（车辆工程专业论文）amt变速的混合动力汽车可靠性及容错研究.pdf

摘要 摘要 混合动力汽车是短期内汽车工业的重要发展方向之一，近年来已在市场上 获得了越来越多的关注。本文以中华a m t 混联式混合动力轿车为平台，深入研 究了混合动力汽车系统可靠性及其容错策略，并将其应用到所开发的混合动力 汽车控制系统中，结果表明：实施容错策略可以有效地提高动力系统可靠性。 首先，基于可靠性理论和方法，在建立动力系统可靠性模型的基础上，利 用贝叶斯方法计算其可靠性，并分析了部件的可靠性对动力系统可靠性的影响， 考虑样车动力系统构型，提出应当加强a m t 、动力蓄电池等关键部件的可靠性。 其次，利用f m e a 方法详细分析了a m t 可能产生的故障、故障原因及影 响，并提出了相应的容错策略和措施，以提高a m t 和动力系统的可靠性。对其 它重要部件的故障和容错措施也进行了简要介绍。 最后，将容错策略应用到混合动力汽车控制系统开发过程中，旨在提高混 合动力汽车的系统可靠性。在离线建模和仿真阶段，结合所建立的动力系统前 向仿真模型，实现了故障再现和容错策略。在硬件在环仿真阶段，在不同故障 工况下对提出的容错策略进行初步验证，结果表明该控制系统可以在任何单一 部件发生故障时保持其行驶能力，在多个部件发生故障时可以尽可能保证其行 驶能力以及有效降低对驾乘人员的威胁。 关键词：混合动力汽车，可靠性，故障模式及其影响分析，容错策略，硬件在 环仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i sa ni m p o r t a n ts h o r t t e r md e v e l o p i n gd i r e c t i o ni n a u t o m o b i l ei n d u s t r y i nr e c e n ty e a r si th a sg a i n e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b a s e do n z h o n g h u aa m tp a r a l l e lh e v , t h eh e vs y s t e mr e l i a b i l i t ya n df a u l t t o l e r a n ts t r a t e g yi s s t u d i e d ，a n di sc o m b i n e dw i t ht h eh e vc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n tp r o c e s s t h e r e s u l ts h o w st h a tt h ef a u l t t o l e r a n ts t r a t e g yi se f f e c t i v ea n dc a ni m p r o v es y s t e m r e l i a b i l i t y f i r s t l y , b a s e do nt h eh e vp o w e rt r a i ns y s t e mr e l i a b i l i t yd i a g r a mm o d e l ，i t s r e l i a b i l i t yi sc a l c u l a t e dw i t ht h ea c c e s so fb a y e sm e t h o d sa n di ti sa n a l y z e dt h a th o w b ei n f l u e n c e db yt h ec o m p o n e n t sr e l i a b i l i t y s oi t ss u g g e s t e dt h a tr e l i a b i l i t yo fk e y c o m p o n e n t ss u c ha sa m t ，b a t t e r ye t cs h o u l db ei m p r o v e d s e c o n d l y ，t h ea m t , a st h ek e yc o m p o n e n to fz h o n g h u ah e v , i sa n a l y z e dw i m t h em e t h o do ff m e ai nd e t a i l ，i n c l u d i n gi t sf a i l u r em o d e ，f a i l u r ec a u s ea n df a i l u r e e f f e c t ，a n dd i f f e r e n tf a u l t t o l e r a n ts t r a t e g i e sa n dm e a s u r e sa r ep u tf o r t ht oe n h a n c et h e a m ta n dp o w e rt r a i nr e l i a b i l i t y t h ef a u l t sa n df a u l t t o l e r a n c em e a s u r e so fo t h e r i m p o r t a n tc o m p o n e n t sa r ea l s oi n t r o d u c e db r i e f l y f i n a l l y , t h ef a u l t t o l e r a n ts t r a t e g yh a sb e e na p p l i e dt o h e vc o n t r o ls y s t e m d e v e l o p m e n tp r o c e s s ，a i m st oi m p r o v eh e vs y s t e mr e l i a b i l i t y i nt h es t e po f o f f - l i n e m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，ah e vp o w e rt r a i nf o r w a r dm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n df a u l t i n j e c t i o na n df a u l tt o l e r a n tm e a s u r e sa r ea c h i e v e d i nt h es t e po fh a r d w a r e - i n - l o o p s i m u l a t i o n ，f a u l t t o l e r a n ts t r a t e g ie si n d i f f e r e n tf a u l tc o n d i t i o n sa r ev e r i f i e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mc a nm a i n t a i ni t st r a f f i cc a p a c i t yi na n ys i n g l e c o m p o n e n tf a i l u r e ，a n dc a n e n s u r es a f e t yo fp a s s e n g e r si nm u l t ic o m p o n e n tf a i l u r e s k e yw o r d s ：h e v , r e l i a b i l i t y , f m e a ，f a u l tt o l e r a n t ，h i ls i m u l a t i o n i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：乏p 冬 7 1 0 。易年弓月二fe t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：1p 每 砂易年弓月f e t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 混合动力汽车的开发背景及其技术简介 能源危机和环境保护是当今汽车工业面临的两大重要问题。环境问题造成的 酸雨、光化学污染、厄尔尼诺现象等灾害以及世界范围的能源危机和油价的节节 攀升都促使各个国家、地区合格大汽车公司致力于研究开发新能源汽车1 1 。 1 1 1 混合动力汽车的开发背景 电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e 可以实现零污染，并且可以使用非石油 资源，因此电动汽车成了解决汽车污染和排放问题的最佳途径。但是，由于电动 汽车的关键技术电池技术的制约，电动汽车的性价比还远未达到推广应用的 标准。主要障碍是【3 】：电池的能量密度较低，电池组的质量和体积比较大，循环 寿命低，导致电动汽车的续驶里程和动力性能无法达到当前内燃机汽车的水平。 同样燃料电池汽车( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ，简称f c e v ) 由于燃料电池技 术不成熟和高成本，大范围的推广还有待时机。 电动汽车和燃料电池汽车在目前情况下的致命技术缺陷使其在短期内还不 可能产业化，在这种情况下，融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽 车( h y b me l e c t r i cv e h i c l e ，简称h e v ) 越来越引起人们的重视，逐渐成为一种发 展趋势。 其实混合动力汽车并不是新发明，早在1 9 0 5 年就有人申请了用蓄电池作动 力驱动电动机来改善内燃机车辆加速能力的专利。根据国际机电委员会下属的电 力机动车技术委员会的建议，混合动力汽车是指由两种和两种以上储能器、能源 或转换器作驱动能源，其中至少一种能够提供电能的车辆称为混合动力汽车4 1 。 一般认为混合动力汽车就是既有内燃机又有电动机驱动的车辆。 混合动力汽车的优点是把纯电动汽车的罩程延长了2 4 倍1 4 】l 引，而且能快速添 加汽油或柴油，其缺点是结构复杂且不是零排放。不过与燃油车相比，在相同行 驶里程的条件下，混合动力汽车的燃油消耗和排放要小得多，因为混合动力汽车 中的内燃机以最有效的模式工作，燃油消耗少，产生的排放也小，另外，混合动 力汽车也可以像电动汽车一样工作于零排放区。 美国在1 9 9 3 年由能源部和三大汽车公司牵头成立了“新一代汽车伙伴关系 ( p n g v ) ”【l 】，开展高效节能汽车包括混合动力汽车的研究。但在p n g v 计划 第l 章绪论 中，美国人把主要力量集中在零排放车辆的研制上，由于纯电动汽车项目的失败 和燃料电池汽车迟迟不能取得突破性进展，又加之看到日本人在混合动力汽车上 的成功，因而一方面继续研究开发燃料电池汽车，一方面也重点投入开发商品化 的混合动力汽车。 出于国家可持续发展战略和中国汽车工业发展战略的考虑，中国在“十五 国家8 6 3 计划中设立了“电动汽车重大专项”【l j ，分设混合动力汽车、纯电动汽 车和燃料电池汽车三个主攻方向。在8 6 3 电动汽车重大专项的支持下，我国混合 动力汽车的研究开发取得一定技术突破，但尚未实现产业化。 本课题源于同济大学与华晨汽车有限公司的“十一五”国家8 6 3 项目“中华 混合动力轿车关键技术研究”。课题针对基于a m t 的四轮驱动强混合动力汽车 平台进行研究，对混合动力汽车动力系统可靠性展开深入的研究与分析。 1 1 2 混合动力汽车技术简介 混合动力技术本质上是利用电力驱动来平衡和改善发动机的工况，通过减少 发动机怠速工况、调整发动机工作在高效区以及制动能量回收来提高燃油经济 性、减少污染物排放。它在续驶罩程、动力性等基本性能方面都不亚于甚至超过 传统发动机汽车。正因为此，混合动力汽车得到了迅速的发展。 从结构上讲混合动力汽车一般可以分为串联式，并联式和混联式1 1 4 】【1 9 】【2 4 】， 具体构型如下图： 一静d r t v ep o w e rr 争e l e c t r i cp o w e r 一枷d r i 。p o w e r e i 。喇cp 蝴r 枷鲥惮 盹r 争e i c 州cp 刚” g e a r b a t t e r y i n v e r t e r h o t o r d h v e w h e e l s b a t t e r y i n v e r t e r m o t o r g e n e r a t o r d r i v e w h e e l s 图1 1 混合动力汽1 i 能量流图( a ，串联式：b ，并联式；c ，混联式) b a t t e r y i n v e r t e r h o t o r dr i v e w h e e l s 串联式构型中系统结构和控制简单，但是能量传递链长，效率低，需要功率 较大的蓄电池和电机，一般用在混合动力客车上或者货车上。并联式构型中电池、 驱动电机和内燃机可以最小化，但是控制较复杂，一般用在混合动力轿车上。混 合式构型结合上述两种构型的特点，可以根据工况灵活调整能量流动，在控制的 难度上比并联式更高。 除按照动力系统的布置方式进行分类外，按照“混合度” 5 4 】对混合动力汽 2 第1 章绪论 车进行分类在研究领域也被广泛采用。 混合度是指： h ：三l 1 0 0 ( 1 1 ) 巴+ 只和分别是电机和内燃机的最大功率。 根据混合度分类，混合动力汽车可以分为弱混合、中度混合和强混合( 或全 混合) 等，弱混合具有怠速停机、再生制动和电机助力功能，而强混合还具有纯 电动行驶功能。通常，混合度越高，燃油经济性和排放的提高就越多。本田c i v i c 混合动力轿车混合度为1 5 9 ，是弱混合的典型车型，丰田p r i u s 2 0 0 4 型混合动 力轿车混合度为4 6 7 t 8 1 ，是强混合的典型车型。随着混合度的提高混合动力车 辆的功能随之增加，系统的电压也升高。 另外值得一提的是近两年来在北美及日本非常流行的可外接充电式混合动 力电动汽车【9 】【4 8 】( p l u g - i nh e v ，简称p h e v ) 。p h e v 相比传统强混的h e v 拥 有更小的发动机、更大的电机和蓄电池。因而有更长的纯电动行驶里程。1 9 9 0 年，美国a n d yf r a n k 教授开始研制p h e v 原型车，美国、同本、欧洲的政府、 汽车制造商、电力公司、汽车用户以及电动汽车电机、电池等关键技术研制单位 对此技术非常重视。但目前p h e v 整车仍处于原型车研究阶段，p h e v 中的关键 技术电池技术尚需在实际应用试验中进行考验。 1 2 混合动力汽车可靠性国内外研究动态 对混合动力汽车的研究集中在以下几个方面【1 4 】【1 9 】【2 4 】【5 5 】【5 6 】：整车控制系统及 能量管理策略、动力电池及电池管理技术、电机驱动技术、双向大功率d c d c 变换器技术、整车集成技术、混合动力汽车法律法规的制定等。其中，能量管理 策略是混合动力汽车的核心，也是区别于传统汽车的关键。混合动力汽车的能量 管理策略主要有三类：基于规则的逻辑门限策略、基于优化算法的策略和智能管 理策略【l9 1 ，逻辑门限能量管理策略由于其结构简单参数调整方便，已在实际商 品化混合动力汽车中得到了应用。基于优化算法的能量管理策略和智能能量管理 策略都是以基于规贝0 的逻辑门限能量管理策略为基础的。 在开发和试验过程中，由于混合动力汽车结构复杂，经常出现各利，形式的故 障，如果不进行恰当的分析和处理，采取一定的容错措施，在汽车实际运行过程 中将造成严重事故和后果，甚至威胁到驾乘人员的生命财产安全。另一方面，混 合动力汽车拥有至少两套动力系统，因此只要设计得当，极有可能获得比传统汽 车更高的可靠性。因此混合动力汽车的可靠性研究有很好的前景和实用价值。 3 第1 章绪沦 混合动力汽车控制系统是一个分布式实时控制系统。本文涉及的可靠性不仅 指部件或者单元的可靠性，还包括系统可靠性嘶l ，系统可靠性包括部件失效、 系统故障以及他们相互作用关系。 1 2 1 一国外研究动态 早在上个世纪8 0 年代，t e c h n i c a lu n i v e r s i t yo fv i e n n a 的h e r m a n n k o p e t z 5 7 】等人开发了m a r s ( m a i n t a i n a b l er e a l - t i m es y s t e m ) 系统，这是一个 用于过程控制的具有容错功能的分布式系统。它的主要特点是可以预测在峰值负 载下的系统性能，在轧钢机和铁路控制系统中取得了良好的应用效果。m a r s 主 要是在系统的实时通信方面做了深入的研究，对e c u 、传感器数据的有效性没有 验证，也没有确认执行机构的可靠性。但是m a r s 提出了实时系统四点非常重要 的要求，即实时数据的时间有效性、峰值负载下的性能可预测性、具有容错功能 和可维护可扩展性。 c e n t r or i c e r c h ef i a t 的a l b e r t om a n z o n e 等人提出了未来的汽车可以通 过减少驾驶员同常的操作和在危险工况下提供帮助来提高汽车的安全性，因此需 要高可靠性和具有容错功能的汽车电子系统。此系统必须满足如下要求，包括通 信系统要求，传感器和执行器要求，软件要求，电磁兼容要求，集成电路要求等。 并从系统整体和集成电路两方面总体提出了可用于汽车使用环境的算法和结构 来满足汽车高容错性能的要求。 u n i v e r s i t yo fd e t r o i tm e r c y 的s y e dm i s b a h u d d i n 5 8 】在他的博士论文中 从三个方面阐述了提高分布式控制电动汽车的可靠性和容错控制的方法。首先是 分布式架构，依次提出了单总线容错分布式架构、分层容错分布式架构以及多网 络容错分布式架构，指出了他们的特点；其次运用马尔科夫过程的方法对上述架 构进行分析，分别建立可靠性模型并进行可靠性评估和分析；最后是对数据压缩 算法的丌发以及性能分析。论文主要在理论上做了比较深入的分析，没有结合试 验来进行验证。 博世公司的e d ii g e r ，t f u h r e r 和b m u li e r 5 9 】提出了时f h j 触发的通信 协议来满足车载x - b y - w i r e 系统的实时容错要求。在b r i t e e u r a mi i i p r o j e c t ”s a f e t yr e l a t e df a u l tt o l e r a n ts y s t e m si nv e h i c l e s ”( x - b y w i r e ) 中丌发思 路和方案，这些方案可用于未来没有机械和液压辅助的汽车系统，包括分布式架 构、时间触发通信、多数决定法、失效“沉默”特性以及可预测和可复现的行为。 m i t 的n a n c yg l e v e s o n 6 0 j 介绍了当前软件系统安全的技术发展水平并提 出了一些可用于汽车行业以及其它相关行业的解决途径。采用s i t a ( s y s t e m h a z a r da n a l y s i s ) 和s s i - t 4 ( s u b s y s t e mh a z a r da n a l y s i s ) 来分析系统是否以 4 第1 章绪论 及如何进入危险状况，在系统设计阶段消除或者控制危险状况和解决系统安全和 性能之间的矛盾。在完整的软件生命周期全面考虑如何消除和减少潜在的系统软 件危险。文章在理论上做了深入分析，为我们设计混合动力汽车控制系统软件提 供很好的参考意见。 1 2 2 国内研究动态 清华大学王霄峰教授1 6 1 1 的汽车可靠性工程基础是国内系统介绍和分析 汽车可靠性工程的基本理论和方法的著作，包括汽车的耐久性，常用的可靠性理 论分布，金属疲劳寿命预计，系统可靠性，汽车电子电气部件的可靠性，可靠 性和耐久性试验等。 吉林工业大学的张俊智【6 2 】等人对汽车系统可靠性和容错控制做了比较全面 的综述。提出了汽车容错控制的内容和原则，介绍了针对e c u 故障的双机系统 以及针对传感器和执行机构故障的冗余系统和动态补偿系统，有很好的借鉴意 义。 吉林大学的尚文峰【6 3 】在他的硕士论文中以混合动力汽车动力总成为研究对 象，具体而详细的分析了动力总成各动力元件的故障类型、故障诊断技术及其各 自的容错措施，研究了c a n 总线的故障类型，提出了c a n 总线故障的解决方 案。分析了混合动力总成系统的故障模式，分类研究了在混合动力控制系统中动 力总成各动力元件出现的故障及混合动力多能源控制系统在动力总成各动力元 件出现故障时采取的容错措施。并通过基于d s p a c e 系统的硬件在环仿真系统 验证了文中建立的具有故障诊断功能的混合动力总成控制策略。 清华大学的卢居霄，田光宇畔】从车辆通信系统和整车控制器两个方面进行 容错设计。设计并实现具有两条独立的c a n 通道容错c a n 节点，利用了c a n 规范中的故障界定机制实现通道问的有效切换。整车控制器硬件设计采用两个微 控制器，设计相应软件使其具有“失效安全”的能力。针对输入驾驶信号和部件信 息，整车控制器进行故障诊断和处理，增强了整车控制器自身的故障诊断能力。 但是由于对整车控制器的故障诊断和处理的关注相对较少，缺乏比较系统的整车 故障集，限制了整车控制系统的容错能力。 西华大学的阴晓峰、谭晶星【6 5 j 和吉林大学的雷雨成、葛安林将软件冗余、 软件抗干扰、传感器及执行机构的故障诊断与处理等容错技术应用到a m t 样车 控制系统开发过程中，取得了良好的效果。此系统中结构较简单，没有涉及多 e c u 之间的通信和协调。但是文中采用的软件容错方法具有很好的借鉴意义， 可以在混合动力汽车整车控制器中采用。 5 第1 章绪论 1 3 本文主要内容 本文的研究，是在一定的实际工作基础上完成的，参与了大量实车调试的工 作，主要以基于a m t 的四轮驱动混合动力汽车的可靠性及容错控制研究为主。 本文主要包括以下内容： 第一章：分析了国内外混合动力汽车发展的动态，确定了本文研究的重点和 方向，概述了本文的主要研究内容。 第二章：混合动力汽车系统可靠性建模和评价。根据开发样车的动力系统结 构建立混合动力汽车系统可靠性模型，并采用贝叶斯方法来计算其可靠性。分析 模型中各部件或者子系统对系统可靠性的影响，确定关键部件。本章还利用马尔 可夫方法对c a n 总线的冗余设计进行分析。本章对后面的进一步工作在理论上 提出了指导和方向。 第三章：利用f m e a ( 故障模式及其影响分析) 方法对关键部件a m t 进行分析。根据a m t 的结构特点，分别对a m t 的传感器、执行机构及控制单 元进行故障分析，包括可能产生的故障，故障原因及可能造成的后果，根据此制 定合理的容错措施来实现失效安全的控制目标。对其他重要部件也提出了容错措 施以提高可靠性。 第四章：具有容错功能的混合动力汽车控制系统丌发以及硬件在环仿真试 验。建立混合动力汽车前向仿真模型，建立控制系统故障和容错模块，搭建硬件 在坏试验仿真平台，应用建立的混合动力汽车模型和带容错功能的整车控制系统 进行硬件在环仿真，人为模拟故障信息，检验系统对故障的处理能力和对系统可 靠性的提高。 第五章：总结了全文研究，得出结论，并对后继研究工作提出建议，展望了 未来的研究方向。 6 第2 章基r 动力系统上作模式的混合动力汽车可靠性分析 第2 章基于动力系统工作模式的混合动力汽车可靠性分析 在对混合动力汽车上进行详细的可靠性设计之前，系统地进行可靠性分析可 以抓住影响混合动力汽车可靠性的薄弱环节，进而有针对性地进行故障的预防和 处理，从而达到事半功倍的效果。对复杂系统可靠性分析的方法主要有布尔真值 表法、概率分析法、概率图法、最小路集法、最小割集法、b a y e s 法等。本章首 先简介可靠性概念和度量方法，然后应用b a y e s 法对四轮混合动力汽车进行系统 可靠性分析，最后应用马尔可夫过程的分析方法对c a n 总线系统进行分析。 2 1 可靠性分析简介 2 1 1 可靠性 目前世界上公认的可靠性定义【6 6 】是：产品在规定的条件下，在规定的时间 内，完成规定功能的能力。产品是可靠性研究的对象。规定的条件指产品工作的 条件，产品的工作条件对其可靠性影响很大，只有规定了产品的工作条件，才能 进行可靠性分析和比较。规定的时间泛指广义的时间，包括次数( 产品承受一定 载荷的次数，开关的开一闭次数) 、距离( 汽车行驶的里程数) 、时间( 汽车发动 机在规定条件下工作的时数) 等反映产品寿命的量。规定使用时间的长短，对可 靠性是有影响的。规定的功能指在产品设计任务书、使用说明书、订货合同以及 国家标准中规定的各种功能与性能要求。 在本章的分析中，对可靠性的基本要素做如下说明： 1 产品混合动力汽车动力系统 2 规定的功能能够给车轮输出足够的动力使汽车前进。 这样考虑是因为混合动力汽车和传统汽车最大的区别就在于动力系统，而其 他如转向系统、车身系统和传统汽车基本保持一致，因此，不考虑除动力系统以 外的其它系统有助于简化分析，突出重点，更好的揭示混合动力汽车的本质。 2 1 2 可靠性度量 在可靠性工程中，产品可分为可修产品和不可修产品两种类型。混合动力汽 车在它的生命周期中属于可修产品，但是在某一次使用中( 到达维修站之前) 属于 不可修产品。 7 第2 章基于动力系统，f i 作模式的混合动力汽车可靠性分析 效率，对不可修产品还有失效前平均工作时间以及对可修产品的平均故障间隔时 r ( t ) = p ( e ) = p ( r t ) ( 0 t ) ( 2 1 ) 可靠度也可以理解为产品寿命r t 的概率p ( r t ) 。 显然可靠度r ( t ) 与不可靠度f ( t ) 之间满足如下关系： 邝) ：2 ( t ) e - 肛如 ( 2 4 ) 船r ( t a ) = p ( t 黧鬈础) a t 一1 叫1 f ( t ) d t 亿5 ， 【 2 f o o ) 。厂( f = 一f ( 瓦) = 一f 4 失效率兄( f ) = 篙，指工作到时刻f 尚未失效的产品，在该时刻后单位时间 删：e 一肛砷 f ( f ) ：i 一尺( f ) ：i - e - f i ( f 协 ( 2 6 ) 厂( f ) ：五( f ) e - f , i 加。协 2 1 3 系统可靠性和马尔可夫分析方法 我们往往需要根掘单元的可靠性数据来估计系统的可靠性。系统是山若干单 元相互有机地组成可完成某种功能的综合体。系统和单元的概念是相对的，对于 整车而言，发动机、a m t 等属于单元，但是发动机对于气缸、进气歧管而占又是 系统。分析系统的可靠性，首先要画出系统可靠性框图，分析串并联结构并简化， 就可以计算出系统的可靠度。 第2 章基丁：动力系统j ：作模式的混合动力汽车可靠性分析 在以上的计算中，我们通常假定单元的失效、修理特性是相互独立的。但是 在实际中，情况往往并非如此。在这种情况下，需要考虑单元失效和修理相互作 用的分析模型。如果失效率和修复率近似等于常数时，许多单元的失效相互作用 可以采用马尔可夫( m a r k o v ) 过程来描述。 马尔可夫过程是随机过程中的一个特殊类型，它可以由当前状态唯一的确定 过程的未来行为。这说明事件的分布独立于系统的历史纪录。而且，转移率与系 统进入当前状态的时间是相互独立的。因此，马尔可夫过程的基本假设是在每个 状态下系统的行为是无记忆的。系统从当前状态的转移仅由当前状态决定而不是 由以前的状态或进入当前状态的时间决定。 2 2 四轮驱动混合动力汽车可靠性分析 四轮驱动混合动力汽车结构复杂，。为了能够分析其可靠性，我们需要对其进 行功能和结构分析，然后画出可靠性结构框图，利用可靠性计算方法来计算它的 可靠性，并对混合动力汽车的关键零部件可靠度进行灵敏度分析，为提高混合动 力汽车可靠性提供依据。 2 2 1 四轮驱动混合动力汽车功能和结构分析 从完整实现功能的角度，分析四轮驱动混合动力汽车可靠性，将是非常复杂 的。因为混合动力汽车和传统汽车一样，包括行驶、转向、制动以及娱乐等多个 子系统，如果因为一个提供非主要功能的子系统失效而认为该混合动力汽车失 效，则不仅增加了分析难度，而且还掩盖了混合动力汽车的本质。混合动力汽车 和传统汽车相比，增加了至少一套动力系统，通过和原有动力系统的有机配合， 达到节约能源和降低排放的目的，同时增加的动力系统使得汽车在一套动力系统 出现故障的时候可以用其他动力系统继续行驶。因此，对混合动力汽车而言，最 能反映其本质的功能是行驶功能。在本章的分析中，将以行驶作为混合动力汽车 的功能来对其进行可靠性分析。 四轮驱动混合动力汽车动力系统结构框图如下： 9 # n 吒l 机 ；凸! 罔2lt h 有发动机、i s g 、a m t 、莆电池、轮毂电机等单元，实际上除 此之外迁钉电动助力转阳、显示仪表等啦元，但是和汽车的行驶没有直接的天系 闻此没_ f = 在图21t l 表示出水。 2 22 四轮驱动混合动力汽车可靠性框图及可靠性计算 了解系统中各单元的助能和e l f 相互之m 的联系以及埘整个系统的作用和 影响，对建立系统的可靠性数学模型、完成系统的可靠性蹬计、分配和预测都具 有重要= 萏义。可张性框i 划j i j 柬表吓构成系统的各个上j j 能单元狂系统巾的作用和卅 l 之州赴_ i ；j j 能j ：的关系。 矬札系统一口招件框图，首先要确定系统中各翎；分完成任务的功能要求，要把 它绘制成完成某巾一任务的框| 芏| ，其中每一方框必须简单到根据他所使川的元器 什种类干数m 就可以“接计罐它的可稚性。然后按系统完成仟务的订二l = ，把 这蝗 1 1 阿联系起来，就成为系统的可招性榧剖。所瞄完成f t 井的方址指完成u ! 定任井时，所需婴的部件或部件的组合情况。组介t 菏况通常有三利分) ；i 】是：b 联、 并戕和i 皑联。 叫轮蛐动l i d 舟动力汽1 - 竹竹1 。l 作 式，j l 仃返些i l l ； ! 巾的种或疗几 种f r 效时混合动力汽乍爿能实现行| 啦功能。在做r 面帕分忻咀】i ，封濉动力 汽1 ：做咀f 假设： ( i ) c a n 总线j 咀倍f i ：常 ( 2 ) 箭电池小需要充电 第2 章基丁：动力系统：i ：作模式的混合动力汽车可靠性分析 ( 3 ) 机械传动和电气连接均正常 ( 4 ) 不考虑整车控制器失效，若失效，则所有单元失控，整车失效 对于第一个假设，因为我们将单独对c a n 总线进行分析，因此在这里暂时假 设c a n 总线通信正常。对于第二个假设，即认为任何需要使用蓄电池的时候，它 总能提供电能，实际工况下，控制策略总是使蓄电池保持比较稳定的荷电状态， 这种状态下短时间使用蓄电池电能是没有问题的，做这个假设是为了简化分析。 在下面的计算中，假设各单元可靠度如下： 发动机可靠度r e ( f ) ； n d t 可靠度辟( f ) ； i s g 电机可靠度( f ) ； 蓄电池可靠度r s ( f ) ； 轮毂电机可靠度( f ) 。 2 2 2 1 发动机驱动模式 这种工作模式和传统汽车无异，只有在发动机和a m t 同时工作正常时，这种 模式才有效，或者说任何一个部件失效都会引起系统失效，所以其可靠性框图如 下，这是一个串联结构。 广 广 一发动机h a m t 卜一 i一1一 图2 2 发动机驱动模式可靠性框图 这种模式下要求发动机和a m t 两个单元都工作正常，因此其可靠性为： r ( f ) = r e ( f ) r r ( f ) ( 2 7 ) 2 2 2 2 纯电动驱动模式 纯电动驱动模式可以是轮毂电机或i s g 电机单独驱动，以及二者共同驱动， 同时需蓄电池供电。使用i s g 驱动的时候需要变速箱和传动系统将动力传递到 前轮上，而轮毂电机驱动时不需要变速箱和传动系统。其可靠性框图如下。 图2 3 纯电动驱动模式可靠性框图 这是一个混联结构，i s g 电机和a m t 串联再与轮毂电机并联，最后再与蓄 第2 章基丁动力系统：r 作模式的混合动力汽车可靠性分析 电池串联。在蓄电池正常供电的前提下，仅仅轮毂电机失效时，系统并不失效， i s g 和a m t 仍然可以把动力传递到车轮上。因此其可靠性为： 足( f ) = ( t ) 1 - ( 1 - ( f ) ) ( 1 一r u ( f ) p v ( f ) ) 】 ( 2 8 ) 2 2 2 3 混合驱动模式 混合驱动模式要求发动机和至少一个电机工作，其可靠性框图如下： 图2 4 混合驱动模式可靠性框图 这种模式实际上是轮毂电机和i s g 电机并联以后再和发动机、a m t 、蓄电池 串联。因此其可靠度为： r o ) = r ( f ) 尺7 o ) 尺8 ( t ) 1 - ( 1 - 嘞，( f ) ) ( 1 一r u ( f ) ) 】 ( 2 9 ) 2 2 2 4 四轮驱动混合动力汽车可靠性框图 当然，除了以上三种工作模式，还有发动机驱动发电以及制动和制动发电等 工作模式，但是这些模式只影响混合动力汽车功能的完善以及节能效果，并不影 响汽车的行驶性能，因此在分析混合动力汽车可靠性时，并没有考虑这些模式。 由发动机驱动模式、纯电动驱动模式以及混合驱动模式可以得到四轮驱动混 合动力汽车的可靠性框图。 图2 5 四轮驱动混合动力汽车可靠性框图 从这个可靠性框图我们可以看到这是一个混联式结构，分析这个系统可靠度 的基本思路足把其转换成由串联并联子系统组成的系统。基本方法是利用全概率 公式。因为计算可靠度实际上就是计算系统在指定的时问内可靠的概率。 具体方法就是分别计算当辟( ，) = 0 以及r r ( ，) = 1 时b ( ，) 和b ( ，) ，则 r s ( f ) = r s ( f ) + b ( f ) 。 当辟( f ) = 0 时，系统可靠性框图变为： 1 2 第2 章基于动力系统工作模式的混合动力汽车可靠性分析 图2 6 当尺r ( f ) = o 时，系统可靠性框图 即和a m t 串联的i s g 电机和发动机都无法提供动力，只有轮毂电机可以驱动 后轮。 此时愿( f ) = r b ( f ) 勘( f ) 。 当辟( f ) = 1 时，系统可靠性框图如下图： 图2 7 当r r ( f ) = 1 时，系统可靠性框图 即轮毂电机和i s g 并联以后与蓄电池串联再与发动机并联，所以其可靠度为： b o ) = 1 - ( 1 - r e ( t ) ) 1 一心o ) 【l 一( 1 一尽m o ) ) ( 1 一勘( f ) ) 】) ( 2 1 0 ) 根据全概率公式，可得： r s ( f ) = r s ( f ) ( f ) + r s ( f ) r r ( f ) = 辱( f ) r n ( t ) r w ( t ) + r r ( t ) 1 一( 1 - r e ( t ) ) 1 - r b ( t ) 1 - ( 1 - r m ( t ) ) ( 1 - r w ( t ) ) ) ( 2 11 ) 其中辱( f ) 为a m t 失效率且辱( f ) = 1 一r r ( f ) 。 2 2 3 四轮驱动混合动力汽车可靠性分析 为简便计算，假设各单元可靠度为常数，即与时间无关。则上式可改写为： 咫= b 辱+ b - 辟 ，。19 、 = 辱r 口r 妒+ 辟1 一( 卜r ) 1 一r 占【卜( 1 _ ) ( 卜r ) 】 ) k z “7 下面利用这个式子分别计算各单元可靠度对系统可靠度的影响。 令r 口= r = r = r 肘= r r = 0 9 则r 。= 0 9 7 1 2 ，可见，在单元可靠度都为0 9 的情况下，系统可靠度为0 9 7 1 2 ， 而传统汽车发动机单独驱动时可靠度仅为尺f r r = o 8 1 ，小于混合动力汽车系统 可靠度。显然，由于增加了工作模式，混合动力汽车不再仅仅依靠发动机和a m t 1 3 第2 章基于动力系统丁作模式的混合动力汽车可靠性分析 驱动。 下面分析单元的可靠度对系统可靠度的影响。方法是保持其他单元可靠度不 变，仅仅改变其中一个单元的可靠度，利用上述公式分别计算系统可靠度。表2 1 是当其他单元可靠度为0 9 时，系统可靠度随a m t 可靠度变化的规律。 表2 1 系统可靠度与a m t 可靠度的关系 碍 0 80 8 5o 8 80 8 90 90 9 l0 9 2o 9 5 凡 0 9 5 3 3 0 9 6 2 2 0 9 6 7 60 9 6 9 40 9 7 1 20 9 7 3 00 9 7 4 80 9 8 0 1 表2 2 是当其他单元可靠度为0 9 时，系统可靠度随发动机可靠度变化的规 律。可见发动机对系统可靠度的影响不如a m t 明显。 表2 2 系统可靠度与发动机可靠度的关系 如 o 80 8 5o 8 80 8 90 9o 9 lo 9 2o 9 5 r s 0 9 6 1 40 9 6 6 30 9 6 9 20 9 7 0 20 9 7 1 20 9 7 2 20 9 7 3 20 9 7 6 1 表2 3 是当其他单元可靠度为0 9 时，系统可靠度随蓄电池可靠度变化的规律。 可见蓄电池对系统可靠度的影响和a m t 一样显著。 表2 3 系统可靠度与蓄电池可靠度的关系 r 占 0 80 8 5o 8 8 0 8 9 o 90 9 1o 9 2o 9 5 r s 0 9 5 3 30 9 6 2 20 9 6 7 6o 9 6 9 40 9 7 1 20 9 7 3 00 9 7 4 80 9 8 0 1 表2 4 ，2 5 是当其他单元可靠度为0 9 时，系统可靠度随i s g 电机和轮毂电机 可靠度变化的规律。 表2 4 系统可靠度与i s g 电机可靠度的关系 r 肘 o 8o 8 50 8 80 8 90 90 9 lo 9 20 9 5 r s 0 9 7 0 40 9 7 0 80 9 7 1 00 9 7 l l0 9 7 1 2 0 9 7 1 30 9 7 1 40 9 7 1 6 表2 5 系统可靠度与轮毂电机可靠度的关系 r m o 8 0 8 5 0 8 80 8 9 0 90 9 l0 9 20 9 5 b o 9 6 1 4 0 9 6 6 3 0 9 6 9 20 9 7 0 20 9 7 1 2 0 9 7 2 20 9 7 3 20 9 7 6 1 1 4 第2 章基于动力系统工作模式的混合动力汽车可靠性分析 从表中可以看出，系统可靠度与a m t 和蓄电池的可靠度关联最大，与i s g 电 机的可靠度关联最小。从混合动力汽车的实际结构考虑，a m t 与发动机和i s g 两 个能量转化单元串联，而蓄电池也同时控制着轮毂电机和i s g 电机两个单元的能 量来源，因此这a m t 和蓄电池这两个单元失效将对系统可靠度产生较大的影响。 因此在进行可靠性设计时，需要对a m t 和蓄电池进行重点考虑i 提高其可靠性乙 在本文后一章节，将对a m t 的可靠性设计进行具体分析。 上述结果也可以通过分析系统可靠度对某部件可靠度的灵敏度得到。 2 3 冗余设计对c a n 总线可靠性的作用 冗余是提高系统可靠性一个常用方法。但是要真正使冗余发挥作用，必须对 冗余的实施方法进行仔细的设计和全面的考虑。在四轮驱动混合动力汽车中， c a n 通信是一个重要的部分，在多篇文献中，都提出采用冗余设计可以提高c a n 总线可靠性 删 6 8 】【6 9 】【7 0 1 。 但是在冗余设计中，以下效应需要仔细考虑： ( 1 ) 采用部分冗余还是完全冗余，即仅仅是总线的冗余还是包括c a n 接收 器、c a n 控制器在内的完全冗余1 6 9 1 。 ( 2 ) 考虑冗余设计对原系统的影响。如下图，虽然两根c a n 总线都采用屏 蔽双绞线，但是由于两根线平行白在一起，相互有一定的干扰和影响，从而使得 每根c a n 线的可靠性下降了。 c 2 蚴蔓二亟夏二邃礤t z ：二j 冀毽 c a n - b 黝蔓二墨蔓二装聚- z 哑 图2 8 冗余c a n 总线 ( 3 ) 因为两根c a n 总线可能会受到相同的干扰，并且会由于相同的原因受 到机械损坏，即产生了共因失效( c o m m o nc a u s ef a i l u r e ) 1 7 0 】，因此也会削弱冗 余带来的效果。 ( 4 ) 当工作c a n 总线失效，而切换到备用c a