基于多維T-S船用電池管理系統動態故障樹分析

李霞林，李 圍，趙 權，趙 勝，鄭雨龍

基于多維T-S船用電池管理系統動態故障樹分析

李霞林，李 圍，趙 權，趙 勝，鄭雨龍

（武漢船用電力推進及化學電源研究所，武漢 430064）

本文對船用電池管理系統基本事件進行分析，根據電池管理系統原理建立T-S動態故障樹,構建了T-S動態門及其連續時間描述規則，搭建事件描述方法和數學模型。利用連續時間T-S動態故障樹算法計算電池管理系統可靠性，分別計算各基本事件的概率重要度、關鍵重要度和綜合重要度；根據計算結果對基本事件進行排序。

電池管理系統 T-S故障樹 可靠度 綜合重要度

0 引言

隨著船舶動力系統在環保性、安全性要求越來越高的趨勢下，以鋰二次電池為代表的動力電池組越來越廣泛的應用于新能源船舶上。為了進一步提高船用電池系統可靠性、安全性和維修性，本文根據船用電池管理系統原理建立T-S動態故障樹，分析了系統可靠度和各基本事件的重要度，對于電池管理系統的設計和維修具有指導意義。

1 電池管理系統T-S動態故障樹建立

船用電池管理系統由電池檢測單元和電池管理單元組成，原理見圖1。

根據電池管理系統結構和工作原理[1]，結合電池管理系統故障形成機理建造電池管理系統的T-S動態故障樹[6]，如圖2。

圖1 船用電池管理系統原理圖

基本時間Xi（i=1，2..........11）對應的事件名稱[2]及故障概率λ見表1，且壽命均服從指數分布，任務時間tM=86400 h。

圖2 電池管理系統故障樹

表1 基本事件及其故障率

用沖激函數描述上級事件y與下級時間xi失效時刻關系，即

描述T-S動態門連續時間規則。G1-G4門的事件時序描述規則，分別見表2～5。

表2 G1門的事件順序描述規則

表2 G2門的事件順序描述規則

表3 G3門的事件順序描述規則

表4 G4門的事件順序描述規則

2 故障樹計算

2.1 頂事件在任務時間內的故障率

利用下事件各故障狀態的可靠數據，可以計算出上級事件的故障概率密度函數，計算頂事件T的故障概率密度函數在規定工作時間t內積分進而求得頂事件T的故障概率分布函數。

電池管理系統故障概率隨時間變化的曲線如圖3。

圖3 系統故障概率曲線

通過系統故障概率曲線可以看出，故障在工作時間中后期呈現幾何級增長。根據計算，將tM=86400代如，頂事件T的故障概率為：0.1024。

2.2 概率重要度計算

概率重要度反映基本事件xi在任務時間內從正常狀態變為故障狀態時頂事件T故障概率的變化值[3]。

2.3 關鍵重要度計算

關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致頂事件T可靠性變化的數學期望[4]。

根據上述計算公式，各基本事件的重要度見表5。

表5 基本事件重要度

通過計算分析，電池管理系統在10年的工作周期內可靠度為0.1024。

各基本事件概率重要度排序為：

關鍵重要度排序為：

綜合重要度排序為：

3 結語

本文對船用電池管理系統的基本事件進行了深入分析，建立了連續時間多維T-S故障樹；根據故障機理，描述了事件規則，最終建立數學模型，計算了電池管理系統10年工作壽命內的故障率，并就各基本事件的重要度進行計算[5]。通過計算表明電池管理系統10年內故障率為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>安全保護策略>電芯溫度采集>SOC估算>總電流檢測>總電壓檢測>狀態自檢。

[1] 姚成玉, 陳東寧. T-S故障樹理論及其應用. 國防工業出版社: 304-385.

[2] 曹寶劍, 謝先宇, 魏學哲. 電動汽車鋰電池管理系統故障診斷研究[J]. 2012年全國工業控制計算機年會, 200-206.

[3] 潘駿, 靳方建, 陳文華, 等. 多臺同型產品同步糾正可靠性增長試驗數據統計分析方法研究[J]. 中國機械工程, 2013, 24(11): 1500-1504.

[4] Huang X Z. The generic method of the multistate fault tree analysis [J]. Microelectronics Reliability, 1984, 24(4): 617-622.

[5] 羅航. 故障樹分析的若干關鍵問題研究[D]. 成都: 電子科技大學, 2011.

[6] 常玉崗, 王國玲, 許順孝, 李曉英, 俞萬能. 高可靠性的船用多重冗余鋰電池管理系統研發[J]. 船舶工程, 2016, 38(4): 31-34, 90.

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）

文獻標識碼：A 文章編號：1003-4862（2023）06-0000-00

2022-08-03

李霞林（1985-），男，工程師。研究方向：電源管理系統及設計研發。E-mail: lixinnan0407@163.com