淺談汽車48V 系統可靠性試驗方法研究

朱禮銘，張華春

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

1 系統概述及主要功能

48 V輕混系統可以看成是12 V啟停系統的升級版，增加了48 V鋰電池、48 V／12 V雙向DC／DC、48V BSG、電池管理系統。我們平時所說的P0、P1、P2、P3、P4結構，是根據電機所處的不同位置命名的。

48 V電機放置在發動機前，通過48 V電池給48 V電機和48 V／12 V雙向DC／DC提供電能，實現電機的助力及能量回收等功能。在48 V系統沒有故障、48 V電池電量和其他條件滿足要求的情況下，首次啟動通過48 V電池給48 V電機提供能量，啟動發動機，實現48 V首次啟動優先功能。整車在行駛過程中，根據駕駛需求，可以控制48 V電機的扭矩輸出能力，實現48 V系統的扭矩分配和助力功能；當整車在行駛過程中，不需要額外的能量時，48V系統可以通過48 V電機收集多余的能量，給48 V電池充電，實現能量回收功能。當12 V電池的電量不滿足整車需求時，48 V電池可以通過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系統的主要功能包括：啟停功能 （優先啟動、怠速啟停、滑行啟停）、電動助力 （電怠速、電爬行）、能量回收 （滑行、制動）、扭矩分配、支持ECO／SPORT模式和電源管理等。系統功能框圖見圖1。

2 系統可靠性失效模式及要求

圖1 系統功能框圖

可靠性設計是在設計、生產、使用過程中提前分析排除設計隱患或薄弱環節，并采取設計預防和設計改進措施，有效地消除隱患。因此對48 V系統可靠性失效模式的分析凸顯重要。按照可靠性設計的要求，FMEA分析是其中非常重要的一環，它是對設計過程的更完善化，以明確必須做什么樣的設計和過程才能滿足顧客要求。表1是48 V系統的幾種失效模式的簡單描述。

3 48 V系統可靠性試驗方法

3.1 環境應力分析

如何提高48 V系統的可靠性？這是一個很復雜的工程，在了解了48 V的結構、原理和控制邏輯后，要對48 V系統進行環境應力的分析，了解48 V系統工作的特殊工況和用戶的使用習慣。

首先，48 V系統在自然環境中，會受到很多環境應力，比如溫度、濕度、振動、雨水、冰雪、粉塵等的影響；在用戶使用過程中，會受到用戶操作方法、頻次的影響，還有季節對操作習慣的影響。表2是48 V系統所受環境應力因子。

表1 48 V系統的幾種失效模式

表2 48 V系統所受環境應力因子

3.2 環境應力加速

由于整車的設計壽命都比較長，為了方便，我們就按照10年來算。在試驗室進行可靠性驗證方案設計時，不可能進行10年的試驗，這個周期太長，因此必須進行環境應力的加速。在用整車進行48 V系統可靠性試驗時，由于試驗室的條件限制，不可能同時把所有的環境應力加上去，只能根據對48 V系統影響較大的環境應力因子進行加速試驗。

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的加速模型，科芬-曼森模型是適用于溫度循環試驗的加速模型，勞森模型是適用于穩態濕熱試驗的加速模型。就48V BSG、48 V鋰電池和DC／DC來說，溫度對系統的影響最大，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48 V系統的要求是有差別的，這里我們規定溫度范圍為-40℃～80℃ （壽命10年。一天內溫度變化平均為兩次，早晚溫度低，中午溫度最高，循環數2次。循環總數10×365×2=7 300次），啟停次數設定為34萬次。

3.3 環境應力循環

根據48 V系統的工作溫度范圍以及每個溫度點所占的比例，就可以算出每個溫度點保持的時間。結合上面對每個溫度點的分析，就可以得出用戶在低溫、高溫和常溫下操作的次數。

溫度循環 （高溫、低溫、溫度變化）的加速模型為科芬-曼森模型，根據模型的要求，得出加速循環次數，此處暫不介紹具體計算過程，只給出一個結果，見表3。

表3 環境應力循環

48 V系統經過34個循環的應力加速，相當于用戶使用10年的壽命。

4 總結

48 V系統可靠性試驗只是汽車可靠性的一個點，如果條件成熟，可以考慮把更多的環境應力因子加進去，這樣的話，我們的加速模型可能不是科芬-曼森模型，而是一個綜合模型，考核得更全面。