整車電器安全性關鍵技術研究

茍榮非,蔡 恒，王 強，毛葉平，龍昭燈

（重慶長安汽車股份有限公司 長安汽車工程研究院，重慶 401120）

隨著車輛智能化、信息化和電動化的發展，汽車電器及其新技術在整車上得到加速應用，電器之間的信號交互也越來越密切，汽車電器系統也越來越復雜。但隨之而來的電器安全性問題則日益突出，而機動車自身原因導致的車輛火災中75%由電器導致，整車故障40%由汽車電器所導致，電器產品的安全性直接影響了用戶體驗。

目前在國內汽車行業內，缺少車輛起火機理和燃燒痕跡的研究，缺乏對車輛過熱風險的先期識別和設計規避能力，給車輛造成較大的安全隱患。同時，電器部件的可靠性及電磁兼容缺乏系統性解決方案，對射頻距離近、射頻通信成功率低、強電流電磁干擾抑制能力不足等難點問題，也缺少有效的控制技術，這些都給整車電器系統的安全性提升造成阻礙。

本文從車輛過熱、電磁兼容、連接系統可靠性和電器部件可靠性4個方面 （圖1），闡述了整車電器系統安全性控制的關鍵技術，并通過自主研究工作，突破了提升車輛安全性技術難點，形成了切實有效的管控體系。

圖1 整車電器系統安全控制總體思路

1 基于拓撲過熱技術的車輛過熱管控體系

用戶在車輛使用過程中，對車輛上某些功能或性能失效不能做到快速識別，而這種在失效模式下的車輛繼續使用，往往誘發車輛安全事故的發生，這其中也包括車輛過熱事故，為了識別這樣的極端安全風險，我們提出了拓撲過熱技術的概念。

拓撲過熱技術 （圖2）是在傳統試驗驗證體系的基礎上，針對已驗證出的功能&性能失效模式，并基于熱量由異常電流或異常電阻導致的基本原理，在失效模式的基礎上繼續進行測試，驗證其是否具備從部件-系統失效到整車過熱的拓撲效應產生機理，形成部件-系統-整車的三級車輛過熱設計預防控制技術的理論基礎。

圖2 拓撲過熱技術研究架構

過熱拓撲技術研究，解釋了已有車輛過熱的發生機理，而對于新出現的問題，則需要依靠過熱痕跡的分析能力，對新的過熱失效模式進行挖掘，通過車輛火災的實車燃燒模擬分析，探究車輛火災燃燒痕跡蔓延趨勢及在各零部件上呈現的典型痕跡 （圖3），獲取了各零部件殘骸對起火點有指向意義的分析方法和過熱風險試驗評估能力。繼而建立標準，提出了程序化的車輛火災現場信息采集要求和車輛燃燒痕跡鑒定方法，建立整車過熱試驗評價體系 （圖4）等，使研究成果通過程序化方式得到固化和應用。

圖3 車輛鈑金變色痕跡研究

圖4 整車過熱試驗評價體系

2 電磁兼容系統仿真

2.1 面向車內外復雜電磁環境的車載射頻通信鏈路計算模型

基于射頻通信技術的產品和系統日益增加，而通信頻段卻是固定的、有限的，導致車載射頻通信性能設計和匹配難度越來越大。通過對國內主要大城市和氣候特殊城市惡劣電磁環境的主要電磁干擾頻段與場強水平的研究分析 （表1），完成了惡劣電磁環境對車用射頻電器部件的干擾評估。

同時，車載RF系統中發射天線和接收天線將高頻電流轉化為電磁波輻射至空氣中，或者是接收空氣中的電磁波并轉化為高頻電流，所以天線性能的好壞直接影響車載RF系統通信的成功率。通過搭建射頻通信鏈路計算模型，得到天線的最佳樣式和尺寸，如圖5、6所示。天線的整車布置位置和姿態直接決定系統通信性能，在產品開發未完成前，利用電磁仿真手段仿真評估天線的最佳布置位置。而整車模型的精細程度決定仿真的精度，通過Hypermesh、Matlab和HFSS多軟件聯合建模，建立高精度的整車模型，并通過試驗驗證整車模型的精確度，如圖7、圖8所示，該技術可在項目開發前期完成相關風險的驗證評估。

2.2 基于寄生參數提取的電磁兼容建模技術

現有的整車電磁干擾問題往往很難在整車量產前被識別，成為影響整車電器安全的潛在風險源，行業內的電磁兼容仿真精度不高，與實車狀況差異較大。同時如點火系統這類強電磁干擾源，其在工作過程中所形成的高強度和寬頻帶的電磁騷擾以傳導和輻射耦合的方式嚴重影響著車內電器設備的正常工作。

為解決這一難題，提出了一種基于寄生參數建模的整車系統級電磁兼容仿真分析技術，對點火系統等強干擾源進行有效抑制。該技術通過提取點火系統各組件的寄生參數，建立組件的等效電路模型，用等效阻抗的測試和仿真結果，驗證組件模型的正確性。最后，集成各組件電路模型獲得影響點火系統EMI特性的多參數仿真模型 （圖9），為點火系統的EMI抑制措施的確定提供了指導。

基于多參數優化，有效降低了點火系統電磁干擾抑制技術應用于整車后，有效降低常規燃油汽車及混合動力汽車工作過程中形成的電磁干擾 （圖10）。整車的GB14023電磁兼容法規的一次性通過率從0提升到100%。

表1 典型惡劣電磁環境頻帶范圍及場強分布

圖5 仿真優化天線的增益

圖6 高精度整車模型

圖7 RKE天線最佳位置仿真

圖8 TPMS天線最佳位置仿真

3 整車電器架構到制造風險控制的連接系統化設計方法和驗收標準

連接系統故障頻發，以往簡單地歸結于供應商的制造水平差，掩蓋了線束設計方面的缺陷，導致連接系統可靠性提升乏力。

針對這一難題，一方面提出了基于制造的線束設計方法，從效率提升、過程防呆、過程保護、物料匹配4個方面，解決了線束在制造過程中的可靠性控制難題 （圖11）。通過研究影響工人裝配效率的過程因素；分析生產過程中易導致產品損傷的環節；建立物料管理系統，實現線束制造過程的可靠性提升。并建立供應商制造工裝、工序的驗收方法，物料選配的技術要求，具備了對線束制造可靠性的評估能力。

圖9 點火組件的寄生參數提取及等效電路模型驗證

圖10 點火系統EMI抑制效果

圖11 基于制造的線束設計方法研究范疇

另一方面，由于汽車電路是多回路并聯結構，單個回路的連接功能失效，會通過潛藏回路串聯到其它電路，形成新的通路。而傳統的電路設計及驗證體系，無法通過單個的失效點檢查，來判斷整車其它電器功能的異常及線路連接的安全風險。為此，建立了整車電路模型仿真能力 （圖12），實現了對功能邏輯、潛藏回路、導線載荷的仿真分析，提高了整車電路設計的安全與可靠性，解決了偶發性功能失效識別困難的問題。

圖12 系統功能仿真流程及實例

4 基于性能目標的部件-系統-整車三級電器硬件可靠性設計評價和驗收標準

電器部件的千頻一般占整車千頻的40%，造成這些問題的原因主要有：①缺乏電器安全與可靠性設計理念，設計階段目標分解不透徹；②產品開發前期仿真能力不足，無法基于目標開展精準設計；③缺乏設計審查方法，無標準要求或部分設計標準存在缺陷；④目標驗證體系不全，缺乏針對安全與可靠性的試驗標準，缺少整車電器安全與可靠性的實車驗證，導致初期故障率高。

為此，研究出一套基于性能目標的部件-系統-整車三級閉環電器安全與可靠性開發和驗證技術，對設計、驗證、生產、售后各環節提出具體的管控內容 （圖13），該技術包括下述幾方面的主要內容：①合理設置、分解電器可靠性目標；②建立部件／系統／整車三級的閉環試驗驗證體系；③基于客戶體驗，建立專業電器性能主觀評價能力；④設計審查和驗收標準；⑤生產一致性檢查；⑥道路試驗驗證。綜合多物理場耦合的車燈設計驗證實例如圖14所示。

通過以上一系列的措施，建立了電器產品從目標分解-設計-驗證-生產全過程控制體系，將項目問題暴露階段前移，大幅提升了電器系統的電器性能和可靠性。

圖13 電器安全與可靠性保障體系

圖14 綜合多物理場耦合的車燈設計驗證實例

5 結論

本文通過對影響整車電器安全的4大關鍵點進行深入分析和研究，獲取了車輛過熱、電磁兼容、連接系統可靠性、電器部件可靠性的控制方法。

基于過熱拓撲技術研究和燃燒痕跡分析技術，建立了整車級過熱試驗評價能力，形成涵蓋設計-制造-驗證-售后全過程的車輛過熱管控優化集成體系，解決車輛過熱隱患難預防、難控制的問題。

基于寄生參數建模的整車系統級電磁兼容仿真分析技術，搭建起各關聯器件的高頻電路模型，仿真精度達到±3 dB，應用點火系統和電動車專用動力器件等強干擾源的多參數電磁兼容仿真模型，實現了對整車強電磁干擾源的有效抑制。

基于制造的線束設計方法，從效率提升、過程防呆、過程保護、物料匹配4個方面，解決了線束在制造過程中的可靠性控制難題。并借助整車電路模型仿真能力的建立，實現了對功能邏輯、潛藏回路、導線載荷的仿真分析，解決了偶發性功能失效識別困難的問題。

基于電器安全與可靠性設計驗收體系，對電器零部件從設計、驗證、生產和售后的全過程和全方位進行管控。