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北京现代 | 用户相关的电动汽车可靠性试验研究
2020-04-10 20:26:12· 来源：电动学堂
作者单位：北京现代汽车有限公司引言近年，我国新能源汽车尤其是纯电动汽车飞速发展，从 2011年销量0.82万辆到2016年销量50.7万辆，市场规模年均复合增长率128.1
作者单位：北京现代汽车有限公司
引言
近年，我国新能源汽车尤其是纯电动汽车飞速发展，从 2011年销量0.82万辆到2016年销量50.7万辆，市场规模年均复合增长率128.16%。纯电动汽车与汽油车相比，用户群体、使用年限、年平均行驶里程以及使用工况均存在较大差异，且整车整备质量较同级别汽油车大，对车身及悬架系统提出了全新的要求，电动汽车可靠性规范的制定成为整车可靠性新的研究方向。
国外整车厂商积累大量可靠性试验经验，形成了成熟的开发流程，提出了S-N曲线、雨流计数法等一系列理论。国内汽车行业起步晚，但也开始通过用户调查、试验场关联等方式开展车辆可靠性试验规范的研究。陈迪俄等人提出一种基于中国市场用户使用习惯和路面数据的整车可靠性试验模式建立方法。王万英等人建立90%用户用途目标，实车采集试验场和用户道路载荷谱，对比名义损伤建立试验场道路与用户道路的当量关系。
上述研究均针对汽油车，针对电动汽车可靠性试验规范的研究较少。本文针对电动汽车用户用途目标调查采用了一种全新方法，即电动出租车行驶路径分析确定电动汽车使用中路面信息和速度信息，电动汽车用户问卷调查确定电动汽车用户期望使用年限、里程及使用工况信息，两者相结合的方法提高了用户调查的客观性和准确度。通过采集载荷谱对比用户道路和试验场道路的损伤当量，确定电动车试验场可靠性试验规范，并采用该规范对某开发中电动车进行了可靠性验证。
1 关联用户用途的可靠性试验规范
循环载荷是车辆疲劳损伤的主要原因，汽车是固有系统，理论上相同的输入载荷引起相同的疲劳损伤。根据用户实际使用环境中的载荷输入，可以在汽车试验场按一定的比例混合各种路面及各种事件重现这一载荷谱输入。载荷谱重现通常可在较短的时间内完成因此在保证等效的前提下可以达到试验加速的目的。
受用户使用工况、制造误差等因素的影响，车辆发生疲劳损伤的位置和里程往往具有很大的离散性。其中用户使用工况是导致结果离散的最主要原因因此在产品开发和试验中应考虑目标用户的实际使用情况。
关联用户用途的电动汽车可靠性试验规范的建立，流程如图1所示：
1）用户调查，建立用户用途目标。调查项目包括车辆载荷、行驶道路类型等根据调查结果统计出电动汽车用户习惯及路面特征。
2）测量实际道路载荷谱。根据用户目标，测量车辆实际道路载荷输入信号。
3）测量试验场道路载荷谱。测量车辆在试验场各种路面上的载荷输入信号。
4）规范制定。叠加试验场的路面，使其引起的总名义损伤与用户道路上引起的名义损伤成比例关系，同时对比两者的雨流分布。
2 建立用户用途目标
国内路况多样复杂，汽车用户分布广泛，使用习惯也不尽相同，获得较全面的能够反映中国市场特征的用户调查数据较为困难。新能源汽车特别是电动汽车，目前的用户群体主要分布在北京、上海等一线城市，且受续驶里程的限制，电动汽车的主要使用环境为市内道路。因此将电动汽车用户调查的范围初步限制在北京市区道路，未来再扩展到其他城市。
城市出租车的主要行驶环境为市内道路，且无明显目的性，采用较大样本的电动出租车行驶数据进行分析，能够较准确地反映该城市电动汽车的使用特征。本次针对电动汽车的用户调查样本为2666台电动车30天的GPS原始数据，包含车辆ID、时间、经度、纬度、车速、航向共六个信息。上述数据每30s记录1次，全天24小时不间断记录。对原始数据信息进行提取加工，可在开源地理信息系统QGIS中得到单个或多个叠加的出租车运行轨迹，对电动汽车用户使用情况一一路面比例和速度等信息进行统计分析，可获得如下信息：
1）不同道路里程所占比例：主干路6.57%，高速公路5.66%，主要道路13.10%，二级道路23.29%，三级道路30.57%，居民道路16.74%，服务道路4.07%。为便于确定用户用途目标，将上述道路信息合并为表1中路面类型；
2）将车辆停止时间大于3分钟的数据剔除，留下等待红绿灯的车辆有效数据，计算得出2666台电动出租车速的分布情况，所有样本平均车速24.6km/h。
针对电动汽车车主发放调查问卷2000份，目的是统计分析电动汽车用户期望使用年限、平均行驶里程、承载状况等信息，并通过关键问题多次提问相互验证的方式提高调查结果的可信度和有效性。问卷调查共搜集问卷1826份，其中有效问卷1732份，可获得如下信息：
1)90%的用户期望使用年限小于等于8年；
2)90%的用户年行驶里程小于等于1.5万公里（90%的用户工作日平均行驶里程小于等于45公里，周末平均行驶里程小于等于40公里）;
3）使用过程中半载工况占75%，满载工况占25%。
根据上述信息，初步确定90%用户目标约为12万公里，如表1所示。
3 载荷数据采集
3.1 测量点分布
为了确定试验场道路和用户道路的当量关系，使用某电动汽车，安装的传感器包括车轮六分力传感器、加速度传感器、拉线式位移传感器、电阻应变片，通道总数为72。除传感器信号外还包含CAN总线中读取的制动、转向、ABS状态等。数据采集器为HBM公司SoMateDAQ数采系统。传感器安装位置示意图如图2所示。
3.2 用户道路载荷数据采集
电动汽车在实际道路行驶过程中，路面对于车辆的输入是随机的，对于同种类型的道路无法用同一确定的载荷函数描述，理论上保证实际道路载荷谱的准确性就需要进行无限长时间的测量，但在实际研究过程中不能实现，因此采用一定方法使测量获得的载荷样本具备总体特征。本文通过用户调查确定不同类型道路的道路里程（包含道路信息和行驶速度信息）所占比例，以覆盖70%道路里程为目标筛选典型用户特征路面，组合实际道路路谱采集路线，进行采集工作。
根据实际情况，在GPS轨迹较集中的朝阳区、东城区、丰台区、海淀区、西城区、顺义区，根据采集道路覆盖70%道路里程的原则，选择上述5种典型用户特征路面，并编制采集路线。对上述路面的路谱分别进行了满载和半载工况下的采集，为消除驾驶习惯交通状况对于数据的影响，分别由3位不同驾驶风格的驾驶员在4周时间内进行连续采集驾驶。累计采集里程超过5000km，部分数据如图3所示。
3.3 试验场道路载荷数据采集
试验场道路载荷数据采集在北京市通州试验场进行，试验场可靠性试验主要包含高环、强化坏路等，从不同角度对车辆的可靠性进行考核。按照己有汽油车耐久规范对试验场内环和外环跑道分别进行满载和半载载荷谱的采集，为保证信号的有效性和完整性，由3位驾驶员按照规范的要求采集3个循环，共测得9组试验场道路数据，部分数据如图4所示。
4 电动车耐久试验规范制定
4.1 载荷数据处理
按道路截取载荷谱，试验场道路载荷谱按照道路顺序进行截取，实际道路载荷谱需将GPS数据导人谷歌地球，对比地图经纬度进行单条路面数据截取。采用GlyphWorks进行数据处理，包括数据截取、通道间互相校核验证，检测毛刺与温漂、数据统计值（最大值／最小值／均方根值等）、雨流分析、频谱分析、损伤分析。
4.2 当量关系计算
实际道路载荷谱采集数量有限为对全寿命区间的雨流进行估计，需外推雨流循环。本文采用Socie等人的外推方法，利用一个非参数的密度估算子将离散的概率密度分布转化为一个连续的概率密度分布，然后利用蒙特卡罗方法，反算出一定里程的雨流分布。
为计算试验场道路与实际道路载荷数据的当量关系，将实际道路载荷数据按照用户调查获得的路面比例关系组合起来。高速公路、主要道路、二级道路、三级道路、其他道路的组合比例分别为13%、13%、23%、30%和21%。对上述5种路面的六分力通道和应变通道信号进行雨流计数，用上节提到的外推方法外推得到雨流矩阵，等效到表1中的里程。同样方法可获试验场道路在汽油车试车规范下的雨流矩 阵。部分实际道路和试验场道路的雨流分布如图5所示，其中蓝线为实际道路雨流分布红线为试验场道路雨流分布。根据图5，实际道路与试验场道路高频低幅值循环差异较大，低频高幅值循环差异较小。根据SN由线，低于疲劳极限下的广义应力不会引起疲劳损伤，高频低幅值部分虽然存在较大差异，但对于系统可靠性的影响较小，反而低颇高幅值循环部分对损伤贡献量较大，需尽量使实际道路与试验场道路接近。
通过雨流分布计算试验场与用户道路的名义损伤。试验场道路的名义损伤值见表2，为方便对比，将所有通道的名义损伤值记为1，试验场道路和实际道路名义损伤的当量关系如图6所示。
4.3 试验规范制定
耐久试验试验场规范与实际道路用户目标在一定误差范围内等效要保证其主要损伤计算参考通道的名义损伤比值在±2倍范围内，载荷谱各通道的雨流分布基本相同。图6为当前试验场规范与实际道路用户目标的对比结果，当前试验场规范中My强度偏弱，较实际道路用户目标比值超过2倍范围。可根据试验场各路面特征对损伤贡献量，有针对性地选择合适试验场路面特征优化试验场规范。针对上述问题，可采用逐步试凑法，并考虑到试验场特征路面的排列顺序、驾驶可操作性、安全性等因素，选择对My损伤贡献量较大的两种即“坡道路”和“内环石块路”，并增加其操作强度和频次如在石块路上多次紧急、制动等，制定电动汽车试验场道路耐久规范。电动汽车试验场耐久规范与实际道路用户目标名义损伤比值如图7所示，部分雨流分布图如图8所示。
由图7可知，电动汽车可靠性试验规范关键通道损伤值与实际道路损伤值比值均处于±2倍范围内，最大值为1.76倍。由图8可知，试验规范关键通道雨流分布于实际道路雨流分布低频高幅值部分重合度较高。得到初步结果后，需对试验规范进行适当的安全系数强化 并计算所得规范的强化系数。以上即针对路面累计造成损伤的考核规范。此外还有驾驶员操作造成的激励，典型的有制动、转向、停车方式等。将通过问卷调查结果并结合本公司汽油车产品的考核规范进行了制定。
基于电动汽车动力系统特点，在可靠性试验规范中增加对三电系统的考核。在累积路面损伤考察过程间歇穿插进行充电性能验证，按一定规律使用快／慢充电桩、家用充电线对可靠性试验车进行充电记录分析充电时间、电流、续驶里程影响因素。在累积路面损伤考察过程中进行电池性能验证，对电池状态、续驶里程进行考量。
考虑到现行的汽车可靠性试验评价方法，将电动汽车承载系的可靠性试验考核总里程定为25000km。同时对试验场可靠性试验总里程进行科学分配，见表3，根据表中给出的技术参数可以正确选择合适的强化路面比例以及车速进行试验。
目前，该电动汽车可靠性试验规范己应用于某电动车研发阶段的耐久性能验证过程中。该电动车同时进行20万km实际道路可靠性验证试验 对比实际道路可靠性试验和试验场可靠性试验结果显示，该可靠性试验规范能够达到加速损伤的效果，能够暴露出与实际道路可靠性试验相同的问题点，且RI/RR后纵梁车身焊点开裂、左前悬架弹簧并圈／弹簧垫破损等问题点出现里程与实际道路耐久里程相对应。
5 结论
我国电动汽车快速发展，但缺乏符合电动汽车使用特性的可靠性试验规范。本文通过对出租车行驶信息和电动汽车车主调研，建立了90%用户用途目标。分别对试验场和用户道路的载荷谱进行了实车采集，通过名义损伤的对比，建立了试验场道路与用户道路的当量关系。基于电动汽车的用户用途目标，构建了电动汽车可靠性试验规范，通过对比关键通道的雨流分布和名义损伤 表明该可靠性试验规范较好地符合目标用户的实际使用情况，能够指导电动汽车可靠性试验的进行。
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