苛刻环境高可靠电子系统的电源健康状况预测机制研究

苛刻环境高可靠嵌入式系统蕴藏着巨大的潜在应用价值，而电子系统中34%的故障都是由电源系统的故障所造成，因此，电源健康状况预测机制与算法已成为众多应用的核心支撑技术。为了提高嵌入式系统在恶劣环境中的可靠性、可用性和可维护性，本研究拟通过对电源系统的FFP特征，DFP特征和愈合（缓解）特征进行分析，构建苛刻环境电源系统的故障、劣化与愈合模型；根据对电源系统特征参数和关键状态及其时变率进行瞬时的在线实时监控，捕获系统健康状态的特征信息，从而预测电源系统故障和剩余使用寿命，从根本上解决过去传统方法中依靠"统计方法"而采取的"定时维修"或"事后维修"所带来的灾难性事故等诸多问题。最后，我们将集成阶段性研究成果，设计、建立电源系统健康状况预测机制与测试实验平台，并对故障和剩余寿命预测机制与算法的性能进行实验分析与评价。

苛刻环境高可靠电子系统的电源健康状态预测机制研究是一个崭新的领域，为了提高系统在恶劣环境中的可靠性、可用性和可维护性。本项目1）基于动力学平衡点理论,分析了周期切换分段电路在不同稳定态时系统周期切换的分岔特性, 并揭示了其产生机理。2）采用开关元件平均模型法，构建了基本拓扑结构电源的等效电路，分析了稳态及动态特性。3）基于传递函数和系统零极点的理论推导了电源失效关键器件（滤波电容和MOSFET）劣化失效对电源健康状况的影响，建立了失效参数与可测特征量的映射关系。4）针对电容劣化仅考虑等效串联电阻或容量的不足，提出了电容劣化联合模型，从理论建立了电容劣化过程中电容量和等效串联ESR的函数关系。5）提出一种基于改进EMD和Hilbert变换的容等效串联电阻ESR值实时估测方法。6）基于系统幅频特性与滤波电容劣化关系，提出了一种通过黑箱测试获取电源系统的振幅-频率特性及相位频率特性从而确定ESR测量方法。7）基于混杂系统理论构建电源模型,提出了功率模块劣化参数递推最小二乘法和卡尔曼滤波算法的在线辨识方法。8）利用劣MOSFET劣化时，源极震荡信号发生变化的特征，提出了一种在线实时方法预测MOSFET的老化状态方法。9）提出电源功率模块劣化状态在线判断方法，利用功率模块的驱动信号为非侵入激励，输出信号进行Volterra变换，将时域核值与预定的正常值进行比较，判断功率模块的劣化状态。10）提出一种电源剩余使用寿命(RUL)预测算法。以纹波电压为特征参数，在线实时获取特征信号，预测纹波电压的变化率达到预警点时间，即电源剩余使用寿命。11）提出了一种DC-DC电源系统故障监测与预测方法，基于电源系统输出电压的监测和分析，给出了电源系统出现故障时和将要出现故障时的判定标准，并开发了相应的软件。12）针对电源故障特征参数采集过程中，采集数据缺失的现象，提出了一种新的基于差异性和非差异度的扩充模型。为了进一步提高补齐后的识别率，结合属性重要度和灰色关联度，提出了一种新的数据补齐方法。同时，还提出了一种新的判断数据补齐性能的评价标准。13）构建了电源系统健康状况预测与测试实验平台，实现了电源系统故障和剩余寿命的实时监测和健康管理。14）深入分析超级电容失效模型及机理，设计并实现了超级电容组劣化动态监测器及模组状态在线诊断系统，实现了实现了超级电容模组健康状态在线测试。

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