通信车供电系统可靠性设计

杨 洋，戈建伟，徐传旭，郭 人，蔡 娜

（北京计算机技术及应用研究所，北京 100039）

通信车供电系统是车辆在正常和极端环境下安全有效运行、成功完成各种通信任务、保证车辆生命力的关键。通信车为满足不同通联任务的需求，上装有多种通信设备和电子电气设备，用电侧复杂，如果车辆供电系统的可靠性设计不合理，将导致供电系统的安全稳定性降低、潜在故障隐患增加、故障率升高，严重时甚至造成整个车载系统的瘫痪。因此，如何对通信车的供电系统进行合理的可靠性设计，使车辆在稳定实现各项任务通联功能的同时，又能有效保证车辆供电系统的稳定性和可靠性，成为本文研究的主要内容。

1 供电系统组成及工作原理

1.1 供电系统组成

通信车在车辆底盘上采用取力方式供电，在行进中能给任务设备满功率供电。供电系统由电机控制器（包括直流转直流电源（Direct Current/Direct Current, DC/DC）模块、绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）模块、发电控制板、发电接口板、滤波电容板和逆变控制板）、交流发电机（包括前端盖、定子、转子、旋转变压器、后端盖）以及电机安装件（包括安装架、吊钩、涨紧轮和导向轮）组成，供电系统的组成结构如图1 所示。

图1 供电系统组成

1.2 供电系统工作原理

底盘发动机通过皮带驱动交流发电机发电，交流发电机为铜转子三相异步电机，在行车中输出交流电，并由电机控制器将交流发电机输出的交流电可控整流为稳定的高压直流电，为车内上装的任务设备供电，供电系统的工作原理如图2所示。

图2 供电系统工作原理

2 供电系统可靠性分配

2.1 可靠性模型

依据供电系统的工作原理，建立了供电系统可靠性模型。供电系统可靠性模型为电机控制器、交流发电机和电机安装件3 个单元串联组成。其中电机控制器单元的可靠性模型为DC/DC 模块、IGBT 模块、发电控制板、发电接口板、滤波电容板、逆变控制板6 个部件串联组成。交流发电机单元的可靠性模型为前端盖、定子、转子、旋转变压器、后端盖5 个部件串联组成。电机安装件单元的可靠性模型为安装架、吊钩、涨紧轮、导向轮4 个部件串联组成[1]。建立的供电系统和各单元可靠性模型框图如图3 所示。

图3 可靠性模型

2.2 可靠性分配和计算方法

根据“评分分配法[2]”将要求的供电系统可靠性时间3 000 h 分配给供电系统各部件。

评分因素分为复杂程度、技术水平、工作时间和环境条件四项，每项1～10 分，分数越高，可靠性水平越低。由经验丰富的评分专家按照评分原则对评分因素逐一进行评分，并取平均值。

组成系统的各单元评分数wi和系统评分数w的计算公式[3]为

式中，ri为各评分因素。

各单元评分系数ci的计算公式为

各单元分配值δi的计算公式为

式中，tMTBF为平均故障工作时间。

2.3 可靠性分配结果

根据“评分分配法”将要求的供电系统可靠性时间3 000 h 分配给供电系统各单元及其单元部件[4]，分配结果如表1—表4 所示。

表1 供电系统可靠性分配结果

表2 电机控制器单元可靠性分配结果

表4 电机安装件单元可靠性分配结果

供电系统各单元的可靠性分配结果显示，电机控制器单元的可靠性分配值最低，而在电机控制器单元各部件的可靠性分配中，发电控制板和逆变控制板的可靠性分配值最低。

电机控制器是供电系统的核心单元，发电控制板和逆变控制板是电机控制器单元中两个最为重要的组成部件。电机控制板的功能是通过控制三相桥路在定子线圈施加三相交流电压，以建立发电机运行磁场和建立输出电压，在运行过程中，电机控制部件实时检测输出电压、输出电流、发电机转速等模拟量，通过对输出电压的闭环控制，实时调节发电机转差（改变电流和磁场），以实现对输出电压的控制。而逆变控制板的功能是将输入的370 V 母线直流电，通过H 桥拓扑电路变换成220 V/50 Hz 交流电，具有多环路复合控制，如电压外环、电流内环、前馈控制环路、重复控制环路等，使逆变器在各种负载工况下都能有较快的动态响应和较高的稳态精度[5-6]。

基于电机控制板和逆变控制板极为复杂的闭环控制功能，其复杂程度和技术水平均为供电系统各部件中最高的，按照可靠性分配原理，可靠性分配值也相应最低。

通过上述供电系统各部件的可靠性分配，落实了供电系统的可靠性指标，明确了供电系统的各单元及其部件的合理的可靠性要求，同时也显示出系统的薄弱环节，为改进设计提供了相应的依据。

3 供电系统故障模式影响分析

3.1 约定层次

采用“硬件定量法”[7-8]进行供电系统故障模式影响分析。根据供电系统的可靠性模型，划分层次如下：

1）初始约定层次为供电系统；

2）第二约定层次为电机控制器、交流发电机、电机安装件；

3）最低约定层次为电机控制器内功能模块。

3.2 故障判据

当供电系统出现如下情况时，判断为故障：

1）无输出电压；

2）上电后，上报输出过压故障、输出过流故障和过温故障；

3）通讯异常。

3.3 严酷度类别定义

确定每一个故障模式和产品的严酷度类别的目的在于为安排改进措施提供依据。优先考虑消除Ⅰ类和Ⅱ类故障模式。当较低约定层次产品失去输入或输出危及较高约定层次产品正常工作时，也应该采取措施，严酷度定义[9-10]如表5 所示。

表5 供电系统严酷度分类表

3.4 故障模式影响分析表

故障模式影响分析如表6 所示。

表6 故障模式影响分析表

供电系统故障模式影响分析表显示，发电控制板和逆变控制板的严酷度类别最高，为Ⅱ类，且其故障模式对系统的影响程度也最为严重，会直接导致供电系统无直流输出，丧失供电功能[10]。因此，确定发电控制板和逆变控制板为供电系统的两项薄弱环节，应针对发电控制板和逆变控制板重点进行相应的可靠性设计。

4 可靠性设计

针对发电控制板和逆变控制板这两项薄弱环节，从工艺设计、元器件质量控制、裕度设计和耐环境设计方面采取相应措施。

4.1 工艺设计

1）采用自动贴片机、回流焊接设备进行发电控制板和逆变控制板的焊接，通过对锡膏用量以及炉温的有效控制，并在回流焊接工序后，增加自动光学检测（Automated Optical Inspection, AOI）设备焊点自动检测工序，以从工艺上保证发电控制板和逆变控制板的电路板焊接质量。

2）采用超声波清洗设备，对发电控制板和逆变控制板的清洗步骤、次数、时间等控制因素进行改善，以有效去除锡渣。

4.2 元器件质量控制

对发电控制板和逆变控制板的元器件质量等级进行严格控制和筛选，优先选用高性能系列化产品，并进行满载连续工作老化试验。

4.3 裕度设计

在发电控制板和逆变控制板的电路设计中进行降额（85%）使用。

4.4 耐环境设计

1）在发电控制板和逆变控制板的电路设计时对于电阻、电容、功率器件及部分发热器件预留设计余量，增加防静电措施，如增加放电电阻、印制板的公共地通过低阻抗的电缆进行接地处理等。

2）电路板调试完成后均喷涂三防漆，并采用设备自动三防处理，严禁手工三防处理，保证具有防水、防尘、防霉菌作用，减慢元器件老化速率。

3）采用防腐密封措施，进一步减小外部环境对其寿命的影响。

5 结论

基于通信车的供电系统组成及其工作原理，建立了供电系统及其各单元的可靠性模型，采用专家评分法对可靠性指标进行了合理分配，使供电系统各单元的平均故障工作时间更符合供电系统可靠性的实际要求。同时根据供电系统的可靠性模型，进行了故障模式影响分析，识别了供电系统的薄弱环节，并进行了相应的可靠性设计（包括工艺设计、元器件质量控制、裕度设计和耐环境设计），以减少通信车供电系统的故障发生率，消除系统的潜在故障隐患，提高了通信车供电系统的可靠性水平。