汽車高壓繼電器粘連失效故障樹分析

【歡迎引用】 張長濤， 房元， 李威， 等. 汽車高壓繼電器粘連失效故障樹分析[J]. 汽車文摘，2024（XX）： X-XX.

【Cite this paper】 ZHANG C T， FANG Y， LI W， et al. Automotive High-Voltage Relay Adhesion Failure Fault Tree Analysis[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（XX）： X-XX.

【摘要】針對電動汽車高壓繼電器粘連失效故障現象，采用故障樹分析法（FTA）進行相關可靠性分析。通過分析高壓繼電器所在電氣系統，建立繼電器粘連失效故障樹模型，對其進行定性及定量分析。最后求解故障樹最小割集及頂事件故障概率，并依據重要度分析找出引起粘連失效的薄弱環節。

關鍵詞：高壓繼電器；粘連失效；故障樹分析法

中圖分類號：U469.72+2" "文獻標志碼：A" DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20230241

Automotive High-Voltage Relay Adhesion Failure Fault Tree Analysis

Zhang Changtao1，2， Fang Yuan1，2， Li Wei1，2， Qu Zhenning1，2， Ci Weicheng1，2

（1.Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013; 2.National Key Laboratory of Advanced Vehicle Integration and Control， Changchun 130013）

【Abstract】 In view of the electric vehicle high-voltage relay adhesion failure phenomenon， Fault Tree Analysis （FTA） is used to perform the relevant reliability analysis. By analyzing the electrical system in which the high-voltage relay is located， a relay Adhesion failure fault tree model is built to analyze it qualitatively and quantitatively. Finally， the minimum cut set of the fault tree and the top event failure probability are solved， and the weak links causing the adhesion failure are identified based on the importance analysis.

Key words： High voltage relays， Adhesion failure， Fault Tree Analysis （FTA）

0 引言

在綠色發展背景下，各國都將發展新能源汽車作為交通減碳的主要方式。新能源汽車一般采用高壓電池組作為動力源，在動力電池系統或相關高壓總成中配置高壓繼電器。高壓繼電器是維持電氣系統穩定性的重要元器件，可以保證電氣系統正常通斷[1-3]。對引起高壓繼電器失效的關鍵要素進行分析、識別，是減少其失效頻次、提升整車可靠性的重要方法。目前用于識別系統失效關鍵誘因、預測系統失效概率的方法主要有可靠性框圖法、故障樹分析法（Fault Tree Analysis， FTA）、佩特里網（Petri）等。其中，故障樹分析法因可通過梳理系統部件間和子系統間邏輯功能關系，尋找系統故障事件的根本原因，而被廣泛用于事前與事后故障分析[4-6]。故障樹分析法是一種將系統故障形成的原因由總體至部分按樹枝狀逐級細化的分析方法。1961年首次被美國貝爾研究所成功應用于導彈隨機失效問題預測研究中[7]，之后該方法及其演變、擴展方法廣泛應用在故障診斷、系統薄弱環節識別等研究中。如單機故障排查方面，楊帆[8]將故障樹分析用于壓氣機的振動故障分析；霍麗寧[9]使用故障樹分析法來估計引信彈道爆炸概率。除機械電子等設備外，故障樹分析也可以應用于大系統或體系的故障排查，如郭韌[10]在研究跨境電商物流的脆弱性時使用了故障數分析；Asuelimen[11]使用故障樹和風險矩陣進行海洋地震測量船運營的規范化安全評估。為解決復雜系統可靠性分析問題，多種故障樹的衍生或相關分析方法不斷出現，如陳東寧[12]提出了連續時間多維T-S動態故障樹分析方法，并驗證其可行性；陳舞[13]將T-S模糊故障樹和貝葉斯網絡結合評價隧道坍塌的易發性。故障樹分析法的豐富應用案例和研究證明了其在系統可靠性評估及薄弱環節識別方面的可行性。

目前，電動乘用車高壓電氣系統的相關研究起步較晚，汽車用高壓繼電器故障模式及可靠性評估的研究內容有限。因此，本文結合故障樹分析法，對高壓繼電器所在電氣系統進行可靠性評估，以繼電器粘連失效為頂事件計算其發生概率，并通過定量及定性分析確定系統的薄弱環節。

1 故障樹分析原理

1.1 故障樹基本符號及含義

應用故障樹分析方法時，目標系統的所有故障狀態以及不正常狀況，其他完好狀態及正常狀況，皆定義為事件。系統的結果事件定義為頂事件，作為故障樹分析的目標，位置在故障樹的頂端。引起其他事件發生且無法繼續拆分的事件成為底事件。處于頂事件和底事件中間的其他結果事件定義為中間事件。代表以上事件的符號和表現事件邏輯關系的門符號構成系統的故障樹。本文建立故障樹的基本符號表示見表1。

1.2 故障樹分析目標及步驟

故障樹分析的目標：（1）明確地表現各事件的聯系和相關邏輯；（2）從故障樹的頂端向下分析，找出系統故障與哪些部件、零件的狀態有關，全面弄清引起系統故障的原因和部位；（3）由故障樹的下端向上分析，查清零件、部件故障對系統故障的影響和傳播途徑；（4）全方位考慮系統環境、人、軟硬件等因素，確定目標系統故障率及存在的薄弱環節，以便提出可靠性設計措施。

故障樹分析的實施步驟如下：首先，建立故障樹模型；然后，建立故障樹數學模型；其次是系統模型定性分析；最后，對系統模型進行定量分析并綜合結果得出結論。

其中系統定性分析目的是為了確定引起目標事件發生的全部可能故障模式，也就是明確該系統出現故障有多少可能性組合。當故障樹幾個頂事件同時發生時，將引起頂事件的發生，則稱這些底事件組成的集和稱之為割集，且當去掉該割集中任意一個事件后，就不再是割集，則這個割集被稱之為最小割集[14]。對于已經發生故障的系統，最小割集所包括的事件是必須要處理的基本故障。故障樹定性分析的首要目標就是最小割集的確定。

故障樹定量分析主要包括頂事件概率求解和底事件重要度計算。對于給定的故障樹，可以明確計算出系統頂事件的故障概率數值來評估該系統的整體可靠性；不同底事件對頂事件發生的貢獻程度不同，稱作底事件重要度，重要度對識別薄弱環節、確定系統故障診斷方案中發揮著重要作用[15]。

2 汽車高壓繼電器粘連失效機理分析

2.1 高壓繼電器所處電氣系統簡述

電動汽車高壓電氣系統主要由動力電池、電驅、空調、正溫度系數熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient， PTC）等負載及高壓繼電器所在的配電模塊等組成。其中配電模塊包含了預充電路以及若干控制不同電路的繼電器，其中正/負極繼電器是高壓大電流電路的控制開關，在整車電路中起到自動調節、安全保護、切換電路等作用。高壓繼電器系統示意見圖1。

高壓繼電器由觸點系統、電磁系統和機械系統3部分共同組成，當高壓繼電器受到控制器驅動時，其動作線圈通過電流，同時產生磁場，與鐵芯相連的動觸點動作，動靜觸點閉合，高壓繼電器高壓電路接通；當控制器停止驅動高壓繼電器后，其動作線圈斷電導致磁場消失，鐵芯被彈簧推到原位，動靜觸點斷開，高壓繼電器高壓電路斷開；通過控制繼電器動作線圈的電信號，進而控制動靜觸點的閉合與分離，實現對高壓系統的邏輯控制，是整車的關鍵部件。

由圖1可以看出，高壓繼電器在電動汽車內部電路中數量和種類相對其他元器件較多，而且在充電、預充、外放電以及驅動電機、外用電器相關負載等不同工況下，都會由繼電器參與工作。因此相較于電路其他部分，繼電器具有較高的重要度，其發生失效的概率也相應增加，需要明確其關鍵故障模式，提升高壓繼電器的可靠性及壽命。

2.2 高壓繼電器失效機理

汽車用高壓繼電器實際應用中的主要失效模式為動、靜觸點粘連和分斷失效，一旦高壓繼電器出現粘連故障，整車高壓回路一直存在高壓電風險，威脅乘員安全。除自身原因外，汽車內部高壓電氣系統中其他控制器件故障或異常也會引發繼電器觸點粘連。

引起高壓繼電器出現粘連失效的原因有很多，按失效機理不同可分為容性接通粘連失效、分斷粘連失效等。容性接通粘連失效是因為高壓回路中含有電機控制器、空調壓縮機等容性負載，當回路接通時，如果預充準備不充分或控制器邏輯不合理會導致產生較大的浪涌電流，在高壓繼電器動靜觸點閉合時的回跳會在接觸表面反復產生拉弧，使觸點接觸面局部升溫-軟化-熔化，快速冷卻后動靜觸點發生粘連；分斷粘連失效一部分原因是因為負載大電流切斷時觸點表面產生非常大的電弧使觸點表面熔化，導致動靜觸點粘連在一起；另一部分原因是由于長期帶載閉合導致觸點表面不斷有燒蝕積累引起的分斷能力下降。此外如果回路發生短路，動靜觸點間會出現非常大的電流產生電動斥力而分離，從而產生電弧，觸點表面熔化粘接。

通過收集電動汽車高壓繼電器的歷史故障數據，總結引起中間事件的主要原因有4類：線圈驅動異常、帶載分斷故障、觸點溫升、短路大電流引起的觸點粘連。

通過以上的失效機理分析并結合繼電器觸點粘連失效的歷史統計事件進行魚骨圖分析，對引起粘連失效的因素進一步細化分解，找出關鍵影響因素，魚骨圖分析結果見圖2。

通過對試驗失效高壓繼電器的拆解分析，不同原因引起繼電器粘連失效的動靜觸點接觸面狀態見表2。

3 汽車高壓繼電器粘連失效故障樹分析

3.1 高壓繼電器粘連失效故障樹建立

為分析高壓繼電器觸點粘連失效概率，量化各底事件對高壓繼電器觸點粘連失效事件的影響，本文以純電動汽車配電盒中高壓繼電器觸點粘連失效為頂事件進行故障樹構建。

根據失效機理分析結果及歷史經驗數據分析，將所有能夠引發繼電器粘連失效的原因進行整理編碼見表3。

同時收集相關的故障信息見表4，結合相關領域專家分析給出相應底事件的故障概率見表5。

依據故障傳播的邏輯建立高壓繼電器粘連失效故障樹見圖3。

3.2 高壓繼電器粘連失效故障樹分析

3.2.1 最小割集

求解故障樹最小割集的方法有布爾割集法、上行法和下行法等。文中采用上行法求解最小割集，由圖3可以得出頂事件（D）與中間事件（Y）及底事件（X）的邏輯關系為：

[D=Y1?Y2?Y3?Y4] （1）

為方便展開底事件計算把邏輯乘[A?B]記為[AB]。可以得到頂事件（D）與底事件（X）的關系式，如式（2）。

[D=Y1?Y2?Y3?Y4" "=（X5?X6?X7X8?X9X10）?X11?X12?X4?（（X2）（X1?X3））" " =X4?X5?X6?X11?X12?" " " X1X2?X2X3?X7X8?X9X10] （2）

高壓繼電器失效故障樹的最小割集為：[X4]，[X5]，[X6]，[X11]，[X12]，[{X1，X2}]，[{X2，X3}]，[{X7，X8}]，[{X9， X10}]。

3.2.2 頂事件故障概率計算

頂事件（目標事件）的發生概率是評價系統整體可靠性的重要指標，基于底事件的頂事件失效概率[pD]的計算公式為：

[pD={1-（1-pY1）（1-pY2）（1-pY3）（1-pY4）}" " " ={1-（1-pX4）（1-pX11）（1-pX12）×（1-pX2（pX1+pX3-pX1pX3）×[1-（pX5+pX6-pX5pX6）×（1-pX7pX8）（1-pX9pX10）]}] （3）

式中：[pYi]表示中間事件[i]的故障發生概率，[pXi]表示底事件[i]的故障發生概率。依據表5底事件失效概率及公式（3），可計算出故障樹頂事件失效概率[pD=0.000 009 8]。

3.2.3 底事件重要度計算

故障樹分析中，底事件重要度反映了其對頂事件的影響程度。底事件重要度越大，則說明該事件所處的環節越薄弱。重要度是系統可靠性薄弱環節識別、可靠性改進及優化的基礎。常用的重要度有兩個，其中一個是關鍵性重要度，其表示由某一底事件觸發頂事件的可能性大??；另一個是概率重要度，表示底事件發生概率對目標頂事件是否發生的影響程度。這是評價引起系統故障事件重要性的關鍵指標。

底事件[i]發生概率變化時對頂事件概率變化的影響程度稱為事件[i]的概率重要度[Ig（i）]，其求解公式為：

[Ig（i）=?pD?pXi] （4）

概率重要度[Ig（i）]數值越大，說明底事件相比其他事件對頂事件的影響程度越大。將表4數值及[pD]帶入公式可以得到各底事件的概率重要度見表6，并繪制概率重要度的條形圖，如圖4。

底事件[i]的關鍵性重要度[Ic（i）]的含義是其故障概率的變化率與其引起頂事件發生概率變化率之比，其計算公式為：

[Ic（i）=pXipDIg（i）] （5）

[Ic（i）]的數值表示底事件[i]引起頂事件發生的可能性大小。將表4數值及[pD]帶入公式可以得到各底事件的關鍵性重要度如表7，并繪制關鍵性重要度的條形圖，見圖5。

由表5可以得出高壓繼電器粘連失效故障樹底事件的概率重要度大小排序為：[X5gt;X4gt;X6gt;X11gt;X12gt;X2gt;X7gt;X9=X8gt;X1=X3=X10]。

由表7可以得出高壓繼電器粘連失效故障樹底事件的關鍵性重要度大小排序為：[X5gt;X4gt;X6gt;X11gt;X7=X8gt;X1=X2=X3=X9=X10=X12]。

綜合底事件概率重要度及關鍵性重要度可知，對系統故障影響較大的底事件是電源線束連接異常通斷、5倍以上載流的電流、電源異常通斷。

4 結束語

本文通過建立高壓繼電器粘連失效故障樹模型，并將模型結合歷史數據進行定量、定性分析，得到以下結論：

（1）通過對高壓繼電器粘連失效機理及該故障傳播途徑的分析，確立了電動汽車高壓繼電器故障樹模型，找到了引發粘連失效相關事件的最小割集，計算出高壓繼電器的故障概率及相關底事件的概率重要度和關鍵性重要度。

（2）結合故障樹概率重要度和關鍵性重要度可分析得出，回路短路、線圈驅動異常是引起繼電器粘連失效的主要原因和薄弱環節；需要從以上兩個薄弱環節開展相應的失效機理分析從而達到提高壓繼電器可靠性，降低其發生粘連失效故障的概率，間接提高整車的可靠性。

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（責任編輯 明慧）