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浅谈汽车48 V系统可靠性试验方法研究
2020-05-27 00:18:10· 来源：《浅谈汽车48 V系统可靠性试验方法研究》 作者：奇瑞汽车股份有限公司
1 系统概述及主要功能48 V轻混系统可以看成是12 V启停系统的升级版，增加了48 V锂电池、48 V／12 V双向DC／DC、48V BSG、电池管理系统。我们平时所说的P0、P1、P
1 系统概述及主要功能
48 V轻混系统可以看成是12 V启停系统的升级版，增加了48 V锂电池、48 V／12 V双向DC／DC、48V BSG、电池管理系统。我们平时所说的P0、P1、P2、P3、P4结构，是根据电机所处的不同位置命名的。
48 V电机放置在发动机前，通过48 V电池给48 V电机和48 V／ 12 V双向DC ／ DC提供电能，实现电机的助力及能量回收等功能。在48 V系统没有故障、48 V电池电量和其他条件满足要求的情况下，首次启动通过48 V电池给48 V电机提供能量，启动发动机，实现48 V首次启动优先功能。整车在行驶过程中，根据驾驶需求，可以控制48 V电机的扭矩输出能力，实现48 V系统的扭矩分配和助力功能；当整车在行驶过程中，不需要额外的能量时，48V系统可以通过48 V电机收集多余的能量，给48 V电池充电，实现能量回收功能。当12 V电池的电量不满足整车需求时，48 V电池可以通过48 V／12 V双向DC／DC给12 V电池提供能量，保障整车用电量需求。
目前，48 V系统的主要功能包括：启停功能（优先启动、怠速启停、滑行启停）、电动助力（电怠速、电爬行）、能量回收（滑行、制动）、扭矩分配、支持ECO ／ SPORT模式和电源管理等。系统功能框图见图1。
２ 系统可靠性失效模式及要求
可靠性设计是在设计、生产、使用过程中提前分析排除设计隐患或薄弱环节，并采取设计预防和设计改进措施，有效地消除隐患。因此对48 V系统可靠性失效模式的分析凸显重要。按照可靠性设计的要求，FMEA分析是其中非常重要的一环，它是对设计过程的更完善化，以明确必须做什么样的设计和过程才能满足顾客要求。表1是48 V系统的几种失效模式的简单描述。
3 48 V系统可靠性试验方法
3.1 环境应力分析
如何提高48 V系统的可靠性？这是一个很复杂的工程，在了解了48 V的结构、原理和控制逻辑后，要对48 V系统进行环境应力的分析，了解48 V系统工作的特殊工况和用户的使用习惯。
首先，48 V系统在自然环境中，会受到很多环境应力，比如温度、湿度、振动、雨水、冰雪、粉尘等的影响；在用户使用过程中，会受到用户操作方法、频次的影响，还有季节对操作习惯的影响。表2是48 V系统所受环境应力因子。
3.2 环境应力加速
由于整车的设计寿命都比较长，为了方便，我们就按照10年来算。在试验室进行可靠性验证方案设计时，不可能进行10年的试验，这个周期太长，因此必须进行环境应力的加速。在用整车进行48 V系统可靠性试验时，由于试验室的条件限制，不可能同时把所有的环境应力加上去，只能根据对48 V系统影响较大的环境应力因子进行加速试验。
可靠性的加速模型主要有3种：阿伦尼斯Arrhenius、科芬-曼森Coffin-Manson和劳森Lawson。阿伦尼斯模型是适用于高温耐久试验的加速模型，科芬-曼森模型是适用于温度循环试验的加速模型，劳森模型是适用于稳态湿热试验的加速模型。就48V BSG、48 V锂电池和DC ／ DC来说，温度对系统的影响最大，特别是48 V锂电池，温度太低不能工作，温度太高就会影响寿命，综上考虑，我们选择的加速模型是科芬-曼森模型。不同的整车厂对48 V系统的要求是有差别的，这里我们规定温度范围为-40 ℃～80 ℃ （寿命10年。一天内温度变化平均为两次，早晚温度低，中午温度最高，循环数2次。循环总数10×365×2=7 300次），启停次数设定为34万次。
3.3 环境应力循环
根据48 V系统的工作温度范围以及每个温度点所占的比例，就可以算出每个温度点保持的时间。结合上面对每个温度点的分析，就可以得出用户在低温、高温和常温下操作的次数。温度循环（高温、低温、温度变化） 的加速模型为科芬-曼森模型，根据模型的要求，得出加速循环次数，此处暂不介绍具体计算过程，只给出一个结果，见表3。
48 V系统经过34个循环的应力加速，相当于用户使用10年的寿命。
4 总结
48 V系统可靠性试验只是汽车可靠性的一个点，如果条件成熟，可以考虑把更多的环境应力因子加进去，这样的话，我们的加速模型可能不是科芬-曼森模型，而是一个综合模型，考核得更全面。
48 V轻混系统可以看成是12 V启停系统的升级版，增加了48 V锂电池、48 V／12 V双向DC／DC、48V BSG、电池管理系统。我们平时所说的P0、P1、P2、P3、P4结构，是根据电机所处的不同位置命名的。
48 V电机放置在发动机前，通过48 V电池给48 V电机和48 V／ 12 V双向DC ／ DC提供电能，实现电机的助力及能量回收等功能。在48 V系统没有故障、48 V电池电量和其他条件满足要求的情况下，首次启动通过48 V电池给48 V电机提供能量，启动发动机，实现48 V首次启动优先功能。整车在行驶过程中，根据驾驶需求，可以控制48 V电机的扭矩输出能力，实现48 V系统的扭矩分配和助力功能；当整车在行驶过程中，不需要额外的能量时，48V系统可以通过48 V电机收集多余的能量，给48 V电池充电，实现能量回收功能。当12 V电池的电量不满足整车需求时，48 V电池可以通过48 V／12 V双向DC／DC给12 V电池提供能量，保障整车用电量需求。
目前，48 V系统的主要功能包括：启停功能（优先启动、怠速启停、滑行启停）、电动助力（电怠速、电爬行）、能量回收（滑行、制动）、扭矩分配、支持ECO ／ SPORT模式和电源管理等。系统功能框图见图1。
２ 系统可靠性失效模式及要求
可靠性设计是在设计、生产、使用过程中提前分析排除设计隐患或薄弱环节，并采取设计预防和设计改进措施，有效地消除隐患。因此对48 V系统可靠性失效模式的分析凸显重要。按照可靠性设计的要求，FMEA分析是其中非常重要的一环，它是对设计过程的更完善化，以明确必须做什么样的设计和过程才能满足顾客要求。表1是48 V系统的几种失效模式的简单描述。
3 48 V系统可靠性试验方法
3.1 环境应力分析
如何提高48 V系统的可靠性？这是一个很复杂的工程，在了解了48 V的结构、原理和控制逻辑后，要对48 V系统进行环境应力的分析，了解48 V系统工作的特殊工况和用户的使用习惯。
首先，48 V系统在自然环境中，会受到很多环境应力，比如温度、湿度、振动、雨水、冰雪、粉尘等的影响；在用户使用过程中，会受到用户操作方法、频次的影响，还有季节对操作习惯的影响。表2是48 V系统所受环境应力因子。
3.2 环境应力加速
由于整车的设计寿命都比较长，为了方便，我们就按照10年来算。在试验室进行可靠性验证方案设计时，不可能进行10年的试验，这个周期太长，因此必须进行环境应力的加速。在用整车进行48 V系统可靠性试验时，由于试验室的条件限制，不可能同时把所有的环境应力加上去，只能根据对48 V系统影响较大的环境应力因子进行加速试验。
可靠性的加速模型主要有3种：阿伦尼斯Arrhenius、科芬-曼森Coffin-Manson和劳森Lawson。阿伦尼斯模型是适用于高温耐久试验的加速模型，科芬-曼森模型是适用于温度循环试验的加速模型，劳森模型是适用于稳态湿热试验的加速模型。就48V BSG、48 V锂电池和DC ／ DC来说，温度对系统的影响最大，特别是48 V锂电池，温度太低不能工作，温度太高就会影响寿命，综上考虑，我们选择的加速模型是科芬-曼森模型。不同的整车厂对48 V系统的要求是有差别的，这里我们规定温度范围为-40 ℃～80 ℃ （寿命10年。一天内温度变化平均为两次，早晚温度低，中午温度最高，循环数2次。循环总数10×365×2=7 300次），启停次数设定为34万次。
3.3 环境应力循环
根据48 V系统的工作温度范围以及每个温度点所占的比例，就可以算出每个温度点保持的时间。结合上面对每个温度点的分析，就可以得出用户在低温、高温和常温下操作的次数。温度循环（高温、低温、温度变化） 的加速模型为科芬-曼森模型，根据模型的要求，得出加速循环次数，此处暂不介绍具体计算过程，只给出一个结果，见表3。
48 V系统经过34个循环的应力加速，相当于用户使用10年的寿命。
4 总结
48 V系统可靠性试验只是汽车可靠性的一个点，如果条件成熟，可以考虑把更多的环境应力因子加进去，这样的话，我们的加速模型可能不是科芬-曼森模型，而是一个综合模型，考核得更全面。
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