CN108631427A - 基于马氏链和贝叶斯网络的车载复合电源可靠性评估方法 - Google Patents

基于马氏链和贝叶斯网络的车载复合电源可靠性评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于马氏链和贝叶斯网络的车载复合电源可靠性评估方法，首先，基于马氏链理论建立超级电容器位于中间位置的级联式结构复合电源、蓄电池位于中间位置的级联式结构复合电源、并联结构复合电源和多输入功率变换器结构复合电源这四种不同拓扑结构复合电源发生故障的状态转移图；其次，根据四种不同拓扑结构复合电源发生故障的状态转移图，基于贝叶斯网络理论建立最终导致复合电源产生故障以致系统处于瘫痪状态的贝叶斯网络模型图；最后，根据所建立的贝叶斯网络模型图，计算求得四种不同拓扑结构复合电源的故障率，并进行对比分析，进而进行可靠性评估，得到可靠性最强的复合电源，避免了在工程实际中的反复试验。

Description

基于马氏链和贝叶斯网络的车载复合电源可靠性评估方法
技术领域
本发明涉及一种车载蓄电池和超级电容器复合电源可靠性评估方法，尤其是一种基于马尔可夫链(以下简称“马氏链”)和贝叶斯网络的车载复合电源可靠性评估方法。
背景技术
传统的内燃机占据了目前石油消耗量的绝大部分，带来了空气污染、温室气体排放以及全球变暖等一系列问题。纯电动汽车是未来汽车发展的必然趋势，作为纯电动汽车的基础能源设施，车辆电气化相继引起了国内外学者的广泛关注。
混合动力汽车是纯电动汽车迈进全球化的第一步，储能部件是混合动力汽车的关键部件之一，混合动力汽车的全电动范围直接取决于其储能部件的能量密度。此外，储能部件的功率密度决定了汽车在加速和再生制动模式下的瞬时功率供给和吸收。通常情况下，储能部件的能量密度增加时，其功率密度定会减小。传统蓄电池具有较高的能量密度，但其功率密度较低；而超级电容器具有较高的功率密度，但其能量密度较低。因此，如果将蓄电池和超级电容器相结合即可满足高能量密度和高功率密度的双重需求。两种储能部件的结合通常通过功率变换器进行连接，将蓄电池、超级电容器和功率变换器三者组合在一起，称为复合电源(Hybrid energy storage system,HESS)。
由于功率变换器的使用个数和放置位置的不同，直接导致HESS拓扑结构的不同。然而，在HESS可靠性评估方面的研究甚少。高可靠性是车载HESS设计与制造的关键问题之一，因此对不同拓扑结构HESS可靠性评估的对比研究具有重要的价值。
发明内容
为解决车载复合电源可靠性难以精确评估的问题，本发明提供一种基于马氏链和贝叶斯网络的车载复合电源可靠性评估方法，该方法基于马尔可夫链与贝叶斯网络相结合，并建立四种不同拓扑结构复合电源的可靠性模型图，进而进行可靠性评估。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
基于马氏链和贝叶斯网络的车载复合电源可靠性评估方法，该方法基于马氏链理论和贝叶斯网络理论相结合，包括以下步骤：
步骤一，基于马氏链理论建立四种不同拓扑结构复合电源发生故障的状态转移图；
步骤二，根据四种不同拓扑结构复合电源发生故障的状态转移图，基于贝叶斯网络理论建立最终导致复合电源产生故障以致系统处于瘫痪状态的贝叶斯网络模型图；
步骤三，根据所建立的贝叶斯网络模型图，计算求得四种不同拓扑结构复合电源的故障率，并进行对比分析，进而进行可靠性评估，得到可靠性最强的复合电源。
进一步地，四种不同拓扑结构复合电源分别为超级电容器位于中间位置的级联式结构复合电源、蓄电池位于中间位置的级联式结构复合电源、并联结构复合电源和多输入功率变换器结构复合电源。
进一步地，步骤三中得到的可靠性最强的复合电源为蓄电池位于中间位置的级联式结构复合电源和并联结构复合电源。
有益效果：
本发明基于马氏链理论和贝叶斯网络理论对四种不同拓扑结构复合电源建立了可靠性模型图，获得了各拓扑结构复合电源的故障率，从而对不同拓扑结构复合电源的可靠性进行精确评估，从理论上得到了可靠性最强的复合电源，避免了在工程实际中的反复试验。
附图说明
图1是本发明一实施例的四种不同拓扑结构复合电源的结构示意图；
图2是本发明一实施例的超级电容器位于中间位置的级联式结构复合电源的马氏链状态转移图；
图3是本发明一实施例的超级电容器位于中间位置的级联式结构复合电源的贝叶斯网络模型图；
图4是本发明一实施例的蓄电池位于中间位置的级联式结构复合电源的马氏链状态转移图；
图5是本发明一实施例的蓄电池位于中间位置的级联式结构复合电源的贝叶斯网络模型图；
图6是本发明一实施例的并联结构复合电源的马氏链状态转移图；
图7是本发明一实施例的并联结构复合电源的贝叶斯网络模型图；
图8是本发明一实施例的多输入功率变换器结构复合电源的马氏链状态转移图；
图9是本发明一实施例的多输入功率变换器结构复合电源的贝叶斯网络模型图；
图中：1-蓄电池、2-超级电容器、3-第一双向DC/DC功率变换器、4-第二双向DC/DC功率变换器、5-多输入双向DC/DC功率变换器、6-电机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是四种不同拓扑结构HESS(复合电源)的结构示意图。图1(a)为一种超级电容器位于中间位置的级联式结构HESS。相比于多输入功率变换器结构HESS，由于该结构中第一双向DC/DC功率变换器3位于蓄电池1和超级电容器2之间，蓄电池1和超级电容器2的荷电状态(State of charge,SOC)可单独控制。另外，超级电容器2的电压变化情况取决于其荷电状态的变化，第二双向DC/DC功率变换器4需要调节并稳定直流母线电压。图1(b)为一种蓄电池位于中间位置的级联式结构HESS。超级电容器2通过第一双向DC/DC功率变换器3连接至蓄电池1，弥补了其电压的变化情况。由于电池组的额定电压通常小于直流母线电压，因此需要第二双向DC/DC功率变换器4来提升电池组电压。图1(c)为一种并联结构HESS。该结构中蓄电池1和超级电容器2分别通过第二双向DC/DC功率变换器4和第一双向DC/DC功率变换器3并联连接至直流母线电压。超级电容器2和第一双向DC/DC功率变换器3负责调节并稳定直流母线电压，而蓄电池1和第二双向DC/DC功率变换器4提供驱动电机6的需求功率。该结构HESS拥有与级联式结构HESS相同的功能，如蓄电池1和超级电容器2的荷电状态可独立控制等。图1(d)为一种蓄电池1和超级电容器2经过一个多输入双向DC/DC功率变换器5相连接的多输入功率变换器结构HESS。该结构降低了HESS的复杂性，同时减少了成本和体积。
图2是超级电容器位于中间位置的级联式结构HESS的马氏链状态转移图。状态①表示HESS所有模块运行时的初始状态，状态②表示超级电容器2出现故障，在该状态下由于缺少超级电容器2，HESS在性能欠佳的情况下运行，状态③表示不管是蓄电池1、第一双向DC/DC功率变换器3还是第二双向DC/DC功率变换器4出现了故障，HESS系统将处于故障状态。不同状态之间的转移速率也如图2所示，λUC为超级电容器2的故障率，λBC1和λBC2分别为第一双向DC/DC功率变换器3和第二双向DC/DC功率变换器4的故障率，λbatt为蓄电池1的故障率。
根据图2可发现，最终导致超级电容器位于中间位置的级联式结构HESS系统故障的因素为蓄电池1、第一双向DC/DC功率变换器3和第二双向DC/DC功率变换器4三者任一出现故障，因此该结构HESS的贝叶斯网络模型图如图3所示。假设蓄电池1、第一双向DC/DC功率变换器3、第二双向DC/DC功率变换器4以及HESS产生故障分别表示事件x1、x2、x3和y，该结构HESS的故障率P1可表示为：
P1＝P(y＝1|x1,x2,x3)
＝1-(1-λbatt)(1-λBC1)(1-λBC2)
＝λbatt+λBC1+λBC2-λbattλBC1-λbattλBC2-λBC1λBC2+λbattλBC1λBC2 (1)
图4是蓄电池位于中间位置的级联式结构HESS的马氏链状态转移图。状态①为初始状态，表明HESS各模块均正常。如果超级电容器2或者第一双向DC/DC功率变换器3出现故障，马氏链从状态①分别转移到状态②和状态③。在状态②和状态③中，HESS仍可以承受另一个故障。比如，状态②中超级电容器2产生了故障，紧接着第一双向DC/DC功率变换器3也出现故障，马氏链由状态②转移到状态④，但此时HESS仍可以运行。同样地，状态③中第一双向DC/DC功率变换器3产生了故障，超级电容器2的故障又将马氏链由状态③转移到状态⑤。此时，不管马氏链处于哪个状态，蓄电池1和第二双向DC/DC功率变换器4中任何一个出现故障，马氏链转移到状态⑥，整个HESS都将瘫痪。在图4中λbatt+λBC2由λT进行简化。
根据图4可发现，最终导致蓄电池位于中间位置的级联式结构HESS系统故障的因素为蓄电池1和第二双向DC/DC功率变换器4两者任一出现故障，因此该结构HESS的贝叶斯网络模型图如图5所示，故障率P2可表示为：
P2＝P(y＝1|x1,x3)
＝1-(1-λbatt)(1-λBC2)＝λbatt+λBC2-λbattλBC2 (2)
图6是并联结构HESS的马氏链状态转移图。状态①和状态③分别代表初始状态(正常状态)和最终状态(瘫痪状态)，状态②意味着超级电容器2和第一双向DC/DC功率变换器3中任何一者或者两者均出现了故障，此时HESS不是以最优工作状态运行，但依然可以正常运行。由于并联的原因，超级电容器2和第一双向DC/DC功率变换器3的故障不影响蓄电池1的正常运行。因此，不管马氏链处于何种状态，整个系统瘫痪的条件只能是蓄电池1或者第二双向DC/DC功率变换器4出现故障。
根据图6可发现，最终导致并联结构HESS系统故障的因素为蓄电池1和第二双向DC/DC功率变换器4两者任一出现故障，因此该结构HESS的贝叶斯网络模型图如图7所示，故障率P3可表示为：
P3＝P(y＝1|x1,x3)
＝1-(1-λbatt)(1-λBC2)＝λbatt+λBC2-λbattλBC2 (3)
图8是多输入功率变换器结构HESS的马氏链状态转移图。多输入双向DC/DC功率变换器5的故障率为λMIC。状态①为初始状态，如果超级电容器2出现故障，马氏链转移到状态②，此时HESS仍可以正常运行。由于蓄电池1和超级电容器2通过多输入双向DC/DC功率变换器5连接至直流母线，因此多输入双向DC/DC功率变换器5是HESS系统瘫痪的唯一故障点，也即不管马氏链出于何种状态，多输入双向DC/DC功率变换器5的故障会将马氏链转移到状态③，系统瘫痪。
根据图8可发现，最终导致多输入功率变换器结构HESS系统故障的因素为蓄电池1和多输入双向DC/DC功率变换器5两者任一出现故障，设多输入双向DC/DC功率变换器5产生故障表示事件x4，因此该结构HESS的贝叶斯网络模型图如图9所示，故障率P4可表示为：
P4＝P(y＝1|x1,x4)
＝1-(1-λbatt)(1-λMIC)＝λbatt+λMIC-λbattλMIC (4)
根据图2-图9以及上述内容，每个拓扑结构中功率变换器的故障率已经给出，为合理比较，假设不同拓扑结构中相同功率变换器的故障率一致，也即：
λBC1＝λBC2＝λBC (5)
另外，还应该注意功率变换器的故障率取决于变换器内部电子元器件的数量，拥有越多电子元器件的功率变换器，其可靠性越差，所以有：
λBC＜λMIC (6)
λMIC＜2λBC (7)
考虑到公式(1)-(7)，得到：
P2＝P3＜P4＜P1 (8)
因此，超级电容器位于中间位置的级联式结构HESS可靠性最差，其次是多输入功率变换器结构HESS，蓄电池位于中间位置的级联式结构HESS和并联结构HESS的可靠性最强。

Claims (3)

1.基于马氏链和贝叶斯网络的车载复合电源可靠性评估方法，其特征在于，所述方法基于马氏链理论和贝叶斯网络理论相结合，包括以下步骤：
步骤一，基于马氏链理论建立四种不同拓扑结构复合电源发生故障的状态转移图；
步骤二，根据四种不同拓扑结构复合电源发生故障的状态转移图，基于贝叶斯网络理论建立最终导致复合电源产生故障以致系统处于瘫痪状态的贝叶斯网络模型图；
步骤三，根据所建立的贝叶斯网络模型图，计算求得四种不同拓扑结构复合电源的故障率，并进行对比分析，进而进行可靠性评估，得到可靠性最强的复合电源。
2.根据权利要求1所述的基于马氏链和贝叶斯网络的车载复合电源可靠性评估方法，其特征在于，所述四种不同拓扑结构复合电源分别为超级电容器位于中间位置的级联式结构复合电源、蓄电池位于中间位置的级联式结构复合电源、并联结构复合电源和多输入功率变换器结构复合电源。
3.根据权利要求1或2所述的基于马氏链和贝叶斯网络的车载复合电源可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤三中得到的可靠性最强的复合电源为蓄电池位于中间位置的级联式结构复合电源和并联结构复合电源。
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