基于多维T-S船用电池管理系统动态故障树分析

李霞林，李 围，赵 权，赵 胜，郑雨龙

基于多维T-S船用电池管理系统动态故障树分析

李霞林，李 围，赵 权，赵 胜，郑雨龙

（武汉船用电力推进及化学电源研究所，武汉 430064）

本文对船用电池管理系统基本事件进行分析，根据电池管理系统原理建立T-S动态故障树,构建了T-S动态门及其连续时间描述规则，搭建事件描述方法和数学模型。利用连续时间T-S动态故障树算法计算电池管理系统可靠性，分别计算各基本事件的概率重要度、关键重要度和综合重要度；根据计算结果对基本事件进行排序。

电池管理系统 T-S故障树 可靠度 综合重要度

0 引言

随着船舶动力系统在环保性、安全性要求越来越高的趋势下，以锂二次电池为代表的动力电池组越来越广泛的应用于新能源船舶上。为了进一步提高船用电池系统可靠性、安全性和维修性，本文根据船用电池管理系统原理建立T-S动态故障树，分析了系统可靠度和各基本事件的重要度，对于电池管理系统的设计和维修具有指导意义。

1 电池管理系统T-S动态故障树建立

船用电池管理系统由电池检测单元和电池管理单元组成，原理见图1。

根据电池管理系统结构和工作原理[1]，结合电池管理系统故障形成机理建造电池管理系统的T-S动态故障树[6]，如图2。

图1 船用电池管理系统原理图

基本时间Xi（i=1，2..........11）对应的事件名称[2]及故障概率λ见表1，且寿命均服从指数分布，任务时间tM=86400 h。

图2 电池管理系统故障树

表1 基本事件及其故障率

用冲激函数描述上级事件y与下级时间xi失效时刻关系，即

描述T-S动态门连续时间规则。G1-G4门的事件时序描述规则，分别见表2～5。

表2 G1门的事件顺序描述规则

表2 G2门的事件顺序描述规则

表3 G3门的事件顺序描述规则

表4 G4门的事件顺序描述规则

2 故障树计算

2.1 顶事件在任务时间内的故障率

利用下事件各故障状态的可靠数据，可以计算出上级事件的故障概率密度函数，计算顶事件T的故障概率密度函数在规定工作时间t内积分进而求得顶事件T的故障概率分布函数。

电池管理系统故障概率随时间变化的曲线如图3。

图3 系统故障概率曲线

通过系统故障概率曲线可以看出，故障在工作时间中后期呈现几何级增长。根据计算，将tM=86400代如，顶事件T的故障概率为：0.1024。

2.2 概率重要度计算

概率重要度反映基本事件xi在任务时间内从正常状态变为故障状态时顶事件T故障概率的变化值[3]。

2.3 关键重要度计算

关键重要度反映基本事件xi故障概率的变化率与引起顶事件T故障率的变化率的比值。

2.4 综合重要度计算

综合重要度反映基于基本事件的故障率及其正常工作的概率，基本事件可靠性变化导致顶事件T可靠性变化的数学期望[4]。

根据上述计算公式，各基本事件的重要度见表5。

表5 基本事件重要度

通过计算分析，电池管理系统在10年的工作周期内可靠度为0.1024。

各基本事件概率重要度排序为：

关键重要度排序为：

综合重要度排序为：

3 结语

本文对船用电池管理系统的基本事件进行了深入分析，建立了连续时间多维T-S故障树；根据故障机理，描述了事件规则，最终建立数学模型，计算了电池管理系统10年工作寿命内的故障率，并就各基本事件的重要度进行计算[5]。通过计算表明电池管理系统10年内故障率为0.1024。综合重要度从高到低排序，依次为：继电器控制>电芯电压采集>安全保护策略>电芯温度采集>SOC估算>总电流检测>总电压检测>状态自检。

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Dynamic fault tree analysis base on T-S marine battery management system

Li Xialin, Li Wei, Zhao Quan，Zhao Sheng，Zheng Yulong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2023）06-0000-00

2022-08-03

李霞林（1985-），男，工程师。研究方向：电源管理系统及设计研发。E-mail: lixinnan0407@163.com