 電機(jī)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(jī)控制器單元的可靠性分配值最低，而在電機(jī)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(jī)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(jī)控制器單元中兩個(gè)最為重要的組成部件。電機(jī)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(jī)運(yùn)行磁場和建立輸出電壓，在運(yùn)行過程中，電機(jī)控制部件實(shí)時(shí)檢測輸出電壓、輸出電流、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等模擬量，通過對輸出電壓的閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差（改變電流和磁場），以實(shí)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?fù)潆娐纷儞Q成220 V/50 Hz 交流電，具有多環(huán)路復(fù)合控制，如電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)、前饋控制環(huán)路、重復(fù)控制環(huán)路等，使逆變器在各種負(fù)載工況下都能有較快的動態(tài)響應(yīng)和較高的穩(wěn)態(tài)精度[5-6]。

基于電機(jī)控制板和逆變控制板極為復(fù)雜的閉環(huán)控制功能，其復(fù)雜程度和技術(shù)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(yīng)最低。

通過上述供電系統(tǒng)各部件的可靠性分配，落實(shí)了供電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，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(shí)也顯示出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)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(jìn)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(jī)控制器、交流發(fā)電機(jī)、電機(jī)安裝件；

3）最低約定層次為電機(jī)控制器內(nèi)功能模塊。

3.2 故障判據(jù)

當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)如下情況時(shí)，判斷為故障：

1）無輸出電壓；

2）上電后，上報(bào)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(yán)酷度類別定義

確定每一個(gè)故障模式和產(chǎn)品的嚴(yán)酷度類別的目的在于為安排改進(jìn)措施提供依據(jù)。優(yōu)先考慮消除Ⅰ類和Ⅱ類故障模式。當(dāng)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(shí)，也應(yīng)該采取措施，嚴(yán)酷度定義[9-10]如表5 所示。

表5 供電系統(tǒng)嚴(yán)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(yán)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(yán)重，會直接導(dǎo)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(xiàng)薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)針對發(fā)電控制板和逆變控制板重點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)。

4 可靠性設(shè)計(jì)

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

4.1 工藝設(shè)計(jì)

1）采用自動貼片機(jī)、回流焊接設(shè)備進(jìn)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(xué)檢測（Automated Optical Inspection, AOI）設(shè)備焊點(diǎn)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(shè)備，對發(fā)電控制板和逆變控制板的清洗步驟、次數(shù)、時(shí)間等控制因素進(jìn)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(jìn)行嚴(yán)格控制和篩選，優(yōu)先選用高性能系列化產(chǎn)品，并進(jìn)行滿載連續(xù)工作老化試驗(yàn)。

4.3 裕度設(shè)計(jì)

在發(fā)電控制板和逆變控制板的電路設(shè)計(jì)中進(jìn)行降額（85%）使用。

4.4 耐環(huán)境設(shè)計(jì)

1）在發(fā)電控制板和逆變控制板的電路設(shè)計(jì)時(shí)對于電阻、電容、功率器件及部分發(fā)熱器件預(yù)留設(shè)計(jì)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(jìn)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(shè)備自動三防處理，嚴(yán)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(jìn)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(biāo)進(jìn)行了合理分配，使供電系統(tǒng)各單元的平均故障工作時(shí)間更符合供電系統(tǒng)可靠性的實(shí)際要求。同時(shí)根據(jù)供電系統(tǒng)的可靠性模型，進(jìn)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(jìn)行了相應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)（包括工藝設(shè)計(jì)、元器件質(zhì)量控制、裕度設(shè)計(jì)和耐環(huán)境設(shè)計(jì)），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。