《Applied Sciences》：Reliability Assessment Method for DC/DC Converters of AgO-Al Batteries
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银氧化铝（AgO-Al）电池广泛用作水下航行器的电源，其中直流/直流（DC/DC）变换器在为低电压负载供电方面发挥着关键作用。对DC/DC变换器进行准确的可靠性评估对于确保任务成功至关重要。现有研究很少考虑关键性能参数之间的约束以及测量误差的负载依赖性特征，限
银氧化铝（AgO-Al）电池广泛用作水下航行器的电源，其中直流/直流（DC/DC）变换器在为低电压负载供电方面发挥着关键作用。对DC/DC变换器进行准确的可靠性评估对于确保任务成功至关重要。现有研究很少考虑关键性能参数之间的约束以及测量误差的负载依赖性特征，限制了其对DC/DC变换器的适用性。为解决这些问题，研究人员提出了一种描述运行负载与测量误差之间关系的概率模型，特别强调了测量误差的负载依赖性随机特性。基于此关系，研究人员通过联合考虑个体间变异性和随机测量误差，开发了针对开机电压和关机电压的负载依赖性随机模型。模型参数通过最大似然估计（MLE）进行估计。根据DC/DC变换器的实际需求，建立了包含开机电压与关机电压之间运行约束的失效准则。根据实际需求，提供了一种考虑开机电压与关机电压之间依赖性的可靠性评估方法。基于测试数据，结果表明所提出方法的Kolmogorov–Smirnov统计量比对比方法至少低86%，表明可靠性评估更准确。
**论文解读：基于负载依赖测量误差与参数约束的DC/DC变换器可靠性评估方法**
**研究背景与问题**
银氧化铝（AgO-Al）电池凭借高比能量和高比功率，被广泛用作水下航行器的关键电源。在AgO-Al电池系统中，直流/直流（DC/DC）变换器负责将电池母线高压转换为低电压负载（如伺服机构、监测仪器）所需的稳定电压，其可靠性直接关系到航行器的姿态调整与状态监测，一旦失效将导致任务失败。因此，对DC/DC变换器进行准确的可靠性评估至关重要。
然而，现有研究存在两大局限：其一，测量误差通常被假定服从固定分布（如正态分布），忽略了负载电流变化对测量误差随机性的影响——不同负载电流会引入不同强度的热噪声和电磁干扰，导致测量误差的方差随负载变化；其二，失效准则仅考虑各性能参数（如开机电压、关机电压）单独的阈值，忽视了参数之间的运行约束——在AgO-Al电池启动初期，若开机电压与关机电压之差过小，会导致DC/DC变换器反复启停，延误系统激活。上述两方面的缺失使得现有方法难以适用于DC/DC变换器在变负载工况下的可靠性评估。为此，研究人员开展了本研究，旨在提出一种同时考虑负载电流对测量误差的影响以及参数间约束的可靠性评估方法。
**研究内容与结论**
研究人员提出了一种概率模型，综合考虑了多源不确定性：实际负载电流、个体间的随机差异性（由制造工艺和环境波动引起）、两个性能参数（开机电压与关机电压）之间的相关性，以及测量误差的随机性，并特别建模了负载电流对测量误差方差的影响。基于该模型，研究人员根据DC/DC变换器的实际运行需求，建立了包含开机电压阈值、关机电压阈值以及两者差值阈值的失效准则，进而推导出可靠性计算公式，并通过最大似然估计（MLE）结合遗传算法（GA）进行参数估计。利用20个同型号DC/DC变换器在9种负载电流（0A~25A）下的测试数据，研究人员验证了所提方法的有效性。结果表明，所提方法的Kolmogorov–Smirnov（K-S）统计量比对比方法至少低86%，表明其可靠性评估更准确。此外，交叉验证结果进一步证明了模型具有良好的泛化能力。该研究为DC/DC变换器的可靠性导向设计和负载依赖维护策略提供了重要指导。论文发表在《Applied Sciences》。
**主要技术方法**
研究人员采用的关键技术方法包括：1）概率建模法：利用正态分布描述个体间异质性（单元间变异性）和随机测量误差，并建立负载电流与测量误差方差之间的函数关系（形式为线性或指数型）；2）最大似然估计（MLE）：通过矩阵运算构建似然函数，估计模型参数；3）遗传算法（GA）：用于优化对数似然函数，避免传统梯度算法对初始值敏感的问题。样本队列来源于20个相同型号的DC/DC变换器，在9个负载电流水平（0A、4A、7A、10A、13A、16A、19A、22A、25A）下进行测试，获取开机电压和关机电压数据。
**研究结果**
**1. 测试数据与正态性检验**
研究人员对20个DC/DC变换器在9种负载电流下的开机电压和关机电压测量数据进行Shapiro–Wilk（SW）检验，所有p值均大于0.05，表明数据支持正态分布假设，验证了模型中使用正态分布的合理性。
**2. 参数估计结果**
通过MLE和GA估计模型参数（见表3）。结果显示：开机电压与负载电流近似呈线性关系，且随负载增大而减小；关机电压与负载电流呈指数关系，随负载增大而加速上升。测量误差方差随负载电流增大而增大（见图7），说明高负载下热噪声和电磁干扰增强，测量误差随机性变大。
**3. 模型拟合效果**
将所提模型估计的平均电压与实际测量平均值对比（图5、图6），两者吻合良好，表明模型能有效拟合测试数据。
**4. 与对比模型的比较**
研究人员将所提模型与三种对比模型进行比较：Model I（测量误差同方差）、Model II（无开机-关机电压差约束）、Model III（同时同方差且无约束）。AIC值（表4）表明，所提模型和Model II（均考虑负载依赖测量误差）的AIC更小，拟合更优。K-S统计量（表5）显示，所提模型的K-S值比Model I、II、III分别低约86%、95%、95%，表明可靠性评估最准确。进一步分析发现，忽略测量误差负载依赖性（如Model I）或忽略参数间约束（如Model II、III）均会导致高负载下可靠性被高估，从而增加任务失败风险。
**5. 交叉验证**
利用另外20个DC/DC变换器的独立测试数据进行交叉验证，所提模型估计的可靠性曲线与经验可靠性曲线吻合良好（图11），表明模型具有良好的泛化能力。
**讨论与结论**
讨论部分指出：正态性假设通过SW检验得到支持；参数估计趋势与物理预期一致；测量误差方差随负载增大而增大，验证了负载依赖假设；AIC和K-S比较证明所提模型优于对比方法，尤其在高负载条件下能更准确反映失效风险。交叉验证支持模型的推广性。根据可靠性估计结果，高负载下DC/DC变换器可靠性显著下降，因此建议通过提高内部元件均匀性来降低个体间变异性，并制定负载依赖的维护策略，以提升系统可用性。
**研究结论**（翻译自原文Section 5）：
本研究针对AgO-Al电池中DC/DC变换器提出了一种可靠性评估方法，创新性地纳入了开机电压与关机电压之间的约束以及负载电流对随机测量误差的影响。首先，通过综合考虑个体间变异性和随机测量误差，对开机电压与负载电流的关系以及关机电压与负载电流的关系进行了建模。然后，利用最大似然估计（MLE）方法通过矩阵运算估计模型参数，并建立了考虑开机电压与关机电压之间约束的可靠性计算方法。在案例研究中，验证了负载电流对测量误差的影响，结果表明测量误差的离散程度随负载电流增大而增大。此外，计算结果显示，所提方法的Kolmogorov–Smirnov统计量比对比方法至少低86%，表明可靠性评估更准确。进一步的可靠性估计结果对比表明，如果忽略开机电压与关机电压之间的约束，DC/DC变换器的可靠性将被高估，基于高估结果的任务与维护管理将增加系统任务失败的风险。此外，可靠性估计结果显示，当负载电流增大时，DC/DC变换器的可靠性迅速下降。因此，为确保系统任务的成功执行，必须优化DC/DC变换器，提升其在重载条件下的可靠性。本研究聚焦于DC/DC变换器的可靠性评估，并根据可靠性估计结果为设计和维护策略提供了一些建议。然而，如何利用可靠性评估结果定量优化设计和规划维护策略并未详细讨论。未来可针对高负载电流条件研究DC/DC变换器的优化方法，并基于所提出的可靠性评估方法开发适用于DC/DC变换器的维护策略。
