潘建欣, 何書默, 肖 敏, 胡 梅, 謝曉峰

(1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所, 湖北 武漢 430064; 2. 武漢市氫燃料電池工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430064; 3. 清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院, 北京 100084)

1 前 言

燃料電池發(fā)動機(jī)是一種利用電化學(xué)原理將燃料化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，與傳統(tǒng)熱機(jī)相比，具有清潔環(huán)保、高效率、低噪音等顯著優(yōu)勢[1-2]，是未來車輛動力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一。隨著燃料電池的研發(fā)投入不斷加大，燃料電池發(fā)動機(jī)的功率密度、壽命等性能指標(biāo)不斷提高，成本顯著下降，已達(dá)到商業(yè)化示范階段。然而，當(dāng)前國產(chǎn)燃料電池發(fā)電機(jī)的可靠性較低，極大制約了燃料電池發(fā)動機(jī)的進(jìn)一步推廣使用。

燃料電池發(fā)動機(jī)工作時燃料(氫氣)與氧化劑(空氣)以設(shè)定的流量、壓力、溫度和相對濕度被通入至燃料電池的陽極和陰極，在電堆中以對應(yīng)的操作電流和電壓發(fā)生反應(yīng)直接產(chǎn)生電能并排出生成反應(yīng)產(chǎn)物水，同時生成的廢熱需要通過外部換熱裝置排出。工作環(huán)境參數(shù)變化區(qū)間大，功率需求工況復(fù)雜多變導(dǎo)致燃料電池發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)復(fù)雜程度較高，導(dǎo)致對燃料電池發(fā)動機(jī)的故障診斷及可靠性分析較難[3]。

燃料電池發(fā)動機(jī)的可靠性分析和設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中所不可缺少的環(huán)節(jié)，其目的是為了分析設(shè)備的各組成零部件與系統(tǒng)之間的可靠性關(guān)系，得出燃料電池發(fā)動機(jī)失效原因組合方式，指導(dǎo)發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)全過程，從而針對故障率較高的失效模式進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提升發(fā)動機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性[4]。因此使用科學(xué)方法對燃料電池發(fā)動機(jī)進(jìn)行故障分析和風(fēng)險評估勢在必行[5]。

FMECA(failure mode effect and criticality analysis)是指失效模式影響及嚴(yán)重度分析，該方法通過分析系統(tǒng)中各個零部件的失效模式、對系統(tǒng)的影響及故障危害度，確定系統(tǒng)中各個單點(diǎn)故障對整個系統(tǒng)的影響。經(jīng)過長期工程實(shí)踐中的不斷總結(jié)、修改和完善，最終形成了一套針對工程中不同故障模式的影響及故障嚴(yán)重度評價的分析方法[6]。FMECA 能夠較好地預(yù)防事故的發(fā)生，國內(nèi)外大量學(xué)者利用FMECA 方法對相關(guān)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行了故障模式、影響和危害性分析。JOMDE 等[7]利用FMECA 方法對制冷系統(tǒng)中的核心零部件往復(fù)式壓縮機(jī)的7 種失效模式進(jìn)行了計(jì)算和分析，結(jié)果表明該方法可以被用于往復(fù)式壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。BRAHIM 等[8]利用FMECA 中信息在汽車行業(yè)中的案例研究，驗(yàn)證其在工業(yè)環(huán)境中的適用性。安穎等[9]利用FMECA 方法對汽車CVT 機(jī)械系統(tǒng)的部分失效模式進(jìn)行了綜合模糊評估，將系統(tǒng)各種失效模式用其危害度等級的方式描述出來。李海洋等[10]利用模糊FMECA 方法對齒輪的制造工藝進(jìn)行可靠性評價,在獲得各失效模式的危害度定量排序以后,再將各失效模式作為影響因素對齒輪制造工藝進(jìn)行二級模糊合評價。FMECA 方法已經(jīng)在軍事工業(yè)、機(jī)械制造、汽車工業(yè)、電子設(shè)備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，取得了豐富的研究成果。

目前已在工業(yè)實(shí)踐中使用的風(fēng)險系數(shù)法(risk priority number, RPN)即為其中一種較為成熟和通用的方法，該方法針對某一故障模式的3 個方面，即：S-嚴(yán)重度、O-頻度和D-探測度分別打分，最后將三者的分?jǐn)?shù)相乘得到某一故障模式的RPN 值，RPN 值越高即代表該失效模式的危害程度越高。該方法具有簡潔易操作的特性，尤其適宜于工程應(yīng)用。但是，目前在燃料電池發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，風(fēng)險評估仍以主觀定性描述為主，未引入影響因素權(quán)重，針對多種失效模式的綜合分析仍有一定的局限性[11]。在以往的失效模式影響及嚴(yán)重度評價過程中，人們通常采用定性方式評價某種失效模式的若干方面，造成了評價結(jié)果的主觀性，評價結(jié)果也難以重復(fù)和復(fù)現(xiàn)。

本文引入模糊數(shù)學(xué)方法，利用定量數(shù)值描述定性問題，使主觀評價得以量化[12]。以某型燃料電池發(fā)動機(jī)為分析對象，將模糊數(shù)學(xué)方法引入燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)險評估分析，利用模糊數(shù)學(xué)工具將FMECA 的評價指標(biāo)予以量化替代傳統(tǒng)定性分析，避免了評價方法的主觀性和隨意性，為今后燃料電池發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)與壽命評價提供了很好的參考。

2 FMECA 法(失效模式影響及嚴(yán)重度分析)基本流程

基于模糊數(shù)學(xué)的FMECA 方法分為5 個步驟：(1)建立因素集、評價集；(2)確定失效模式評價矩陣；(3)確定影響因素權(quán)重集；(4)完成一級模糊綜合評價，獲得各失效模式危害度大??；(5)完成綜合危害等級確定及排序。評價方法流程如圖1 所示。

圖1 FMECA 綜合評價流程圖Fig.1 Flowchart of failure mode effect and criticality analysis (FMECA)

以某型燃料電池發(fā)動機(jī)為例，將基于模糊評價的FMECA 法應(yīng)用于該發(fā)動機(jī)的風(fēng)險評估中。

3 FMECA 法在燃料電池發(fā)動機(jī)的實(shí)際應(yīng)用

3.1 燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)及典型失效模式

燃料電池發(fā)動機(jī)主要由燃料電池電堆、供氫模塊、供氣模塊、水熱管理模塊和監(jiān)控模塊5 部分組成。發(fā)動機(jī)系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of a fuel cell engine system

根據(jù)工程實(shí)踐和資料統(tǒng)計(jì)，選取燃料電池發(fā)動機(jī)具有代表性的9 種典型失效模式，如表1 所示。

表1 燃料電池發(fā)動機(jī)典型失效模式Table 1 Typical failure modes of fuel cell engine systems

3.2 建立因素集

因素集是影響評估系統(tǒng)的各元素的集合，因素集中不同元素代表不同的影響因素。針對燃料電池發(fā)動機(jī)的9 種典型失效模式，結(jié)合實(shí)際情況定義了4 種影響因素。燃料電池發(fā)動機(jī)的FMECA 分析采用以下因素集：

3.3 建立評價集

評價集是所有可取得的評價結(jié)果所組成的集合，用V 表示，評價集中的各個元素代表評價結(jié)果的各個等級。針對燃料電池發(fā)動機(jī)，本文將評價結(jié)果分為4 個等級，對應(yīng)的評價集如下式，相對應(yīng)等級劃分如表2 所示。

3.4 建立各失效模式的模糊評價矩陣

為建立燃料電池發(fā)動機(jī)典型失效模式的評價矩陣(本例中k = 9)，成立了一個由d人(本例中d = 10)組成的專家組，各成員對上述4 種影響因素評出一個且僅一個評價等級(本例中j = 4)，確定第i 種因素的評價集。在對第k 個失效模式進(jìn)行評價的過程中，設(shè)第 i 個影響因素 uik的評價集為 Rik，評價各影響因素對其因素水平集的隸屬度。評價方法是成立一個由 d 人組成的專家組，各成員對各影響因素 uik評出一個且僅一個評價等級vj，若d 位成員中評定uik隸屬于vj的有dijk人，則該評價集Rik為：

表2 評價集及等級劃分Table 2 Partition of factor set and evaluation set

將第k 個失效模式的評價集寫成失效模式k 的水平評價矩陣Rk：

3.5 建立因素權(quán)重集

權(quán)重集是為反映各個影響因素重要程度而賦值相應(yīng)權(quán)數(shù)所組成的集合。設(shè)權(quán)重值為第i 元素對失效模式k 影響程度的權(quán)數(shù)，根據(jù)工程實(shí)踐定義因素權(quán)重集如下：

3.6 一級模糊綜合評價

將第k 個失效模式的因素權(quán)重向量Wk與失效模式k 的水平評價矩陣Rk相乘得到失效模式 k 的綜合模糊評價向量Bk。

燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)失效模式1 的一級模糊評價B1為：由計(jì)算結(jié)果可知：失效模式1 對各個危害等級的隸屬度為0.13、0.17、0.24 和0.46。

3.7 綜合危害等級計(jì)算

3.8 各失效模式的綜合評價

同理可得失效模式2 至失效模式9 的評價矩陣R2～R9分別為：

根據(jù)上述計(jì)算得到的各失效模式的綜合危害等級，可以對該型燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的各典型失效模式的危害程度進(jìn)行排序。9 種失效模式對應(yīng)的C 值越大，表示該失效模式的風(fēng)險最嚴(yán)重，依據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，嚴(yán)重程度即：電堆氫氣泄露 ＞ 某片單電池電壓低于下限 ＞ 氫氣入口壓力不滿足范圍 ＞ 電堆出口冷卻水溫度過高 ＞ 管路系統(tǒng)軟管破裂 ＞ 巡檢儀單片電壓顯示異常 ＞ 氫氣循環(huán)泵故障 ＞ 空氣入口壓力不滿足范圍 ＞ 電堆模塊高功率工況下均一性差。表明在燃料電池發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)初期，應(yīng)該對危害程度高的失效模式進(jìn)行針對性地改進(jìn)。

4 結(jié) 論

本文將模糊數(shù)學(xué)方法引入燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的FMECA 分析中，采用模糊數(shù)學(xué)工具和FMECA 方法對燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的幾種典型失效模式進(jìn)行了計(jì)算分析和綜合評價，并對其危害程度進(jìn)行了排序。幾種典型失效模式的危害程度排序結(jié)果與工程實(shí)踐結(jié)果相符合，表明該方法在燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中及可靠性和失效模式影響分析中是適用的，在燃料電池發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)初期，應(yīng)該對危害程度高的失效模式進(jìn)行針對性地改進(jìn)。

應(yīng)用FMECA 法可以將燃料電池發(fā)動機(jī)的各故障模式進(jìn)行定量評價，便于針對特定故障模式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，克服了以往的可靠性及嚴(yán)重度評價中主觀因素大、可重復(fù)性差的弊端。在燃料電池發(fā)動機(jī)的實(shí)際開發(fā)過程中，可依據(jù)FMECA 方法的標(biāo)準(zhǔn)流程對產(chǎn)品生命周期中出現(xiàn)的多種失效模式分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和評估，結(jié)合樣本數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法開展全面分析以指導(dǎo)提升產(chǎn)品的可靠性。