淺談汽車48V 系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法研究

朱禮銘，張華春

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

1 系統(tǒng)概述及主要功能

48 V輕混系統(tǒng)可以看成是12 V啟停系統(tǒng)的升級(jí)版，增加了48 V鋰電池、48 V／12 V雙向DC／DC、48V BSG、電池管理系統(tǒng)。我們平時(shí)所說(shuō)的P0、P1、P2、P3、P4結(jié)構(gòu)，是根據(jù)電機(jī)所處的不同位置命名的。

48 V電機(jī)放置在發(fā)動(dòng)機(jī)前，通過(guò)48 V電池給48 V電機(jī)和48 V／12 V雙向DC／DC提供電能，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的助力及能量回收等功能。在48 V系統(tǒng)沒(méi)有故障、48 V電池電量和其他條件滿足要求的情況下，首次啟動(dòng)通過(guò)48 V電池給48 V電機(jī)提供能量，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)48 V首次啟動(dòng)優(yōu)先功能。整車在行駛過(guò)程中，根據(jù)駕駛需求，可以控制48 V電機(jī)的扭矩輸出能力，實(shí)現(xiàn)48 V系統(tǒng)的扭矩分配和助力功能；當(dāng)整車在行駛過(guò)程中，不需要額外的能量時(shí)，48V系統(tǒng)可以通過(guò)48 V電機(jī)收集多余的能量，給48 V電池充電，實(shí)現(xiàn)能量回收功能。當(dāng)12 V電池的電量不滿足整車需求時(shí)，48 V電池可以通過(guò)48 V／12 V雙向DC／DC給12 V電池提供能量，保障整車用電量需求。

目前，48 V系統(tǒng)的主要功能包括：?jiǎn)⑼９δ?（優(yōu)先啟動(dòng)、怠速啟停、滑行啟停）、電動(dòng)助力 （電怠速、電爬行）、能量回收 （滑行、制動(dòng)）、扭矩分配、支持ECO／SPORT模式和電源管理等。系統(tǒng)功能框圖見(jiàn)圖1。

2 系統(tǒng)可靠性失效模式及要求

圖1 系統(tǒng)功能框圖

可靠性設(shè)計(jì)是在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用過(guò)程中提前分析排除設(shè)計(jì)隱患或薄弱環(huán)節(jié)，并采取設(shè)計(jì)預(yù)防和設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，有效地消除隱患。因此對(duì)48 V系統(tǒng)可靠性失效模式的分析凸顯重要。按照可靠性設(shè)計(jì)的要求，F(xiàn)MEA分析是其中非常重要的一環(huán)，它是對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的更完善化，以明確必須做什么樣的設(shè)計(jì)和過(guò)程才能滿足顧客要求。表1是48 V系統(tǒng)的幾種失效模式的簡(jiǎn)單描述。

3 48 V系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法

3.1 環(huán)境應(yīng)力分析

如何提高48 V系統(tǒng)的可靠性？這是一個(gè)很復(fù)雜的工程，在了解了48 V的結(jié)構(gòu)、原理和控制邏輯后，要對(duì)48 V系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力的分析，了解48 V系統(tǒng)工作的特殊工況和用戶的使用習(xí)慣。

首先，48 V系統(tǒng)在自然環(huán)境中，會(huì)受到很多環(huán)境應(yīng)力，比如溫度、濕度、振動(dòng)、雨水、冰雪、粉塵等的影響；在用戶使用過(guò)程中，會(huì)受到用戶操作方法、頻次的影響，還有季節(jié)對(duì)操作習(xí)慣的影響。表2是48 V系統(tǒng)所受環(huán)境應(yīng)力因子。

表1 48 V系統(tǒng)的幾種失效模式

表2 48 V系統(tǒng)所受環(huán)境應(yīng)力因子

3.2 環(huán)境應(yīng)力加速

由于整車的設(shè)計(jì)壽命都比較長(zhǎng)，為了方便，我們就按照10年來(lái)算。在試驗(yàn)室進(jìn)行可靠性驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)時(shí)，不可能進(jìn)行10年的試驗(yàn)，這個(gè)周期太長(zhǎng)，因此必須進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力的加速。在用整車進(jìn)行48 V系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)室的條件限制，不可能同時(shí)把所有的環(huán)境應(yīng)力加上去，只能根據(jù)對(duì)48 V系統(tǒng)影響較大的環(huán)境應(yīng)力因子進(jìn)行加速試驗(yàn)。

可靠性的加速模型主要有3種：阿倫尼斯Arrhenius、科芬-曼森Coffin-Manson和勞森Lawson。阿倫尼斯模型是適用于高溫耐久試驗(yàn)的加速模型，科芬-曼森模型是適用于溫度循環(huán)試驗(yàn)的加速模型，勞森模型是適用于穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)的加速模型。就48V BSG、48 V鋰電池和DC／DC來(lái)說(shuō)，溫度對(duì)系統(tǒng)的影響最大，特別是48 V鋰電池，溫度太低不能工作，溫度太高就會(huì)影響壽命，綜上考慮，我們選擇的加速模型是科芬-曼森模型。不同的整車廠對(duì)48 V系統(tǒng)的要求是有差別的，這里我們規(guī)定溫度范圍為-40℃～80℃ （壽命10年。一天內(nèi)溫度變化平均為兩次，早晚溫度低，中午溫度最高，循環(huán)數(shù)2次。循環(huán)總數(shù)10×365×2=7 300次），啟停次數(shù)設(shè)定為34萬(wàn)次。

3.3 環(huán)境應(yīng)力循環(huán)

根據(jù)48 V系統(tǒng)的工作溫度范圍以及每個(gè)溫度點(diǎn)所占的比例，就可以算出每個(gè)溫度點(diǎn)保持的時(shí)間。結(jié)合上面對(duì)每個(gè)溫度點(diǎn)的分析，就可以得出用戶在低溫、高溫和常溫下操作的次數(shù)。

溫度循環(huán) （高溫、低溫、溫度變化）的加速模型為科芬-曼森模型，根據(jù)模型的要求，得出加速循環(huán)次數(shù)，此處暫不介紹具體計(jì)算過(guò)程，只給出一個(gè)結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 環(huán)境應(yīng)力循環(huán)

48 V系統(tǒng)經(jīng)過(guò)34個(gè)循環(huán)的應(yīng)力加速，相當(dāng)于用戶使用10年的壽命。

4 總結(jié)

48 V系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)只是汽車可靠性的一個(gè)點(diǎn)，如果條件成熟，可以考慮把更多的環(huán)境應(yīng)力因子加進(jìn)去，這樣的話，我們的加速模型可能不是科芬-曼森模型，而是一個(gè)綜合模型，考核得更全面。