文摘
事故造成的高压动力电池系统的失败正在上升的增加纯电动商用车。基于传统的可靠性故障树分析方法已不再适用于多态系统的定量评价。摘要多态高压动力电池系统的模糊故障树建立了纯电动商用车和定性、定量分析基于理论的多态理论,模糊数学理论、群体决策理论,故障树分析理论。结果表明,模糊故障树的多态可靠性分析方法可以描述高压动力电池系统的各种故障状态。通过定量评价系统的可靠性,低温环境和高、低可以反向连接系统的最薄弱环节,问题发生的每个状态未知的多态底事件的概率在垂向树deteriorated-state模式解决了快速使用集团的决策来处理模糊概率。它为系统设计提供了理论参考和检测过程中,具有重要的现实意义的改进高压动力电池系统。
1。介绍
能源和环境保护的问题越来越严重,汽车数量的增加。目前,比亚迪,东风LiuQi、北汽和其他主要汽车企业都集中在纯电动商用车与节能、环保、和大型货物的能力。与推广纯电动商用车事故高压动力电池系统的可靠性也逐年增加。据统计GGII(高龚工业研究所),有34个火灾事故造成的电池问题在国内电动汽车从2021年1月至5月,涉及到38辆。每一个事故是一个严重的挑战高压动力电池系统的可靠性。系统产生数百安培的充电和放电电流在工作过程中,严重威胁安全的车辆和司机。
可靠性分析方法已被广泛应用于工程领域不断发展。黄等。1]提出了故障树分析(FTA)和应用它的设计民兵导弹发射控制系统失效概率的预测导弹发射在1960年代。随后,Dhillon et al。2波音公司开发了一个程序的故障树分析的方法,降低了数据处理的工作负载在飞机设计的早期阶段的可靠性研究和促进故障树分析算法。拉赫曼et al。3麻省理工学院的应用故障树分析方法在核电站的风险评估,列出所有核电站在1974年失败的原因。杨et al。4]提出了一种诊断方法,结合故障树分析法与专家系统开发故障诊断专家系统的故障诊断功能的直流充电桩。兰扎et al。5]分析了反馈故障信息的可靠性建立机床故障诊断和预测系统。此外,可靠性保证体系是建立在设计、制造、装配过程的数控机床。可靠性分析方法也应用到故障诊断领域,和新提出的故障诊断方法等。6- - - - - -8)可以有效地解决机械可靠性的问题。提出了模糊故障树分析方法来解决模糊概率在实际工程。
首次提出了模糊故障树分析田中et al。9]。模糊概率是用于替换准确的概率来解决不确定性概率故障树分析。歌手(10)使用L-R-type模糊数来表示底事件的发生概率,并进一步发展了模糊故障树分析方法。昙花和Datao11]专家启发式与模糊集理论相结合来解决一些底事件的模糊失效概率的石油和天然气传输管道。刘等人。12)提出了一个基于贝叶斯网络的可靠性分析方法和t - s (Takagi-Sugeno)故障树。贝叶斯网络中的节点代表的模糊概率和故障程度的系统由模糊变量来表示。这项技术应用于喷射系统的可靠性分析化疗的机器人。阴et al。13)提出了一个安全评价方法对天然气储罐基于相似度的模糊故障树分析方法聚合。
多态的理论系统(MSS)提供了一种新的复杂系统的可靠性分析。Satyanarayana和角色14]研究了网络系统的可靠性提出的想法解决系统的可靠性通过简单计算概率之和的单极子图在1970年代。Iscioglu [15)提出了一种新的方法来评估推广(平均剩余寿命)函数的一个单位,三态系统使用条件剩余函数。博尔赫斯et al。16]提出了蒙特卡罗平行的可靠性分析方法,在测试效率高的实际电力系统模型,可以评估大规模电网的可靠性。马哈德文et al。17)利用贝叶斯网络与传统的串联和并联系统的可靠性分析方法,其有效性验证。考虑组件退化和不同的维修策略的影响,Mohammadhasani [18]运用马尔可夫维护模型来量化维护活动的有效性。这些模型加上故障树的方法,提供一个更实际和准确的故障树分析工具。研究商用车的平滑扩展的应用可靠性工程(19,20.]。
的众多原因中高压动力电池系统的故障发生概率的动力电池系统故障引起的绝缘故障被认为是在0.02和0.03之间。即准确的发生概率是一个模糊的数字。在高压动力电池系统的退化的原因,电池电解液的氧化和还原是一个动态的过程,也就是说,一个多态事件。因此,在考虑传统的故障树分析方法的局限性的模糊性和多态高压纯电动商用车动力电池系统,使用多态模糊故障树分析方法分析其可靠性。
工作了一个高压的纯电动商用车动力电池系统为例,应用多态理论和模糊数学等理论建立一个多态高压动力电池系统的模糊故障树。最低可靠度为0.4607,0.5370和最大的可靠性是高压动力电池系统。此外,可靠性差事件直接影响系统识别的可靠性。
下列事项已完成:(1)一个完整的多态高压动力电池系统的模糊故障树建立了纯电动商用车解决故障模式,deteriorated-state模式,subfault树模型来分析高压动力电池系统的可靠性。(2)进行定性和定量分析subfault树的所有底事件导致功能失效模式。导致系统故障的薄弱环节是由模糊识别每个底事件的重要性。(3)多态底事件的概率未知的问题在每个国家,群体决策被用来处理模糊概率,从而解决subfault树模式状态恶化。
剩下的工作是组织如下。部分2介绍了多态模糊故障树分析方法的基本理论。高压的多态模糊故障树建立了纯电动商用车动力电池系统和分析部分3。部分4解决每个底事件的模糊重要性subfault树的故障模式。最后,总结了结论部分5。
2。多态模糊故障树分析方法的基本理论
2.1。故障树分析
故障树分析(FTA) [21)可以分析所有可能导致系统故障的系统设计过程。“树”的逻辑框图画来识别造成系统故障的基本事件。定性分析是用来解决系统故障的概率和底事件的重要性。
2.1.1。定性的自由贸易协定
(1)割集和最小割集。组成的一组底部事件导致故障树的顶事件的发生被称为割集。组成的最小数量的底事件导致故障树的顶事件的发生被称为最小割集。
(2)求解最小割集的方法。有两个方法解决的最小割集,向上向下的方法(Fussell-Vesely)和方法(Semanderes) [22]。向下的方法从顶部事件开始一层一层地下来列表”或“门事件和事件到不同的线。此外,”和“门事件和事件在同一行列出。非最小割集是消除得到最小割集的基本事件直到再也不能被分解。向上的方法,即。,proceeding from the bottom to the top, replaces the corresponding logic gate symbols with set symbols and expresses the fault tree structure-function in terms of event symbols and set operators. Finally, the expressions for the top event are listed to find the minimum cut set.
2.1.2。定量的自由贸易协定
(1)计算顶事件的发生概率。在故障树的定量分析,顶事件的概率可以根据计算底事件的发生概率和结构功能。基本事件的发生的概率 被假定为 。当逻辑门”或“和”,“和基础事件的发生是相互独立的,顶事件概率的计算方法如下:(1)当故障树逻辑门的逻辑”或“盖茨,至少有一个底事件发生的概率 (2)当故障树逻辑门的逻辑”和“盖茨的概率底事件同时发生
(2)计算概率的底事件的重要性。重要性的贡献的大小是最小割集或底事件的发生事件,顶部和底部的重要性事件到事件概率重要度是正相关的。如果一个底事件的概率的重要性是接近1,那么一旦底事件发生时系统必须失败。
概率的定义是重要性 在哪里系统的不可靠性。
(3)计算子系统的可靠性。根据传统可靠性理论,函数的一般表达式之间的可靠性和失效概率 在哪里失效概率。
当是一个常数,即 。然后,系统的可靠性
根据可靠性和可靠性之间的关系,不可靠性和失效概率之间的关系
2.2。模糊故障树分析
2.2.1。 - - - - - - 模糊数
底事件的发生概率的高压纯电动商用车动力电池系统是模糊的。用模糊数分析故障树。
一般来说,模糊数描述参考功能。让和模糊数的参考功能,如果
然后,模糊数在方程(7)被定义为 - - - - - - 模糊数。它是记录为 ,在哪里是模糊数的平均值 , 和模糊数的上下置信区间是 ,和的隶属函数是 。当和等于0,不再是一个模糊数,但常规明确的数量。此外,大和显示更多的模棱两可的(22]。一般为10 - 20%的模糊的意思吗(23]。常用的隶属度函数 - - - - - - 模糊数字三角形和正常。
(1)三角形。三角形隶属函数可以表示为
图1显示了三角形隶属函数。
的 - - - - - -割集三角模糊数的区间 是
如果有两个三角模糊数和 ,有四个扩张算法根据经典的扩展原理(24)对于任何在区间[0,1]。(1)模糊数加法: (2)模糊数减法: (3)模糊数的乘法: (4)模糊数除法:
(2)正常。正常的隶属函数可以表示为
的时间间隔 - - - - - -正常型隶属函数的割集可以获得的
图2显示了正常的隶属函数。
2.2.2。故障树分析的模糊算子
逻辑门操作符用于计算基本事件的概率,从而获得传统故障树的顶事件概率(25]。系统顶事件的发生概率,即顶事件的失效概率,可以准确地得到bottom-event发生概率和结构函数。除此之外,可以获得系统的可靠性。模糊数介绍代表基本的底事件的发生概率的模糊故障树分析的过程中,和模糊逻辑门操作符是用来取代传统的,可获得的模糊数发生的事件(26]。
概率底部事件由一个三角模糊数表示 - - - - - -割集是
根据故障树逻辑的特点”和“和”或“盖茨,三角模糊数的模糊算子”和“和”或“盖茨如下。(1)逻辑”和“门: (2)逻辑“或”门:
概率底部事件由一个正常的模糊数表示 - - - - - -割集
同样,模糊算子”和“和”或“盖茨正常的模糊数如下。(1)逻辑”和“门: (2)逻辑“或”门:
2.3。多态模糊故障树分析
2.3.1。多态的错门
当系统顶事件的输入事件包含一个或多个多态事件,这逻辑门被称为多态错门。假设有多态输入事件 在断层门,即。,the state of the input event meets , 。状态的事件满足以下方程:
方程(22)表明,当输入多态事件的状态都是0,也就是说,所有输入多态事件是正常的,和输出状态的事件也通常0。当输入的状态多态事件是0.5或0和0.5,即输入多态事件处于退化状态或退化的状态和正常状态的组合,和输出状态的事件也在退化。当至少有一个输入的多态事件在状态1,也就是说,至少有一个输入事件的状态处于故障状态,和整个系统的输出处于失败状态。
2.3.2。分析Deteriorated-State模式
针对这个问题来确定多态底事件的精确概率在不同的州在deteriorated-state模式,使用组工作决策、专家经验和模糊数。多态底事件的概率在每个州被平均了,defuzzifying,获得的模糊概率正常化。
(1)根据语言变量模糊概率获得。介绍了七个语言变量模糊概率与语言变量相结合(27]。表1显示语言变量和模糊概率之间的关系。
表的最后一列1代表了三角模糊数对应于语言变量,这方法可以将专家经验转换成模糊概率用三角模糊数表示(见表1)。即,它隶属函数下是一个常数,其值对应的模糊概率和概率未知的解决了这个问题。
如果专家参与决策,底部的语言变量的事件给出的 - - - - - -th决策者的 状态转换成模糊概率 。
(2)模糊平均。获得的模糊概率数学平均。然后,底事件的模糊概率在国家是
(3)去模糊化。处理后的模糊概率均值面积的方法,准确的每个底事件的概率在国家j得到如下:
(4)标准化。准确的底部事件在每一个状态的概率是规范化,确保底事件的概率的总和在每个国家是1。处理后,精确每个底事件的概率在国家获得的是
3所示。高压动力电池系统的故障树分析
3.1。高压动力电池系统的工作原理
高压动力电池组为纯电动商用车提供电力。其高压直流输出流等高压电力设备转向功率电机,制动气泵电机和直流/直流电机逆变器。高压电流通过电动机逆变器转换为三相交流电和流入高压驱动电机和电动空调电机通过高压线束。图3显示了高压动力电池系统的工作原理。
3.2。建立故障树的高压动力电池系统
故障类型的高压纯电动商用车动力电池系统主要包括电池组件和电池管理系统出错。缺点主要是单细胞和电池组的电池模块。单细胞的缺点可以通过电解液分解,活性物质脱落,内部电池的短路。电池组故障是由单细胞表现不一致,充电故障和电池管理系统故障表现不沟通、电磁干扰、低驱动电压。
高压动力电池系统,动力电池系统故障被选为顶事件,和两个中间事件建立了故障模式和状态恶化模式。故障模式分为电池模块和电池管理系统失败分析底事件,和这两个事件被认为是中间的一个较低的水平。然后,电池模块故障和电池管理系统故障进行了分析,直到他们无法分解,分解成事件。subfault树的底部事件的故障模式。与此同时,subfault树deteriorated-state模式的分解和分析。此外,建立的事件多态高压动力电池系统的模糊故障树编码。动力电池系统的故障记录 ,和表2显示了事件定义和代码。
根据表2的多态故障树高压纯电动商用车动力电池系统的简化,如图4。
3.3。故障树的定性分析
当多态故障树的最小割集计算,只有subfault故障树的定性分析模式进行多态事件和多态故障盖茨deteriorated-state subfault树的模式。建立的故障树在工作使用向下的方法根据乘法原则”和“门的加法”或“门。
然后,
因此,最小割集的功能失效模式subfault树的动力电池系统 ,最小割集的包含28个基本基础事件。
3.4。故障树的定量分析
两个中间事件的故障模式和deteriorated-state模式选择进行分析,以更准确地反映高压动力电池系统的失效模式。subfault树功能失效模式由模糊故障树分析,解决和subfault deteriorated-state树模式解决了集团决策和模糊概率。
3.4.1。定量分析Subfault树的功能失效模式
根据数据和相关经验和subfault树底事件的概率的故障模式(见表3)。
在表3,表示模糊数的均值,这是一个无量纲数,表示的模糊概率大小的底事件的发生。大的意思 ,大底部的发生事件的模糊概率,和小的 ,小底事件的模糊概率发生。根据参考的23),的上限和下限需要10到20%的模糊的意思 ,考虑的严酷高压动力电池系统的实际工作环境和造成系统故障的概率的模糊性,根据图1更大的价值和 ,模糊概率区间越大,反向恰恰相反,当和取均值的10% ,和概率区间包含20%概率区间的和采取 ,为了使概率区间更好代表事件的模糊概率发生然后选中和20%的结合数据。
每个底事件的时间间隔可以获得使用表格3方程(16),三角形隶属函数。
自顶事件 ,方程(18)用于选择三角形隶属函数。顶级的概率部分的事件随(见图5散射曲线)。
每个底事件的时间间隔可以从表中获得3方程(19),正常的隶属函数。
同样的,当正常的隶属函数被选中时,顶事件的概率随(见图6散射曲线)。
通过比较数据5和6,可以看出是否三角隶属函数或正常选择隶属函数,概率区间的顶部事件变得越来越小的增加 。当等于1,间隔是一个准确的数字,与理论一致。然而,对于正常的隶属函数,当趋向于0,顶上事件的模糊算子趋于无穷。越大越接近0,模糊概率区间的事件。当 ,整个概率区间的变化是非线性的,的斜率的绝对值上下界top-event概率曲线下降的吗增加。是越接近0,大曲线的变化趋势;越接近1,更温和的变化曲线。
当需要一个特殊的值为0.01,方程(21)是用于获得top-event发生的概率区间[0.4230,0.7644]和相应的可靠性区间顶部事件[0.4656,0.6551]。与三角模糊算子相比,间隔太模糊,没有实际意义。因此,考虑到模糊的底事件的发生概率和操作的合理性,选择三角模糊算子计算顶事件的模糊概率区间。
图5表明top-event发生概率的上限和下限是近似线性的。因此,最小二乘线性拟合和拦截间隔发生的事件的故障模式被用来获得
因此,请参见如下:(1)当 ,底事件的概率的故障模式是一定值,和功能故障高压动力电池系统的事件
当 ,功能失效模式的可靠性高压动力电池系统的高级事件可以从方程(获得5)。 (2)当 ,底事件的概率的模糊数和故障模式是一个区间范围内,即,the probability interval of function-failure高压动力电池系统的事件
也就是最小的概率事件0.5415,最大是0.6947。
当 ,功能失效模式的可靠性区间高压动力电池系统的高级事件可以从方程(获得5)。
3.4.2。定量分析Subfault树的处于恶化状态
根据多态的定义错门,什么时候不发生,处于退化状态,动力电池系统处于退化状态,是不被认为是一种失败。此时,高压纯电动商用车动力电池系统不需要立即维护,与实际操作条件一致。当发生或处于故障状态,高压动力电池系统处于故障状态,需要检修。
决策者的决策信息收集的组织决策,因为每个底事件的概率deteriorated-state subfault树的每个州的模式无法准确获得。根据结论团体大小和决策之间的关系,当集团决策者的数量是2 - 5,可以获得共识;第5 - 11此外,人们最有效的吸引更多的正确的结论。
因此,收集工作四个多态底事件的概率在每个州从五个专家和结合专家意见的语言变量和相应的三角模糊数(见表4)。
(1)平均模糊概率。根据相应的语言变量和模糊概率表之间的关系1与方程(23的平均值),每个州每个多态底事件的模糊概率的确定如下:
(2)去模糊化的模糊概率。模糊概率是defuzzified根据方程(24)获得的模糊概率转换成精确的概率,也就是说,
(3)精确概率正常化。根据方程(25),准确的在每个州的多态底事件发生概率是获得归一化
根据多态故障闸门的结构特点,当至少有一个底事件状态是1,系统的top-event输出处于失败状态。根据计算每个状态的多态底事件发生概率,每个多态底事件的概率在状态1代入方程(1)。发生的概率的垂向树顶事件deteriorated-state模式
根据方程(5),subfault树模式可以获得可靠性的恶化。 (1) 当 。高压动力电池系统的可靠性的纯电动商用车 (2) 当 。高压动力电池系统的可靠性的纯电动商用车
4所示。底事件的模糊概率重要性
类似于概率的传统故障树的底事件的重要性,底事件的模糊概率的重要性也指顶端事件的概率的程度是影响底事件的概率时的变化。根据方程的定义(3),模糊概率的重要性 在哪里 不可靠性函数的事件;模糊概率的发生底事件。三角模糊数的概率被选中来分析subfault树的底事件的功能失效模式工作。此外,逻辑门的子树建立功能性失效模式”或“盖茨,我们可以获得
可以从前面的章节,在高压纯电动商用车动力电池系统,虽然底事件的每个故障的概率很低,整个系统的可靠性是只有0.4938。因此,每个底事件的概率的重要性是至关重要的预防和改善的事件。subfault树的底部事件的故障模式作为研究对象。根据方程(43), 介绍了获取每个底事件的概率区间的重要性的垂向树功能失效模式(见表5)。图7显示了概率的区间的折线的重要性。
根据表5底事件的模糊重要性排名可以获得如下。
的事件定义在表和代码2,可以高和低的最大间隔重要性反向连接概率[0.3683,0.5178],最低是[0.3102,0.4635]。之间的关系的重要性每个概率如下: 。
根据前一节中,概率越高的底事件的重要性,影响越大高压纯电动商用车动力电池系统。图7表明,概率的事件编码为底部的重要性 高于其他底事件。相应的底事件是SOC低,电池变形、低温环境中,高,低的反向连接。与四个底事件相比,波动的其他底事件的概率区间的重要性相对较小,变化趋势的折线图相应的概率区间的重要性是相对平坦。因此,这四个底事件概率的高度重视是高压动力电池系统的薄弱环节。我们应该专注于优化和时间这四个底事件的检测。
在设计、测试和优化高压纯电动商用车动力电池系统,底部的高概率事件重要性选择根据概率的区间曲线高压电池系统的重要性,它可以提高整个系统的测试在一定程度上,减少严重故障的发生。
5。结论
纯电动商用车作为一个例子,工作高压动力电池系统的可靠性分析。多态模糊故障树分析的基本理论,高压动力电池系统的工作原理和故障类型,和多态高压动力电池系统的模糊故障树介绍了将故障树划分为两组树(故障和deteriorated-state模式)进行定性和定量分析。
三角形隶属函数被选中作为底事件的模糊算子subfault树的功能失效模式之间的影响通过比较正常三角形隶属函数和隶属函数的概率区间顶部事件。它可以解决subfault树功能失效模式有更好的效果,获得其可靠性。deteriorated-state subfault树的模式下,结合专家经验和三角模糊数的群体决策理论,用模糊概率平均,defuzzified和规范化。准确的概率得到解决deteriorated-state subfault树模式和高压动力电池系统的可靠性。
最后,底事件的模糊概率的重要性分析的功能失效模式显示的关键薄弱环节SOC系统低,电池变形、低温环境中,高,低的反向连接。在系统设计和故障检测,检查根据概率可以提高系统的故障检测的重要性。计算结果表明,尽管状态恶化模式并未发挥决定性的作用在系统故障,这仍然是一个潜在的安全隐患,系统故障从整个高压动力电池系统的可靠性以及不可或缺的检测链路故障检测过程中。
数据可用性
模拟的数据和代码的工作可从相应的作者如果要求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由广西创新发展专项基金项目(批准号柳州市Guike AA22068060),科学研究和规划开发项目(批准号2020 gaaa0403和2021 aaa0104),和刘东科技项目(批准号20210117)。