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1、插电式混合动力汽车电驱动系统的可靠性分析 柳炽伟;景玉军;王升平;郭美华【摘 要】对插电式混合动力汽车(简称 PHEV)维修记录数据进行统计分析,建立了基于威布尔分布的电驱动系统各子系统的故障模型及系统的竞争风险模型,掌握其故障率发展规律.在此基础上提出基于相对失效率及系统变故障率特性的可靠性分配方法,对插电式混合电驱动系统进行可靠性分配;并分析各子系统的故障原因,确定其权重排序,找到混合电驱动系统可靠性改进设计的关键单元,提出可靠性增长的措施.【期刊名称】汽车零部件【年(卷),期】2019(000)003【总页数】4 页(P72-75)【关键词】插电式混合动力汽车;可靠性;故障率;可靠性分配
2、;威布尔分布【作 者】柳炽伟;景玉军;王升平;郭美华【作者单位】中山职业技术学院机电工程学院,广东 中山 528404;中山职业技术学院机电工程学院,广东 中山 528404;中山职业技术学院机电工程学院,广东 中山 528404;中山职业技术学院机电工程学院,广东 中山 528404【正文语种】中 文【中图分类】U469.72 0 引言 在环保要求及国家政策大力推动下，纯电动和插电式混合动力汽车已成为公交车更新选用的最主要两种电动车型。在电动汽车的使用过程中发现，涉及电机及控制器、动力混合传动装置、电池与电源管理等新技术系统的故障比例较高，尤其是插电式混合动力汽车，兼具内燃机与电驱动系统，结
3、构与技术更复杂。本文作者对车辆使用故障数据进行统计分析，掌握电动汽车动力系统的故障规律，建立其使用可靠性模型，进行可靠性分配设计和可靠性提升策略分析，对提高车辆的固有可靠性和使用可靠性均具有十分积极的意义。1 数据统计分析 1.1 数据采集 文中按定时截尾方式，随机抽取 20 辆某公交公司同批次型号为“6106AGHEV15”的 LNG 插电式混合动力客车，采集其从 2015 年 4 月开始投入使用到 2017 年 7 月止共 820 天 916 个维修记录数据，并进行整理分析。数据采集的原则依据标准汽车整车产品质量检验评定方法1，对同一时间不同零件、不同模式故障分别统计，人为或返修的故障不重
4、复统计。1.2 系统故障构成分析 该批 LNG 插电式混合动力客车是并联式混合动力结构，通过离合器控制发动机动力接入。文中主要研究区别于传统公交车的混合电驱动系统(不含发动机)等新技术装置的可靠性，主要包括：(1)混合动力控制系统(Hybrid Power Control System,HCM)；(2)自动变速器本体(Automatic Manual Transmission,AMT)及控制器(Transmission Control Unit,TCU)；(3)电机及控制器(Motor Control Unit,MCU)；(4)动力电池组及管理系统(Battery Management Sys
5、tem,BMS)；(5)电机系统冷却装置等 5 个子系统。发动机动力输入与否是由 HCM 指令 TCU，控制电动离合器执行器(ECA)动作来执行，出现故障时通过 HCM 系统警告。为便于统计，将其故障纳入 HCM 系统。电机及其控制器的冷却装置涉及到机、电、液等工作状况，可作为一个独立的系统进行分析。LNG 发动机、主驱动桥等动力或传动装置与传统车型无大的差异，文中不进行统计分析。在所有 916 个数据中筛选出与插电式混合动力系统(Plug in Hybrid Power System,PHPS)相关故障记录350 个(不含发动机)，占比 38.21%；发动机相关故障 139 个，占比 15.
6、17%；其他故障 423 个，占比 46.62%。进一步分析 PHPS 故障数据，得到上述 5 个子系统的故障频次权重如图 1 所示。图 1 混合动力系统中各子系统故障权重 2 可靠性建模 根据 PHPS 可靠性逻辑结构和功能特点，其可靠性模型是竞争风险模型(串联模型)，要确定 PHPS 可靠性应先建立各个子系统的可靠性模型。为简化分析，假设单元(指系统、子系统或元件)只有正常或故障两种状态，而且各单元是独立的，出现故障互不影响。2.1 确定子系统故障分布类型 考虑到可维修系统的故障间隔时间比首次故障时间模型更具实际意义，文中统计了5 个子系统的故障间隔时间，采用 Johnson 中位秩法估计
7、经验概率值，利用MATLAB 软件 Wblplot 函数适配相应的概率图。因各系统 WPP 图形状基本都接近直线，符合威布尔分布。2.2 模型参数估计 三参数威布尔分布的故障概率密度和可靠性模型分别如式(1)、(2)所示：f(x)=(x-)-1/exp-(x-)/x(1)R(t)=exp-(t-)/(2)式中：为形状参数，决定概率密度曲线的基本形状；为尺度参数，表征分布的离散程度；为位置参数，决定曲线与坐标轴的相对位置。参数估计方法常见的类型有图形法和解析法。图形法较简单，以往工程应用较多，但相对精度不高。解析法包括矩法、最小二乘法、线性回归法、极大似然法等，极大似然法对完整数据或截尾数据都是
8、适用的。由于 PHPS 样本已知各子系统故障首次发生时间，为简化计算，可将时间坐标平移，转化为两参数模型进行计算，再应用 MATLAB 中的 Wblfit 函数，可较方便地计算出模型参数。2.3 拟合优度检验 K-S 检验法是检验经验分布函数与所拟合(假设)的理论分布函数之间的最大偏差是否在临界值内。在 MATLAB 中，利用 Kstest 函数进行 K-S 检验。该函数中有内置的临界值表，对应于 5 种不同的显著性水平。Kstest 函数把计算出的检验 p 值与用户指定的显著性水平(默认值 0.05)作比较，对于双侧检验，当 p/2 时，拒绝原假设。通过以上步骤的分析计算，可得到 PHPS
9、的 5 个子系统的可靠性分布类型、模型参数、拟合度检验的 p 值等数据见表 1。根据 K-S 检验，各子系统检验值 h=0，p/2，故障的威布尔分布模型假设成立。表 1 PHPS 及子系统可靠性模型参数及检验 p 值参数子系统 1 子系统 2 子系统 3子系统 4 子系统 50.753 80.840 90.879 20.902 81.049 168.591 2173.527 6165.044 6127.484 4248.200 4p0.149 10.561 50.776 00.711 20.733 3 2.4 建立 PHPS 串联系统模型 对于一个复杂的系统可靠性分析，常常分别建立各个子系统的
10、可靠性模型后，再依据其逻辑关系构建整个系统的可靠性模型。文中 PHPS 由 5 个子系统组成，其中任何一个系统失效，都会导致系统不能正常工作，即其逻辑关系为串联系统。设 n 为系统(或单元、症状)个数，且 PHPS 5 个子系统均为威布尔分布，它们串联组成的系统一般也符合威布尔分布，PHPS 的串联可靠度和故障率模型为 (3)(4)依式(3)，选取 200 天时间范围内均分的 25 个时间点，分别计算出对应的可靠度值，利用最小二乘法拟合威布尔分布的模型参数2-3，可得=0.845 7，=20.979 2，=0，则 PHPS 的可靠度竞争风险模型为 Rs(t)=exp-(t/20.979 2)0
11、.845 7(5)3 可靠性分析 3.1 故障率曲线分析 分析故障率发展规律，对各子系统维修方式的决策、维修周期优化以及可靠性保障策略研究均有重要意义。威布尔分布的故障率模型如下：(t)=(t-)-1/(6)将表 1 中 5 个子系统的参数值代入式(6)，可得到各子系统的故障率函数，分别作出其故障率曲线图进行分析。5 个子系统的故障率曲线图分为两种类型，一类形状如图 2 所示(子系统 1)。在最初行驶的两个月时间故障率由高到低快速下降，然后进入一个相对缓慢下降的阶段，类似于“浴盆曲线”的前半段。子系统2、3、4的故障率曲线形状都与子系统 1 相似，它们的形状参数均小于 1，呈递减的趋势，故障率
12、从快速下降进入缓慢下降的时间域则不相同。图 2 子系统 1 故障率曲线 另一类型如图 3 所示(子系统 5)，故障率在车辆行驶初期急速上升，然后进入一个相对平稳上升的阶段。对于第一种类型的子系统，一般在使用中不需要进行预防性维修，以免更新后使系统故障率更高。子系统 5 则可通过合适的预防性维修，提高系统的使用可靠性，延长系统故障间隔时间。图 3 子系统 5 故障率曲线 3.2 电驱动系统可靠性分配 系统可靠性分配的方法有很多，常见的如等同分配法、相对失效率分配法、加权修正法、综合评分法等4-5。等同分配法只注重使各零件使用寿命有相近的使用经济性目标，忽略了各系统的结构复杂性、改进成本、重要度、
13、失效率等因素的影响。通过知网等查询可知，当前各种因素对新能源汽车电驱动系统可靠性的实际影响程度缺乏参考数据，采用综合评分法、加权修正法等过分依赖主观判断，因此根据电驱动系统的故障规律，采用相对失效率分配法进行可靠性分析更符合工程实际。注意到许多故障率分配研究对象均符合指数分布(故障率不变)4-5，而由 PHPS系统威布尔分布模型 1 可知系统故障率是变化的，应保证走合期及每个维护周期一级维护周期约 20 天/(5 000 km)末的可靠性和安全性达到 0.95，并进一步确定子系统的容许故障率和可靠度分配值。计算步骤如下：(1)将表 1 的相应参数值分别代入式(2)、式(4)，可计算出 t=20
14、 天时子系统实际可靠度 R1i 及系统实际可靠度 R1s。(2)可靠度与故障率存在以下关系：R(t)=exp(-t)(7)各子系统模型参数分别代入式(6)，可以求得 t=20 天时子系统实际瞬时故障率 1i、系统实际瞬时故障率 1s 以及 Rs=0.9 时目标故障率 2s。(3)各子系统的实际故障率权重为 (8)则各子系统目标容许故障率为 2i=wi2s(9)按上述步骤，计算出各 PHPS 子系统的目标可靠度分配值见表 2。表 2 PHPS 实际可靠性指标及目标可靠性指标分配值名称 MTBFR1i1iwiR2i2i子系统 1114.690.673 70.014 90.365 20.971 20
15、.003 1 子系统 2200.000.850 00.006 80.166 70.982 80.001 4 子系统 3565.520.855 20.006 90.169 10.980 50.001 4 子系统 4234.290.828 80.008 50.208 30.974 30.001 7 子系统5630.770.931 30.003 70.090 70.982 60.000 8 全系统 S38.770.378 00.040 81.000 00.900 00.008 4 由表可见 PHPS 可靠度较低，如果要从现有的 0.378 0 提升到 0.9，改进的幅度较大。例如可靠性影响权重最大的
16、子系统 1 的可靠度要达到目标值 0.971 2，则故障率要从原来的 0.014 9 次/天下降到 0.003 1 次/天。3.3 PHPS 的故障原因分析 对主要故障进行分析，确定其故障因素的权重和排序，对电动车可靠性设计、诊断专家系统的推理机优化等具有现实意义6。插电式混合动力公交车 PHPS 常见故障现象有混合动力系统失效报警、不能起动、不能行驶、不升挡(或迟滞)、换挡冲击大、跳挡、电池高温或过压报警、电机高温报警等。涉及到的 5 个子系统的故障部位或维修措施情况可参见表 3，其中权重依下式计算：(10)式中：qij 指第 i 个子系统第 j 个故障原因的发生频次权重；qis 指第 i
17、个子系统在PHPS 系统中的故障频次权重，参考图 1 所示；Qij 指第 i 个子单元第 j 个故障原因的故障频次；n 指第 i 个子系统具有的故障原因总数。表 3 PHPS 子系统故障原因及权重子系统 1 子系统 2 子系统 3 子系统 4 子系统5(1)离合器位置传感器损坏 0.117;(2)调校程序离合器自学习 0.097;(3)拆换离合器机构 0.080;(4)混合动力系统线路 0.057;(5)CAN 总线故障 0.034;(6)蓄电池不储电0.023;(7)离合器压盘异常磨损 0.006;(8)混合动力控制单元 0.003(1)选挡自学习0.086;(2)修换换挡机构电机 0.04
18、9;(3)AMT 相关线路 0.034;(4)CAN 总线故障0.017;(5)TCU 电源保险丝烧断 0.014;(6)选挡感应器 0.011;(7)更换 TCU 单元0.011;(8)维修或更换变速器 0.006(1)控制器和逆变器 0.046;(2)电机故障 0.014;(3)刷新电机控制器数据 0.011;(4)系统线路 0.011;(5)CAN 总线故障 0.003(1)电池滤芯更换 0.100;(2)电池过压差自锁 0.034;(3)BMS 线路 0.029;(4)CAN 总线故障0.014;(5)动力电池散热风扇 0.009;(6)高压继电器粘连 0.009(1)散热风扇相关线路
19、0.026;(2)水泵故障 0.023;(3)冷却系统水管漏水 0.011;(4)水位传感器损坏 0.003;(5)辅助冷却散热器损坏 0.003 注：表中故障原因后面的数值是该故障在所有 PHPS 故障中所占权值。由表可见降低离合器及选换挡的故障率是提升 PHPS 可靠性的关键因素：一方面新车型需要在实际使用环境中进行优化升级，及时反馈设计部门完善相应的控制程序；另一方面，应加强控制系统和 CAN 总线等抗电磁干扰的保护设计，减少控制器及其信号受干扰的影响；此外离合器位置传感器等感应器的稳定性、抗干扰性、可靠性等性能要积极改进。在子系统 3 中，电机的控制器和逆变器故障率相对较高。大功率电子
20、器件工作时容易出现过流过压过热等问题，控制器内含高低压组成的系统，传导、辐射等干扰类型和耦合路径多，应充分提高 MOSFET 或 IGBT、电容等元件的可靠性，完善散热系统、各模块保护电路的设计方案。在子系统 4的故障中，更换电池滤芯占了 51%，说明插电式混合动力汽车的维护策略和计划应进行优化并落实执行。涉及到单体电池电压过低(过压报警)或 SOC(State of Charge)过高过低的报警故障，可通过提高 SOC 预估算法的控制精度以及硬件设计水平来提升。4 结论 利用插电式混合动力公交车辆的历史维修数据，可建立基于威布尔分布的PHPS各子系统的故障模型，以及系统的竞争风险模型，以掌握
21、系统故障率发展的规律。在此基础上，根据汽车可靠度指标要求，提出了基于相对失效率的变故障率电驱动系统的可靠性分配设计方法，比较方便合理地对 PHPS 进行可靠性分配设计。通过对子系统各个故障原因或部位的统计分析，确定其权重排序，找到了提升系统可靠性的关键部位和因素，提出初步的解决措施。文中可靠性分配的研究方法和结果，为新能源汽车的可靠性设计及使用可靠性的保障提供了借鉴和依据。【相关文献】1中华人民共和国机械工业部汽车整车产品质量检验评定方法：QC/T 900-1997S1997 2柳炽伟,李礼夫,景玉军.液化天然气客车维护周期优化的研究J.客车技术与研究,2017,39(1):14-16.LIU
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