纯电动商用车动力电池冷却系统动态故障树开发①

徐宏杰，曹 静，宋 珂

(同济大学,上海 201804)

0 引 言

近年来，随着人们对绿色环保需求的日益增加，动力电池逐渐取代了内燃机成为了新一代交通工具的动力核心。特别是在污染和排放问题更严重的商用车领域，电动化是解决这些问题最为有效的手段。在商用车电动化的大背景下，动力电池系统的可靠性是关系着商用整车的性能和安全的关键因素。动力电池系统是一个包含化学，电学，热力学等多种变化的复杂系统。对动力电池系统可靠性进行分析，需要了解系统结构和系统故障机理，理清故障发生的逻辑顺序，从而能够采取有效措施避免故障发生，提高系统的可靠性。本文通过分析动力电池系统的组成结构，研究了动力电池常见故障和故障产生原因，并通过文献查阅对动力电池传统静态故障树分析法进行了分析总结。并且针对电池系统的复杂性引入了动态故障树分析方法，介绍了该方法的特点以及优势，并针对电池中相对复杂的冷却系统建立了动态故障树模型，为电池系统中的复杂动态故障诊断分析提供了新思路。

1 动力电池系统结构

动力电池系统主要包含电池模组、电池管理系统(BMS)、热管理系统、电气及机械组件四大部分。电池模组是由电池单体经过串并联组合而成的电量存储体。电池管理系统BMS是对电池性能和健康状况进行监控和性能管理的重要部件，其中包含传感器，执行器，主控芯片等，对电池的电压，电流温度和外壳绝缘等进行实时监控，并对检测到的故障做出及时处理。热管理系统不同于BMS系统，主要是对系统进行温度控制，一般是对电池进行冷却，所以也称为冷却系统。从形式上看，冷却系统有风冷、液冷、相变材料冷却等几种冷却形式，不同的冷却方式在动力电池系统中的结构布置上也有所不同。电气及机械组件包含电池箱体，高低压连接线束，机械接插件和一些辅助密封材料等。

2 动力电池故障分类及产生原因

电池系统是一个庞大且复杂的系统，存在各种各样的故障，因此需要对电池系统故障类型进行总结。根据大量电池系统故障经验和实验数据可以将电池系统的故障分成以下三个大类：性能故障，热异常故障，BMS故障。电池良好的性能是保证整车动力系统正常工作的前提。电池的性能参数包含电压，电池内阻，电池容量和SOC等。从实际使用中来看，性能故障包含电压故障，容量故障，绝缘故障。产生这些故障的原因主要有内外两个方面。内部原因主要是电池单体内部老化衰减和电池成组过程中的线路腐蚀，外部原因主要是考虑电池使用过程的操作不当引起的，如充电不足，过充、过放等异常的充放电。热异常故障是指电池系统温度出现异常，通常指过热，这会导致电池系统工作故障，甚至引发火灾。热异常的产生一般是三个方面：1)电池冷却系统的异常 电池冷却系统的种类不同，具体产生故障的原因也有所不同。2)电池包的发热异常 电池包产生太多热量导致冷却系统无法对电池包进行降温。发热异常可以从单体和电池包整体来看。漏液、内部短路、过充过放都会引起单体的发热异常。电池包的发热异常通常是电池包过大，过重，以及残次品的原因导致的。3)设计缺陷 主要是指电池的散热能力和电池的产热不匹配，通常是在电池系统设计中就会考虑的一项故障问题。BMS故障指的是电池管理系统产生故障。BMS系统是电池使用过程中保证安全，保证电池正常工作最为重要的部件。BMS故障可以概括为通信故障，传感器故障，执行器异常三类。

3 动力电池静态故障树

故障树分析法(Fault Tree Analysis, FTA)，是通过分析系统产生故障的各种因素，绘制系统故障发生的逻辑图，从而确定造成系统故障原因的可能组合和发生概率的方法[1]。它对于提高系统可靠性的设计以及分析有很大的帮助，且具有直观性、层次性、系统性等特点，是目前对于复杂系统可靠性分析发展最为完善，应用最为广泛的分析方法。传统故障树分析法是不考虑系统特性随时间变化的静态系统分析方法，所以也称为静态故障树或者标准故障树(Standard Fault Tree, SFT)[2，3]。而动态故障树是(Dynamic Fault Tree, DFT)充分考虑了系统的动态特性，满足了现代实际工程系统的先进分析方法。

故障树是一种树状图展示的逻辑演绎法，由一些基本的图形符号根据不同的逻辑关系组合而成的故障树模型。故障树符号可以分为事件符号，逻辑门符号和其他转移符号等组成。其中逻辑门的输入事件是逻辑门输出事件的“因”，输出事件是逻辑门输入事件的“果”。静态故障树的常见符号如下表1所示[4]

许多文献都对动力电池系统静态故障树的绘制方法进行了介绍。如文献[5]针对专用特种车所使用的动力型VRLA电池包建立了静态故障树。文献[6]是针对锂电池PACK生产监理进行故障树分析，面向的是电池PACK的生产监理过程存在的故障问题。文献[7]针对电动观光车动力系统故障维修建立了蓄电池系统静态故障树，为电池故障维修的诊断排查提供帮助。通过常见故障的分析和文献经验的总结，以纯电动商用车锂离子动力电池为例，将动力电池系统故障作为顶事件，可以绘制得到动力电池系统故障树图1所示。

表1静态故障树常见符号

4 动态故障树分析法

由于静态故障树建模的局限性，所以引入了动态逻辑门来体现实际系统中零部件存在的失效优先性、顺序相关性和功能相关性等动态特性。动态逻辑门也是动态故障树区别于静态故障树的地方，动态逻辑门符号如下表2所示

动态故障树分析法最早由Dugan[8,9]提出，除了引入动态逻辑门对系统故障进行描述以外，通过马尔科夫链对故障树进行定性和定量的动态分析。在后续研究中，众多学者逐渐引用此方法进行系统可靠性的分析。如文献[10]将动态故障树分析法运用在了卫星电源系统的可靠性分析中，并得到了电源系统发生故障的概率。文献[11]运用动态故障树分析法对HXD3型机车蓄电池充电装置的可靠性进行了定量和定性的分析。在此基础上经过发展，又出现一系列针对特定系统的动态故障树分析方法。如在文献[12]中，提出基于BDD的动态故障树分析法，是通过二元决策树对动态故障树进行定性和定量分析的方法。再如文献[13]考虑了系统零部件失效参数的不确定性，提出了基于模糊马尔科夫的动态树分析方法，以及基于离散贝叶斯网络动态故障树可靠性评估模型和模糊数据下的基于连续贝叶斯网络动态故障树可靠性分析法，并运用在实例分析中。此外还提出了基于共因失效的动态故障树分析法应用在了甬温线高铁事故故障分析，证明了该方法的有效性。动态故障树分析法概念较为新颖，目前在动力电池故障诊断领域应用较少。动力电池系统结构复杂，使用动态故障树建模能够有效提高故障诊断分析的准确性。因为冷却系统是动力电池系统中的重要组成部分，且某些部件含有动态特性，适用于动态故障树分析法，故本文将建立动力电池冷却系统动态故障树。

5 冷却系统动态故障树建模

冷却系统是动力电池中非常重要的一部分。图示2为某纯电动客车强制风冷却系统。该冷却系统的工作原理如下：当温度传感器检测到电池堆温度过热时，BMS主控制器发出信号，通过CAN通信发送给从控芯片，从控芯片接受信号并发出风扇启动指令，经过从控主板内部光耦隔离芯片隔离后，驱动内部继电器，进而驱动外部继电器，从而驱动风扇。从控主板可以驱动两路风扇。

表2动态故障树逻辑门符号[11]

图1 动力电池系统静态故障树

图2 强制风冷却系统

图3 冷却系统动态故障树

以此为基础，本文尝试建立了动态故障树如图3所示，为后续故障诊断及生产制造提供帮助。除了静态故障树的基础之外，冷却系统还存在两处动态故障。一部分为功能相关门，即从控执行模块的所有子部件由同一电压供电，所以当电压出现故障时，会直接导致从控执行模块产生故障。还有一处是热备件门。该冷却系统使用的从控主板可以同时驱动两块风扇，两路风扇的设计能够保证系统的冗余，但通常只驱动一路就能达到冷却效果。故可以将另一处风扇视为热备件，只有在另一路风扇失效时，才发挥作用，且备件期间的失效率同工作时的失效率相同。

6 结 语

在纯电动商用车动力电池系统故障分析领域，传统静态故障树目前被广泛使用。本文研究了动力电池系统常见故障及其产生原因，结合了动力电池领域故障树相关文献的研究，对动力电池静态故障树进行了总结绘制。由于静态故障树只能反映静态系统特点，所以本文引入了动态故障树分析法。动态故障树分析法是在静态故障树分析法上进一步延伸得到的方法，对于复杂动态系统而言，更为合理和准确。本文还介绍了动态故障树分析法目前在相关领域应用和研究现状，并且针对某客车的冷却系统建立了动态故障树模型，为后续的故障诊断和研究提高了新思路。