特种车辆高压直流供配电系统可靠性提升方法

宋生壮，张 锦，张玉常，李泽宇，夏 欢

(1.北京航天发射技术研究所，北京 100076；2.火箭军驻某部军事代表室，北京 100076)

可靠性分析方法作为军工领域分析系统可靠度的重要手段[1]，如何与特种车辆高压供配电系统相结合，是本文的主要研究目的。

本文旨在通过搭建可靠性模型，针对可靠性模型进行计算，分析出制约高压直流供配电系统可靠性提升的薄弱环节，通过各类补偿措施，从系统层面提升产品可靠性。典型高压直流供配电系统一般由一次能源设备、高压配电设备、电能变换设备、低压配电设备和系统控制器组成[2]，然而，由于上述各类产品元器件数量大、单点多，导致系统集成后，存在可靠性低、无故障间隔时间短等缺陷。典型高压直流供配电系统框图如图1所示。

图1 典型高压直流供配电系统框图

其中，为提升车辆适应多种使用工况的能力和集成度，一般会使用自发电的方式作为可持续供电的来源，因此，一次能源一般由发电机组、锂电池组和充电机组成，锂电池组既可以接收发电机组供电、也可以通过外接市电使用充电机进行充电；在无市电保障的工况下，通过发电机组+锂电池组的组合方式，为母线提供高压直流供电。高压配电设备主要为系统中各高压负载供电，同时为系统中电源变换设备供电。电源变换设备将高压直流电能变换成低压直流电能，为特种车辆上各类低压负载供电。低压配电箱主要将低压直流电能分配给各低压负载。系统控制器主要负责进行系统状态监控，控制配电设备进行上电、下电操作，同时为系统提供必要保护机制。

1 可靠性建模

根据图1典型高压直流供配电系统框图以及各单机设备在系统中所实现的功能，仅考虑无市电保障工况，建立供配电系统可靠性框图[3-4]，如图2所示，可靠性框图为串联模型，即任意一种设备出现故障，则系统将出现失效情况。

图2 典型高压直流供配电系统可靠性框图

本文所提到的高压供配电系统，为了提高发电功率密度、降低锂电池组容量(有效降低成本)，采用的是恒功率发电模式，恒功率发电过程中当功率需求出现变化时，由锂电池组作为补充功率或卸放功率的缓冲设备，因此在发电机组工作的情况下，锂电池组必须在线，可靠性建模中二者为串联关系。

供配电系统可靠度计算公式[5]如下：

RS=RS1×RS2×RS3×RS4×RS5×RS6

(1)

式中，RS为系统可靠度；RS1为系统控制器可靠度；RS2为发电机组可靠度；RS3为高压锂电池的可靠度；RS4为高压智能配电箱可靠度；RS5为DC/DC电源可靠度；RS6为低压配电箱可靠度。

2 可靠性预计

2.1 可靠性指标分配

供配电系统在某项流程中的可靠性设计指标为0.995，置信度为0.7，平均故障间隔时间(Mean Time Between Failure,MTBF)为2000 h。为保障供配电系统能够达到对应的可靠性指标，依据供配电系统可靠度计算公式，对系统各单机可靠性进行分配，如表1所示。

表1 可靠性指标分配结果

2.2 单机产品可靠性预计方法

依据GJB/Z 299C—2006《电子设备可靠性预计手册》和GJB 813—1990《可靠性模型的建立和可靠性预计》中的规定，供配电可靠性预计采用元器件计数法[6]，各参数计算公式如下。

① 设备总失效率(10-6/h)λGS。其计算公式[5]见式(2)。

(2)

式中，λG为第i种元器件的通用失效率(10-6/h)；πQ为第i种元器件的通用质量系数；Ni为第i种元器件的数量；n为设备所用元器件的种类数目。

② 平均故障间隔时间MTBF。其计算公式[5]见式(3)。

(3)

式中，λGi为各单元的失效率；n为设备的单元数量。

③ 用指数分布计算设备的可靠度，计算公式[5]见式(4)。

RS=e-λGS t0

(4)

式中，RS为设备的可靠度；λGS为设备总失效率(10-6/h)；t0为工作时间(h)。

2.3 单机产品可靠性预计结果

以锂电池组为例，其组成主要包括高压箱、电池分箱，高压箱内部含主控模块、电流传感器、电压传感器、接触器、保险等电子元器件，电池分箱主要包括从控模块、温度传感器等电子元器件，主控模块、从控模块又各包含各类电源电路、采样电路、输出电路等分支电路，所含元器件规格达120种，元器件数量6000多种，通过计算得出的高压锂电池组单机设备总失效率λGS3=683.2×10-6/h，计算得出的MTBF值仅为1463 h，与可靠性分配值差距较大。

系统控制器、发电机组、DC/DC电源同样存在以上问题。表2为各单机通过可靠性预计方法计算出的设备总失效率、预计MTBF值以及与实际分配值的对比。

表2 单机可靠性预计结果

3 可靠性提升方法

3.1 设计措施

为提升供配电系统可靠性[7]，采取以下措施：

① 增加一组锂电池作为原有锂电池组的冗余备份；

② 高压配电箱内部重点回路，增加冗余接触器，提升重点回路供电可靠性；

③ DC/DC电源采用多电源模块并联的电路拓扑，单一电源模块失效时，其他电源模块依然能保证低压的持续供电能力；

④ 低压配电箱前端增加一组铅酸蓄电池，采用DC/DC电源浮充的模式，提升配电箱前端供电的可靠性；

⑤ 低压配电箱采用与高压配电箱相同的冗余方法，重点回路采用双接触器并联方式。

3.2 系统改进后建模

改进后的供配电系统框图如图3所示。

图3 改进后供配电系统框图

按上文方法重新进行可靠性建模，锂电池、DC/DC电源变为并联环节，高压配电箱、低压配电箱因设计措施得当总失效率计算结果明显降低，改进后可靠性模型如图4所示。

图4 改进后系统可靠性建模

3.3 系统改进后可靠性预计

按式(1)重新计算供配电系统可靠度，其中并联模型计算公式[5]见式(5)。

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

(5)

式中，RS31为单个单机的产品可靠度，改进后单机可靠性预计结果如表3所示。

表3 改进后单机可靠性预计结果

4 可靠性验证及评估

供配电系统可靠性评估依据指数型分布[8-9]计算方法如下。

设产品寿命服从指数分布，某项流程中时间为t0。投试若干样品(一般至少为3件)，累计试验时间为T，累计失败数为f。

评估任务可靠度置信下限RL(t0)，其计算公式[8]见式(6)。

(6)

评估MTBF，其计算公式[8]见式(7)。

(7)

供配电系统独立或随特种车辆进行了一系列测试工作。供配电系统各单机设备出厂前均完成环境应力筛选试验、老炼试验(常温200 h或高温48 h)和部分环境试验，各单机出厂前平均运行时间达450 h；同时，供配电系统进行了散态匹配试验，供配电系统期间累计运行时间为650 h。

供配电系统在特种车辆上总装后，累计工作时间达1100 h，期间供配电系统未发生故障。供配电系统t0=5 h；其余两套投产产品，每套产品累计运行时间为450 h。因此，三套产品累计试验时间为T=450+650+1100+2×450=3100 h，所有试验过程中未出现故障情况，累计失败此时为f=0。

因此，评估任务可靠度置信下限RL(t0)：

评估无故障降额时间下限MTBFL：

由可靠性评估结果可知，供配电系统可靠度满足任务书要求。

5 结束语

通过可靠性建模和计算，可以得出高压直流供配电系统存在产品冗余度不足的问题，导致系统可靠性不能满足设计指标。通过为锂电池组、DC/DC电源增加冗余备份，为重点配电回路增加冗余接触器，为低压配电箱前端增加铅酸蓄电池等设计，能够有效提升产品可靠性，经过可靠性试验验证，得出可靠性评估结果能够满足系统设计需求。

所提供可靠性提升方法可以应用于其他特种车辆高压直流供配电系统中，为其他同类供配电系统或其他电气系统设计提供可借鉴的思路。