郝 剛

(武漢城市職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 湖北 武漢:430064)

鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)具有能量密度高,循環(huán)壽命長(zhǎng),倍率特性?xún)?yōu)的特點(diǎn),可為機(jī)電系統(tǒng)提供可靠、持久、清潔的能量載體。然而,鋰離子電池的使用和貯存需要加以嚴(yán)苛的管理,保障其在運(yùn)行、充電、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的安全性與可靠性。本文引入FRACAS系統(tǒng),對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的安全性與可靠性的優(yōu)化管理問(wèn)題進(jìn)行了研究。

1 FRACAS系統(tǒng)概要

FRACAS,是“Failure Report Analysis and Corrective Action System” 的縮寫(xiě),即“故障報(bào)告、分析及糾正措施系統(tǒng)”,實(shí)際是可靠性問(wèn)題歸零和閉環(huán)管理的系統(tǒng)性方法[1]。相比傳統(tǒng)離散化、碎片化的故障管理相比,通過(guò)FRACAS系統(tǒng)建立的故障閉環(huán)管理能夠打通全生命周期的故障管理信息孤島,針對(duì)性建立有效的分析體系,提高應(yīng)對(duì)故障處置和關(guān)閉的能力,穩(wěn)健提升產(chǎn)品可靠性。利用FRACAS實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的信息反饋和閉環(huán)管理,通過(guò)一套規(guī)范化的程序,使發(fā)生的產(chǎn)品故障能得到及時(shí)的報(bào)告和糾正,防止故障再現(xiàn)。通過(guò)FRACAS系統(tǒng)的部署與應(yīng)用,使得失效經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得以保存,工程經(jīng)驗(yàn)得以提升,提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性和工藝可靠性,降低產(chǎn)品失效率,避免安全性事故[2]。

FRACAS系統(tǒng)不僅是一個(gè)強(qiáng)大的可靠性軟件系統(tǒng),還是一個(gè)質(zhì)量追蹤和管理系統(tǒng),實(shí)施和應(yīng)用FRACAS技術(shù)將為產(chǎn)品安全與可靠性目標(biāo)、質(zhì)量目標(biāo)提供保障。同時(shí),FRACAS系統(tǒng)也能幫助企業(yè)提升ERP、PDM、SCM和CRM 的投資價(jià)值。通過(guò)FRACAS 建立企業(yè)問(wèn)題/故障信息數(shù)據(jù)庫(kù),可以為可靠性設(shè)計(jì)和分析以及關(guān)于維修策略、保障策略和備件策略的制定提供數(shù)據(jù)支持。

建立FRACAS系統(tǒng)的目的是及時(shí)報(bào)告產(chǎn)品故障,分析故障原因,制定和實(shí)施有效的糾正措施,以防止故障再現(xiàn),改善其可靠性和維修性。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系ISO9001《質(zhì)量管理體系要求》中把糾正和預(yù)防措施作為質(zhì)量體系的20個(gè)要素之一。該標(biāo)準(zhǔn)要求企業(yè)應(yīng)有既定的渠道對(duì)所掌握的不合格產(chǎn)品信息進(jìn)行分析,并采取糾正和預(yù)防措施來(lái)消除不合格產(chǎn)品產(chǎn)生的原因,以防止其再次發(fā)生。

2 以FRACAS為核心的可靠性管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FRACAS主要針對(duì)實(shí)際發(fā)生的故障信息進(jìn)行閉環(huán)管理,是構(gòu)建可靠性工程平臺(tái)的基礎(chǔ)。FRACAS系統(tǒng)基于局域網(wǎng)和Web技術(shù),將產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)積存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,通過(guò)完整的閉環(huán)管理流程對(duì)各種信息進(jìn)行過(guò)濾、統(tǒng)計(jì)、分析和計(jì)算,同時(shí)對(duì)可靠度、可用度、失效率、MTBF等進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)和費(fèi)用的分析。系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析與可視化、問(wèn)題和故障閉環(huán)管理最終展示界面、流程、計(jì)算、圖形、報(bào)表、報(bào)警等內(nèi)容[3],以FRACAS為核心的可靠性管理系統(tǒng)總體架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 FRACAS為核心的可靠性管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要以安全性為核心,注重對(duì)故障失效數(shù)據(jù)的積累?；谀壳暗陌踩c可靠性管理與建設(shè)現(xiàn)狀,使用FRACAS系統(tǒng)開(kāi)展全面、系統(tǒng)的安全與可靠性管理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的全生命周期可靠性提升與圍繞故障信息和閉環(huán)管理的統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)防、決策、預(yù)警和管理。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在動(dòng)力電池系統(tǒng)的可靠性管理過(guò)程中,可靠性的管理從概念設(shè)計(jì)階段開(kāi)始,導(dǎo)入客戶的可靠性指標(biāo)要求,在設(shè)計(jì)階段細(xì)化可靠性指標(biāo),并對(duì)可能產(chǎn)生的故障及失效進(jìn)行收集,在FRACAS系統(tǒng)下編制DFMEA文件。在工藝階段對(duì)工藝可能導(dǎo)致的故障及失效進(jìn)行收集,在FRACAS系統(tǒng)下編制PFMEA文件。在測(cè)試階段和產(chǎn)品推向市場(chǎng)后的階段,從售后的角度統(tǒng)計(jì)故障及失效,在FRACAS系統(tǒng)下完成故障頻次,危害等級(jí)的統(tǒng)計(jì),并形成故障的關(guān)閉,形成閉環(huán)管理。以FRACAS為核心的動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可靠性管理中的重要內(nèi)容,貫穿產(chǎn)品的全壽命周期管理,整體框架如圖2所示。

圖2 以FRACAS為核心的動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

FRACAS的架構(gòu)設(shè)計(jì)采用MVC設(shè)計(jì)模式,設(shè)計(jì)由采集層、數(shù)據(jù)層、工具層、管理層和應(yīng)用層組成,實(shí)現(xiàn)從底層數(shù)據(jù)收集、中間層的數(shù)據(jù)處理與頂層的決策與管理融合,層層遞進(jìn)。MVC設(shè)計(jì)模式廣泛應(yīng)用于大規(guī)模系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)中,其通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)按模型、視圖和控制器實(shí)現(xiàn)分層開(kāi)發(fā),開(kāi)發(fā)過(guò)程中系統(tǒng)代碼分工明確,降低應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部不同層之間的耦合關(guān)系,每個(gè)層的實(shí)現(xiàn)都是獨(dú)立的,不需關(guān)心其他層的具體實(shí)現(xiàn),只需關(guān)心數(shù)據(jù)的流動(dòng),這樣提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和可重用性[4]。

故障信息來(lái)源廣泛,采集層主要針對(duì)故障數(shù)據(jù)的規(guī)范化采集、分類(lèi)和存儲(chǔ);數(shù)據(jù)層主要是對(duì)分類(lèi)存儲(chǔ)的故障信息進(jìn)行篩查和初步的統(tǒng)計(jì),實(shí)現(xiàn)按時(shí)間、頻次、地域等不同相關(guān)因素的數(shù)據(jù)處理;工具層主要實(shí)現(xiàn)以失效模式分析、故障樹(shù)分析、可靠性評(píng)估和預(yù)計(jì)等基于核心工具算法的分析;管理層主要是通過(guò)故障報(bào)告、糾正措施等實(shí)時(shí)故障的閉環(huán)管理和經(jīng)驗(yàn)的積累;應(yīng)用層則是將積累的故障閉環(huán)管理信息經(jīng)過(guò)處理后呈現(xiàn)給設(shè)計(jì)與制造的參與者,用以指導(dǎo)可靠性提升與持續(xù)的改進(jìn)。

2.2 基于FMEA的故障分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)是汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用較為成熟的故障分析與管理方法,特別是在設(shè)計(jì)階段和工藝階段,穩(wěn)健的FMEA應(yīng)用能夠全面開(kāi)展對(duì)系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零部件級(jí)別的失效分析,健全失效模式庫(kù)。FMEA的應(yīng)用方法在汽車(chē)行業(yè)中經(jīng)歷五個(gè)版本的迭代與更新,目前形成七步工作法(詳見(jiàn)表1),將該項(xiàng)工作的推進(jìn)系統(tǒng)化和可視化,為全面的質(zhì)量管理提供理論與數(shù)據(jù)支撐。

表1 FMEA七步工作法

FMEA的開(kāi)展能夠幫助產(chǎn)品研發(fā)和制造過(guò)程中潛在失效模式的分析,目前主要采用特定格式的表格形式收集FMEA信息,且結(jié)構(gòu)FMEA、BMS硬件FMEA、BMS軟件FMEA分開(kāi)編寫(xiě)(如圖3所示),測(cè)試數(shù)據(jù)和售后數(shù)據(jù)未能在FMEA中體現(xiàn),形成數(shù)據(jù)支撐。因此,零散型的FMEA編寫(xiě)不利于健全失效模式庫(kù)和產(chǎn)品可靠性增長(zhǎng)。FMEA中填充的故障模式多數(shù)為歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者可推測(cè)產(chǎn)生的失效。產(chǎn)品在經(jīng)歷國(guó)標(biāo)相關(guān)的驗(yàn)證測(cè)試和研發(fā)相關(guān)的可靠性測(cè)試過(guò)程中,將暴露出諸多未覆蓋的失效模式。這一類(lèi)失效模式更貼近實(shí)際產(chǎn)品和實(shí)際工況。

圖3 動(dòng)力電池系統(tǒng)FMEA層次結(jié)構(gòu)圖

健全失效模式庫(kù)從多維角度收集各類(lèi)失效模式,一方面形成可靠性數(shù)據(jù)積累,另一方面為后續(xù)設(shè)計(jì)能力提升提供數(shù)據(jù)支持。利用FMEA更新所建立的涵蓋各領(lǐng)域和全過(guò)程的多功能小組,開(kāi)展5W1H模式的問(wèn)題分析與討論,從失效模式的發(fā)展,失效機(jī)理的研究,糾正措施與問(wèn)題關(guān)閉,最終形成文件化的預(yù)防措施開(kāi)展工作。同時(shí),深層次追查技術(shù)資料、文件、制度、培訓(xùn)、崗位職責(zé)的制定與落實(shí),檢查制度的執(zhí)行情況,實(shí)現(xiàn)失效模式的閉環(huán)管理。

2.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的FRACAS工作流設(shè)計(jì)

以建筑機(jī)器人鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)為例,其健康狀態(tài)符合可靠性浴盆曲線的特點(diǎn)。用戶在使用過(guò)程中,注重全壽命周期的安全性與可靠性指標(biāo)。全壽命周期失效數(shù)據(jù)尤為重要,失效數(shù)據(jù)一方面可以用來(lái)滾動(dòng)估算產(chǎn)品失效率,另一方面通過(guò)全壽命周期的失效數(shù)據(jù)評(píng)判失效屬于早期失效還是正常損耗,為產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)木S修策略提供支持。

從建筑機(jī)器人鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的組成進(jìn)行分析。在建立全壽命周期失效數(shù)據(jù)庫(kù)之前,首先要對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零部件的三個(gè)層級(jí)的劃分,其次針對(duì)零部件級(jí)別的失效管理是全壽命周期失效數(shù)據(jù)庫(kù)的核心內(nèi)容。由于組成動(dòng)力電池系統(tǒng)的零部件涉及結(jié)構(gòu)件、電氣件和鋰離子單體電池,逐個(gè)開(kāi)展統(tǒng)計(jì)和分析工作量巨大,因此依托失效模式庫(kù)中對(duì)失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析,梳理易損耗和失效后果影響等級(jí)高的核心零部件,從而建立全壽命周期失效數(shù)據(jù)。核心零部件的全壽命周期失效數(shù)據(jù)庫(kù)的建立,一方面是建立核心零部件的可靠性與壽命建立相關(guān)的模型用以改善和預(yù)防失效,另一方面可以用以開(kāi)展對(duì)新材料、新技術(shù)、新方法導(dǎo)入對(duì)于核心零部件可靠性提升的綜合評(píng)價(jià)。

機(jī)器人動(dòng)力電池系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)具有10-12年的使用壽命,采用磷酸鐵鋰電池充放電循環(huán)次數(shù)為5000-6000次循環(huán)。全壽命周期內(nèi)用戶端將產(chǎn)生各種類(lèi)型的失效數(shù)據(jù),對(duì)其深度利用加以分析,針對(duì)性開(kāi)展可靠性目標(biāo)管理,以實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)的目標(biāo)。

動(dòng)力電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),為了避免故障復(fù)現(xiàn)產(chǎn)生較高的售后成本,應(yīng)該實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信息的收集、統(tǒng)計(jì)、分析、改進(jìn)、驗(yàn)證的故障閉環(huán)管理過(guò)程。通過(guò)FRACAS系統(tǒng)的故障的閉環(huán)管理,建立一套標(biāo)準(zhǔn)的針對(duì)故障的管理措施(詳見(jiàn)圖4),在系統(tǒng)人員設(shè)置、信息化平臺(tái)構(gòu)建、故障報(bào)告分析和糾正措施系統(tǒng)方面與FMEA數(shù)據(jù)庫(kù)可以進(jìn)行關(guān)聯(lián)和互通[5]。

針對(duì)電池系統(tǒng),開(kāi)展故障分級(jí)工作,分為重大故障、頻發(fā)故障、突發(fā)故障和普通故障4類(lèi)。同時(shí)規(guī)范化故障信息采集工作,建立故障報(bào)告、全面識(shí)別與評(píng)估、故障處置、故障關(guān)閉的閉環(huán)管理工作流程。

圖4 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的FRACAS工作流設(shè)計(jì)

3 動(dòng)力電池系統(tǒng)的FRACAS部署

FRACAS的管理是基于工作流驅(qū)動(dòng)的管理,同時(shí)是多個(gè)部門(mén)協(xié)同參與的任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式的工作流。以發(fā)現(xiàn)的故障為工作流設(shè)計(jì)的起點(diǎn),故障信息主要來(lái)源于測(cè)試工程師測(cè)試過(guò)程中收集的故障和售后服務(wù)人員在客戶反饋信息中收集的故障信息。故障信息的統(tǒng)計(jì)需要以標(biāo)準(zhǔn)化的模板記錄特定的信息,以便于開(kāi)展故障原因分析和持續(xù)改進(jìn)。統(tǒng)計(jì)的故障信息通過(guò)質(zhì)量與可靠性管理人員進(jìn)行初步分析與審核后,判定和決策是進(jìn)行簡(jiǎn)易的措施實(shí)施故障關(guān)閉還是建立多功能小組,針對(duì)性地開(kāi)展長(zhǎng)效措施關(guān)閉故障。

對(duì)于簡(jiǎn)易的措施實(shí)施故障關(guān)閉即由質(zhì)量與可靠性管理人員協(xié)同設(shè)計(jì)、制造人員出具故障關(guān)閉方案,消除故障使客戶滿意。通常這一流程針對(duì)偶發(fā)性、易處理且安全性影響較低的故障類(lèi)型。

對(duì)于需要開(kāi)展長(zhǎng)效措施關(guān)閉的故障,則由質(zhì)量與可靠性管理人員召集組建多功能小組開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)的故障關(guān)閉管理。由設(shè)計(jì)、制造人員提出針對(duì)性改進(jìn)措施,并開(kāi)展可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證,最終由多功能小組評(píng)定改進(jìn)的設(shè)計(jì)或工藝是否對(duì)故障關(guān)閉有效,最終實(shí)現(xiàn)故障的消除。

以故障為中心,以FRACAS為核心工具依托工作流在工作項(xiàng)目?jī)?nèi)部及項(xiàng)目之間構(gòu)建與設(shè)計(jì)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)流程與設(shè)計(jì)流程的緊密融合,能夠有效識(shí)別、消除或減少研制過(guò)程中的缺陷,從而縮短研制周期,節(jié)約研制和保障成本,提升可靠性安全性水平,更有利于實(shí)現(xiàn)故障相關(guān)數(shù)據(jù)的綜合利用,減少重復(fù)勞動(dòng),提高工作效率[6]。

FRACAS部署目的是圍繞故障關(guān)閉的高效管理,管理過(guò)程涵蓋設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和售后的產(chǎn)品應(yīng)用全壽命周期,通過(guò)收集可靠性相關(guān)的售后數(shù)據(jù)、開(kāi)展可靠性模型分析、設(shè)計(jì)測(cè)試驗(yàn)證試驗(yàn)、故障管理,最終形成知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和文件化的信息,提高產(chǎn)品的整體可靠性水平。

FRACAS的部署涉及到多個(gè)部門(mén),系統(tǒng)運(yùn)行后的工作流審批也是多部門(mén)協(xié)同實(shí)現(xiàn)。FRACAS的部署主要分為調(diào)研、制定建設(shè)方案、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與部署、應(yīng)用培訓(xùn)、系統(tǒng)應(yīng)用和評(píng)價(jià)、系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)共8個(gè)步驟完成。

系統(tǒng)部署的目標(biāo)是在圍繞故障數(shù)據(jù)管理方面建立完善的問(wèn)題/故障數(shù)據(jù)庫(kù)和行之有效的故障管理措施,為可靠性設(shè)計(jì)與分析及產(chǎn)品的維保、性能提升提供策略和數(shù)據(jù)的支持;在經(jīng)驗(yàn)積累與管理方面持續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品,提升設(shè)計(jì)能力;在領(lǐng)導(dǎo)層決策輔助方面,提供有力的數(shù)據(jù)支持,幫助領(lǐng)導(dǎo)層決策。

4 FRACAS在機(jī)器人動(dòng)力電池系統(tǒng)可靠性管理中的應(yīng)用

以機(jī)器人用動(dòng)力電池系統(tǒng)為例,FRACAS在可靠性管理中主要以故障信息的統(tǒng)計(jì)分析和故障閉環(huán)管理的方面開(kāi)展工作。某型號(hào)機(jī)器人用動(dòng)力電池系統(tǒng)容量約10kW·h,運(yùn)行的環(huán)境為無(wú)塵車(chē)間,采用充電站自動(dòng)充電的形式充電,主要為舉升式AGV提供系統(tǒng)動(dòng)力源。

在動(dòng)力電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的階段,將動(dòng)力電池分為硬件和軟件兩個(gè)部分,硬件主要涉及電池系統(tǒng)的電芯、模組、結(jié)構(gòu)件、電氣接插件等,軟件主要涉及電池管理系統(tǒng)。

FRACAS首先需要建立完善的故障信息庫(kù),針對(duì)硬件和軟件系統(tǒng)的故障進(jìn)行分類(lèi)。其次,引入FMEA分析方法,利用FMEA的故障危害等級(jí)對(duì)分類(lèi)的故障細(xì)化信息庫(kù)。再次,根據(jù)開(kāi)發(fā)、測(cè)試、認(rèn)證和應(yīng)用過(guò)程中故障信息統(tǒng)計(jì),豐富FMEA中的故障頻次,實(shí)現(xiàn)故障信息的動(dòng)態(tài)化更新。最后,利用FMEA的七步工作法,記錄故障診斷與分析及處置過(guò)程中的過(guò)程信息,對(duì)故障進(jìn)行關(guān)閉實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理。

在機(jī)器人用動(dòng)力電池系統(tǒng)的FRACAS的工作流設(shè)計(jì)中,概念設(shè)計(jì)階段即引入系統(tǒng)級(jí)的FMEA開(kāi)展系統(tǒng)的可靠性分析,將可靠性指標(biāo)細(xì)分至各級(jí)子系統(tǒng)[7]。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,依托概念設(shè)計(jì)的SFMEA細(xì)化成為各子系統(tǒng)的FMEA,并進(jìn)行故障的分析及分類(lèi)。在測(cè)試階段,動(dòng)態(tài)更新FMEA數(shù)據(jù),并統(tǒng)計(jì)故障信息和變更設(shè)計(jì)。在批量生產(chǎn)之前,完成故障的全關(guān)閉并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理。

引入FRACAS的方法,部署在機(jī)器人動(dòng)力電池系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)測(cè)試和系統(tǒng)應(yīng)用的全階段。FRACAS的應(yīng)用以FMEA為核心,實(shí)現(xiàn)故障信息和數(shù)據(jù)的滾動(dòng)更新,故障的分析及閉環(huán)管理,對(duì)各類(lèi)動(dòng)力電池系統(tǒng)可靠性管理及提升具有借鑒意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

在鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)維階段,引入FRACAS系統(tǒng),利用“信息反饋,閉環(huán)管理,持續(xù)改進(jìn)”的理念,通過(guò)規(guī)范化的工作流,實(shí)現(xiàn)故障的及時(shí)統(tǒng)計(jì)、分析、糾正和問(wèn)題關(guān)閉。同時(shí),豐富故障模式庫(kù)和失效數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)持續(xù)改進(jìn)促進(jìn)產(chǎn)品可靠性提升和設(shè)計(jì)能力綜合提升。

動(dòng)力電池系統(tǒng)作為典型的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品具有重要的研究意義,以FRACAS為核心的動(dòng)力電池系統(tǒng)在可靠性管理中的應(yīng)用能夠?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量提升及優(yōu)化產(chǎn)品的售后服務(wù)提供系統(tǒng)化管理的思路。