基于任務(wù)可靠度的底盤(pán)可靠性設(shè)計(jì)

于海興　陳玉寶　曹建宏　王駱賓　司紅建

關(guān)鍵詞：任務(wù)可靠度;新能源汽車(chē);可靠性;DCDC;可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著新能源汽車(chē)的快速發(fā)展，自卸車(chē)、專(zhuān)用車(chē)和特種車(chē)等汽車(chē)產(chǎn)品方案形式越來(lái)越多樣化，上裝對(duì)底盤(pán)的接口及功能要求呈現(xiàn)日益明顯的電氣化特點(diǎn)。如底盤(pán)取力器的形式已經(jīng)開(kāi)始從發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、分動(dòng)器等機(jī)械取力，逐漸調(diào)整為高低壓供電驅(qū)動(dòng)的上裝設(shè)備等。

本研究針對(duì)客戶一款配置電動(dòng)缸的新能源自卸車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)，該型自卸車(chē)通過(guò)電動(dòng)缸完成上裝的舉升和回落，進(jìn)而完成上裝物料轉(zhuǎn)運(yùn)。為完成客戶提出的作業(yè)任務(wù)可靠度要求，該新能源自卸車(chē)底盤(pán)在研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)估，并針對(duì)設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了可靠性優(yōu)化[1]，從而在滿足產(chǎn)品任務(wù)可靠度目標(biāo)的同時(shí)，控制了產(chǎn)品配套的成本。

1底盤(pán)技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)客戶上裝及其配電技術(shù)要求，底盤(pán)產(chǎn)品設(shè)計(jì)采取了混合動(dòng)力技術(shù)路線，與上裝高低壓配電需求相適應(yīng)。該底盤(pán)具有明顯的新能源產(chǎn)品特征，由儲(chǔ)能系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)與行駛系統(tǒng)、電器設(shè)備及高低電纜網(wǎng)組成。

儲(chǔ)能系統(tǒng)由多組動(dòng)力電池組成，發(fā)電系統(tǒng)為柴油發(fā)電機(jī)組，底盤(pán)具備純電行駛功能和混合動(dòng)力行駛功能。

底盤(pán)配電系統(tǒng)包括高壓配電箱、直流-直流轉(zhuǎn)換器（DCDC）和低壓配電箱等，分別實(shí)現(xiàn)高壓直流配電、高壓直流電轉(zhuǎn)低壓直流電以及高壓直流電轉(zhuǎn)高壓交流電、低壓直流配電功能。配電系統(tǒng)配置上裝高壓用電和低壓用電接口。參與上裝配電任務(wù)的系統(tǒng)主要為儲(chǔ)能系統(tǒng)、配電系統(tǒng)及整車(chē)控制器（VCU）。

當(dāng)用戶上裝執(zhí)行自卸任務(wù)時(shí)，底盤(pán)配電系統(tǒng)需穩(wěn)定可靠性地供電。具體要求為：在規(guī)定的3min任務(wù)時(shí)間內(nèi)，底盤(pán)任務(wù)可靠度最低門(mén)限值為0.998，目標(biāo)值為0.9998。

2可靠性設(shè)計(jì)

根據(jù)客戶任務(wù)可靠度要求，單機(jī)設(shè)備選型貫徹了成熟設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)等準(zhǔn)則，對(duì)底盤(pán)配電系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)可靠性設(shè)計(jì)。

2.1任務(wù)可靠性模型

根據(jù)上裝配電任務(wù)需求，建立了任務(wù)可靠性框圖模型一（圖1）。具體工作原理為：電池管理系統(tǒng)控制單元（BMS）負(fù)責(zé)動(dòng)力電池電量管理，動(dòng)力電池為供電電源;高壓箱通過(guò)繼電器控制高壓直流配電回路;DCDC進(jìn)行高壓直流轉(zhuǎn)低壓直流變換;低壓配電盒通過(guò)繼電器控制低壓配電回路;VCU通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)對(duì)高壓箱、DCDC和低壓配電盒的繼電器控制，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)BMS電量請(qǐng)求。該控制策略設(shè)計(jì)中，忽略高低壓線束等成熟部件的影響。

2.2任務(wù)可靠性分配

根據(jù)Rs的門(mén)限值和目標(biāo)值可靠度要求，結(jié)合相似產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)比例系數(shù)評(píng)分法進(jìn)行單機(jī)設(shè)備任務(wù)可靠度的初步分配[2-3]，如表1所示。

2.3任務(wù)可靠性評(píng)估

在該底盤(pán)試制前，為評(píng)估該底盤(pán)的任務(wù)可靠度滿足情況，收集了相似底盤(pán)產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)。結(jié)合相似底盤(pán)工作時(shí)的環(huán)境因子，進(jìn)一步整理了配套新底盤(pán)所屬單機(jī)設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)。根據(jù)單機(jī)設(shè)備任務(wù)可靠度評(píng)估數(shù)學(xué)模型，計(jì)算可得各單機(jī)設(shè)備的任務(wù)可靠度[4-5]。

式中R_L——可靠度置信下限，代表單機(jī)設(shè)備任務(wù)可靠度

T——總試驗(yàn)時(shí)間

r——故障數(shù)

t₀——任務(wù)時(shí)間

γ——置信水平（取0.8）

根據(jù)式（3）分別計(jì)算R_BMS、R_DCB、R_GYH、R_DCDC、R_DYH和R_VCU，再由式（1）和式（2）計(jì)算當(dāng)前的底盤(pán)任務(wù)可靠度（表2）。

從表2可以看出，底盤(pán)的任務(wù)可靠度評(píng)估計(jì)算結(jié)果為0.999554，滿足門(mén)限值0.998要求，但不能滿足目標(biāo)值0.9998的任務(wù)可靠度要求。對(duì)比表2所示的單機(jī)可靠度評(píng)估結(jié)果和表1所示的可靠度門(mén)限值與目標(biāo)值分配要求，可以發(fā)現(xiàn)DCDC能滿足其可靠度門(mén)限值要求，但與其可靠度目標(biāo)值要求差距較多。

經(jīng)評(píng)估分析，底盤(pán)任務(wù)可靠度評(píng)估結(jié)果偏低的薄弱環(huán)節(jié)在于DCDC。該設(shè)備根據(jù)客戶的要求進(jìn)行了定制開(kāi)發(fā)。當(dāng)前該設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，其技術(shù)狀態(tài)成熟度偏低，故障率偏高。

3可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)

為達(dá)到客戶所要求的任務(wù)可靠度目標(biāo)要求，擬采取如下措施。

（1）增加1套DCDC單機(jī)設(shè)備，通過(guò)冗余設(shè)計(jì)提高高壓直流轉(zhuǎn)低壓直流的配電任務(wù)可靠度。

（2）對(duì)DCDC開(kāi)展可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，以便有計(jì)劃地激發(fā)故障、分析故障和改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而糾正該底盤(pán)的可靠性薄弱環(huán)節(jié)。

3.1冗余設(shè)計(jì)

DCDC冗余設(shè)計(jì)原理為：在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加1套DCDC，2套DCDC的高壓輸入均來(lái)自高壓箱的不同輔助接口;CAN通訊協(xié)議采用不同的ID設(shè)置，從而VCU可以同時(shí)與這2套DCDC實(shí)現(xiàn)交互控制。2套DCDC的電壓電源接口在低壓配電盒上進(jìn)行電網(wǎng)并網(wǎng)。該底盤(pán)設(shè)計(jì)改進(jìn)方案的任務(wù)可靠性框圖模型如圖2所示。

同理，其任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型如下。

進(jìn)而計(jì)算可得改進(jìn)設(shè)計(jì)后的底盤(pán)任務(wù)可靠度（表3），能夠滿足客戶任務(wù)可靠度目標(biāo)值要求。

3.2可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)

冗余設(shè)計(jì)改進(jìn)措施能直接滿足客戶可靠度要求，但需配置2套DCDC，當(dāng)批量進(jìn)行底盤(pán)配套時(shí)，將明顯增加底盤(pán)成本。而該型DCDC是根據(jù)客戶要求進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)，在表2所示的可靠性評(píng)估試驗(yàn)中出現(xiàn)的偶發(fā)故障，包括絕緣報(bào)警、峰值功率不足和過(guò)熱報(bào)警。

為達(dá)到底盤(pán)配套單套DCDC即可滿足客戶要求的目標(biāo)，必須提高DCDC單機(jī)設(shè)備的任務(wù)可靠度。可靠性增長(zhǎng)及其加速試驗(yàn)是提高單機(jī)設(shè)備可靠性增長(zhǎng)的必要途徑。

DCDC可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)是通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)剖面，模擬車(chē)輛的溫度、濕度、振動(dòng)和電應(yīng)力工作環(huán)境條件，對(duì)DCDC進(jìn)行絕緣檢查、耐壓檢查、防護(hù)等級(jí)檢查、峰值功率輸出功能檢查、溫升檢查以及CAN通訊功能測(cè)試等試驗(yàn)項(xiàng)目。根據(jù)試驗(yàn)暴露的故障及缺陷，分析設(shè)計(jì)和工藝的薄弱環(huán)節(jié)并不斷進(jìn)行改進(jìn)，直至在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)無(wú)故障發(fā)生，才認(rèn)可DCDC國(guó)產(chǎn)化單機(jī)已達(dá)到可靠性增長(zhǎng)目標(biāo)。

3.2.1可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)剖面

根據(jù)終端用戶對(duì)自卸車(chē)的使用環(huán)境，開(kāi)展溫度、濕度、振動(dòng)及電應(yīng)力的綜合性可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)[6]。其可靠性增長(zhǎng)基本試驗(yàn)剖面如圖3所示，單個(gè)循環(huán)時(shí)間為480min，電應(yīng)力有效試驗(yàn)時(shí)間為300min。采用溫度加速的方式，在低溫段、常溫段、高溫段進(jìn)行加速，采用溫度加速方案后相應(yīng)段試驗(yàn)時(shí)間縮短為原來(lái)的一半[7]，單個(gè)循環(huán)時(shí)間為240min，電應(yīng)力有效試驗(yàn)時(shí)間為150min（圖4）。

3.2.2可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的確定

擬根據(jù)DCDC的任務(wù)可靠度需求，基于無(wú)模型可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)方法進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。可靠性增長(zhǎng)有效試驗(yàn)時(shí)間T可由式（3）進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

式中γ——置信水平（取0.8）

r——試驗(yàn)期間允許出現(xiàn)的故障數(shù)（取0）

R——可靠度要求

t——用戶任務(wù)剖面時(shí)間（3min）

DCDC任務(wù)可靠度指標(biāo)的確定基于如下幾個(gè)方面：①DCDC可靠度門(mén)限值為0.9996，經(jīng)評(píng)估，實(shí)際已滿足要求;②DCDC可靠度目標(biāo)值為0.99996，經(jīng)評(píng)估，實(shí)際相差要求較大;③根據(jù)當(dāng)前其他單機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的評(píng)估結(jié)果，如需滿足底盤(pán)任務(wù)可靠度目標(biāo)值要求，單機(jī)DCDC所需的任務(wù)可靠度至少不小于0.99993。

綜上，修正DCDC的可靠度目標(biāo)值為0.99993。

根據(jù)式（6）可計(jì)算出可靠性增長(zhǎng)有效試驗(yàn)時(shí)間，進(jìn)而可得到試驗(yàn)循環(huán)數(shù)。其中驗(yàn)證階段開(kāi)展41個(gè)基本試驗(yàn)剖面循環(huán)，摸底階段在驗(yàn)證階段基礎(chǔ)上開(kāi)展189個(gè)加速試驗(yàn)剖面循環(huán)。預(yù)計(jì)驗(yàn)證階段試驗(yàn)周期至少14天，摸底階段試驗(yàn)周期至少32天，總試驗(yàn)周期至少46天。

從底盤(pán)的DCDC產(chǎn)品配套成本和可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)研制成本角度分析，只有當(dāng)?shù)妆P(pán)訂單數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，DCDC單個(gè)配套節(jié)約的成本才能覆蓋可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)成本。因而，建議客戶在該底盤(pán)產(chǎn)品供貨初期，采用冗余設(shè)計(jì)方案保障上裝配電任務(wù)可靠度要求。

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)可靠性評(píng)估，驗(yàn)證了某新能源自卸車(chē)的底盤(pán)設(shè)計(jì)滿足客戶任務(wù)可靠度門(mén)限值要求，卻無(wú)法滿足目標(biāo)值要求，設(shè)計(jì)中可靠性薄弱環(huán)節(jié)為DCDC設(shè)備。通過(guò)對(duì)DCDC采取冗余設(shè)計(jì)改進(jìn)措施以及可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)方案，最終提出研發(fā)建議：底盤(pán)訂單少量配套時(shí)采取冗余設(shè)計(jì)措施;訂單明顯較多時(shí)再開(kāi)展DCDC單機(jī)的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，底盤(pán)僅需配套單套DCDC，實(shí)現(xiàn)底盤(pán)成本控制目的。

作者簡(jiǎn)介：

于海興，碩士，工程師，新能源汽車(chē)總體設(shè)計(jì)與可靠性工程。