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純電動(dòng)商用車動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)開(kāi)發(fā)

2021-03-03 11:22:33·  來(lái)源：Battery Insight view  作者：battery 風(fēng)清揚(yáng)  
　
0引言 動(dòng)力電池系統(tǒng)是一個(gè)包含化學(xué),電學(xué),熱力學(xué)等多種變化的復(fù)雜系統(tǒng)?對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析,需要了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)故障機(jī)理,理清故障發(fā)生的邏輯順序,從而能夠采取有效措施避免故障發(fā)生,提高系統(tǒng)的可靠性? 本文通過(guò)分析動(dòng)力電池系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),研究了
0引言
 
動(dòng)力電池系統(tǒng)是一個(gè)包含化學(xué),電學(xué),熱力學(xué)等多種變化的復(fù)雜系統(tǒng)?對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析,需要了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)故障機(jī)理,理清故障發(fā)生的邏輯順序,從而能夠采取有效措施避免故障發(fā)生,提高系統(tǒng)的可靠性?
本文通過(guò)分析動(dòng)力電池系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),研究了動(dòng)力電池常見(jiàn)故障和故障產(chǎn)生原因,并通過(guò)文獻(xiàn)查閱對(duì)動(dòng)力電池傳統(tǒng)靜態(tài)故障樹(shù)分析法進(jìn)行了分析總結(jié)?并且針對(duì)電池系統(tǒng)的復(fù)雜性引入了動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析方法,介紹了該方法的特點(diǎn)以及優(yōu)勢(shì),并針對(duì)電池中相對(duì)復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)建立了動(dòng)態(tài)故障樹(shù)模型,為電池系統(tǒng)中的復(fù)雜動(dòng)態(tài)故障診斷分析提供了新思路?
 
1動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 
動(dòng)力電池系統(tǒng)主要包含電池模組?電池管理系統(tǒng)(BMS)?熱管理系統(tǒng)?電氣及機(jī)械組件四大部分?電池模組是由電池單體經(jīng)過(guò)串并聯(lián)組合而成的電量存儲(chǔ)體?電池管理系統(tǒng)BMS是對(duì)電池性能和健康狀況進(jìn)行監(jiān)控和性能管理的重要部件,其中包含傳感器,執(zhí)行器,主控芯片等,對(duì)電池的電壓,電流溫度和外殼絕緣等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并對(duì)檢測(cè)到的故障做出及時(shí)處理?熱管理系統(tǒng)不同于BMS系統(tǒng),主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制,一般是對(duì)電池進(jìn)行冷卻,所以也稱為冷卻系統(tǒng)?從形式上看,冷卻系統(tǒng)有風(fēng)冷?液冷?相變材料冷卻等幾種冷卻形式,不同的冷卻方式在動(dòng)力電池系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)布置上也有所不同?電氣及機(jī)械組件包含電池箱體,高低壓連接線束,機(jī)械接插件和一些輔助密封材料等?
 
2動(dòng)力電池故障分類及產(chǎn)生原因
 
電池系統(tǒng)是一個(gè)龐大且復(fù)雜的系統(tǒng),存在各種各樣的故障,因此需要對(duì)電池系統(tǒng)故障類型進(jìn)行總結(jié)?根據(jù)大量電池系統(tǒng)故障經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以將電池系統(tǒng)的故障分成以下三個(gè)大類:性能故障,熱異常故障,BMS故障?電池良好的性能是保證整車動(dòng)力系統(tǒng)正常工作的前提?電池的性能參數(shù)包含電壓,電池內(nèi)阻,電池容量和SOC等?從實(shí)際使用中來(lái)看,性能故障包含電壓故障,容量故障,絕緣故障?產(chǎn)生這些故障的原因主要有內(nèi)外兩個(gè)方面?內(nèi)部原因主要是電池單體內(nèi)部老化衰減和電池成組過(guò)程中的線路腐蝕,外部原因主要是考慮電池使用過(guò)程的操作不當(dāng)引起的,如充電不足,過(guò)充?過(guò)放等異常的充放電?熱異常故障是指電池系統(tǒng)溫度出現(xiàn)異常,通常指過(guò)熱,這會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)工作故障,甚至引發(fā)火災(zāi)?熱異常的產(chǎn)生一般是三個(gè)方面:
1)電池冷卻系統(tǒng)的異常電池冷卻系統(tǒng)的種類不同,具體產(chǎn)生故障的原因也有所不同?
2)電池包的發(fā)熱異常電池包產(chǎn)生太多熱量導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)無(wú)法對(duì)電池包進(jìn)行降溫?發(fā)熱異常可以從單體和電池包整體來(lái)看?漏液?內(nèi)部短路?過(guò)充過(guò)放都會(huì)引起單體的發(fā)熱異常?電池包的發(fā)熱異常通常是電池包過(guò)大,過(guò)重,以及殘次品的原因?qū)е碌?
3)設(shè)計(jì)缺陷主要是指電池的散熱能力和電池的產(chǎn)熱不匹配,通常是在電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中就會(huì)考慮的一項(xiàng)故障問(wèn)題?BMS故障指的是電池管理系統(tǒng)產(chǎn)生故障?BMS系統(tǒng)是電池使用過(guò)程中保證安全,保證電池正常工作最為重要的部件?BMS故障可以概括為通信故障,傳感器故障,執(zhí)行器異常三類?
 
3動(dòng)力電池靜態(tài)故障樹(shù)
 
故障樹(shù)分析法(Fault Tree Analysis, FTA),是通過(guò)分析系統(tǒng)產(chǎn)生故障的各種因素,繪制系統(tǒng)故障發(fā)生的邏輯圖,從而確定造成系統(tǒng)故障原因的可能組合和發(fā)生概率的方法?它對(duì)于提高系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)以及分析有很大的幫助,且具有直觀性?層次性?系統(tǒng)性等特點(diǎn),是目前對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分析發(fā)展最為完善,應(yīng)用最為廣泛的分析方法?傳統(tǒng)故障樹(shù)分析法是不考慮系統(tǒng)特性隨時(shí)間變化的靜態(tài)系統(tǒng)分析方法,所以也稱為靜態(tài)故障樹(shù)或者標(biāo)準(zhǔn)故障樹(shù)(Standard Fault Tree, SFT)?而動(dòng)態(tài)故障樹(shù)是(Dynamic Fault Tree, DFT)充分考慮了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,滿足了現(xiàn)代實(shí)際工程系統(tǒng)的先進(jìn)分析方法?
故障樹(shù)是一種樹(shù)狀圖展示的邏輯演繹法,由一些基本的圖形符號(hào)根據(jù)不同的邏輯關(guān)系組合而成的故障樹(shù)模型?故障樹(shù)符號(hào)可以分為事件符號(hào),邏輯門符號(hào)和其他轉(zhuǎn)移符號(hào)等組成?其中邏輯門的輸入事件是邏輯門輸出事件的“因”,輸出事件是邏輯門輸入事件的“果”?靜態(tài)故障樹(shù)的常見(jiàn)符號(hào)如下表1所示
許多文獻(xiàn)都對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)靜態(tài)故障樹(shù)的繪制方法進(jìn)行了介紹?通過(guò)常見(jiàn)故障的分析和文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),以純電動(dòng)商用車鋰離子動(dòng)力電池為例,將動(dòng)力電池系統(tǒng)故障作為頂事件,可以繪制得到動(dòng)力電池系統(tǒng)故障樹(shù)圖1所示?
 
4動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法
 
由于靜態(tài)故障樹(shù)建模的局限性,所以引入了動(dòng)態(tài)邏輯門來(lái)體現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中零部件存在的失效優(yōu)先性?順序相關(guān)性和功能相關(guān)性等動(dòng)態(tài)特性?動(dòng)態(tài)邏輯門也是動(dòng)態(tài)故障樹(shù)區(qū)別于靜態(tài)故障樹(shù)的地方,動(dòng)態(tài)邏輯門符號(hào)如下表2所示
動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法最早由Dugan提出,除了引入動(dòng)態(tài)邏輯門對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行描述以外,通過(guò)馬爾科夫鏈對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定性和定量的動(dòng)態(tài)分析?在后續(xù)研究中,眾多學(xué)者逐漸引用此方法進(jìn)行系統(tǒng)可靠性的分析?如《基于動(dòng)態(tài)故障樹(shù)的衛(wèi)星電源系統(tǒng)可靠性分析磁》將動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法運(yùn)用在了衛(wèi)星電源系統(tǒng)的可靠性分析中,并得到了電源系統(tǒng)發(fā)生故障的概率?文獻(xiàn)《基于動(dòng)態(tài)故障樹(shù)的HXD3型機(jī)車蓄電池充電裝置的可靠性分析》運(yùn)用動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法對(duì)HXD3型機(jī)車蓄電池充電裝置的可靠性進(jìn)行了定量和定性的分析?在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)發(fā)展,又出現(xiàn)一系列針對(duì)特定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析方法?如在文獻(xiàn)《基于BDD的動(dòng)態(tài)故障樹(shù)優(yōu)化分析研究》中,提出基于BDD的動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法,是通過(guò)二元決策樹(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)進(jìn)行定性和定量分析的方法?再如文獻(xiàn)《復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析的新方法及其應(yīng)用研究》考慮了系統(tǒng)零部件失效參數(shù)的不確定性,提出了基于模糊馬爾科夫的動(dòng)態(tài)樹(shù)分析方法,以及基于離散貝葉斯網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)可靠性評(píng)估模型和模糊數(shù)據(jù)下的基于連續(xù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)可靠性分析法,并運(yùn)用在實(shí)例分析中?此外還提出了基于共因失效的動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法應(yīng)用在了甬溫線高鐵事故故障分析,證明了該方法的有效性?動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法概念較為新穎,目前在動(dòng)力電池故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用較少?動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,使用動(dòng)態(tài)故障樹(shù)建模能夠有效提高故障診斷分析的準(zhǔn)確性?因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)是動(dòng)力電池系統(tǒng)中的重要組成部分,且某些部件含有動(dòng)態(tài)特性,適用于動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法,故本文將建立動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)?
 
5冷卻系統(tǒng)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)建模
 
冷卻系統(tǒng)是動(dòng)力電池中非常重要的一部分?
圖示2為某純電動(dòng)客車強(qiáng)制風(fēng)冷卻系統(tǒng)?該冷卻系統(tǒng)的工作原理如下:當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到電池堆溫度過(guò)熱時(shí),BMS主控制器發(fā)出信號(hào),通過(guò)CAN通信發(fā)送給從控芯片,從控芯片接受信號(hào)并發(fā)出風(fēng)扇啟動(dòng)指令,經(jīng)過(guò)從控主板內(nèi)部光耦隔離芯片隔離后,驅(qū)動(dòng)內(nèi)部繼電器,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)外部繼電器,從而驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇?從控主板可以驅(qū)動(dòng)兩路風(fēng)扇?
 
以此為基礎(chǔ),本文嘗試建立了動(dòng)態(tài)故障樹(shù)如圖3所示,為后續(xù)故障診斷及生產(chǎn)制造提供幫助?除了靜態(tài)故障樹(shù)的基礎(chǔ)之外,冷卻系統(tǒng)還存在兩處動(dòng)態(tài)故障?一部分為功能相關(guān)門,即從控執(zhí)行模塊的所有子部件由同一電壓供電,所以當(dāng)電壓出現(xiàn)故障時(shí),會(huì)直接導(dǎo)致從控執(zhí)行模塊產(chǎn)生故障?還有一處是熱備件門?該冷卻系統(tǒng)使用的從控主板可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩塊風(fēng)扇,兩路風(fēng)扇的設(shè)計(jì)能夠保證系統(tǒng)的冗余,但通常只驅(qū)動(dòng)一路就能達(dá)到冷卻效果?故可以將萬(wàn)一處數(shù)風(fēng)據(jù)扇視為熱備件,只有在另一路風(fēng)扇失效時(shí),才發(fā)揮作用,且備件期間的失效率同工作時(shí)的失效率相同?
 
6結(jié)語(yǔ)
 
在純電動(dòng)商用車動(dòng)力電池系統(tǒng)故障分析領(lǐng)域,傳統(tǒng)靜態(tài)故障樹(shù)目前被廣泛使用?本文研究了動(dòng)力電池系統(tǒng)常見(jiàn)故障及其產(chǎn)生原因,結(jié)合了動(dòng)力電池領(lǐng)域故障樹(shù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究,對(duì)動(dòng)力電池靜態(tài)故障樹(shù)進(jìn)行了總結(jié)繪制?由于靜態(tài)故障樹(shù)只能反映靜態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn),所以本文引入了動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法?動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法是在靜態(tài)故障樹(shù)分析法上進(jìn)一步延伸得到的方法,對(duì)于復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)而言,更為合理和準(zhǔn)確?本文還介紹了動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法目前在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用和研究現(xiàn)狀,并且針對(duì)某客車的冷卻系統(tǒng)建立了動(dòng)態(tài)故障樹(shù)模型,為后續(xù)的故障診斷和研究提高了新思路?
 
文章來(lái)源:同濟(jì)大學(xué)
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