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北京現(xiàn)代 | 用戶相關(guān)的電動汽車可靠性試驗(yàn)研究
2020-04-10 20:26:12· 來源：電動學(xué)堂
作者單位：北京現(xiàn)代汽車有限公司引言近年，我國新能源汽車尤其是純電動汽車飛速發(fā)展，從 2011年銷量0.82萬輛到2016年銷量50.7萬輛，市場規(guī)模年均復(fù)合增長率128.1
作者單位：北京現(xiàn)代汽車有限公司
引言
近年，我國新能源汽車尤其是純電動汽車飛速發(fā)展，從 2011年銷量0.82萬輛到2016年銷量50.7萬輛，市場規(guī)模年均復(fù)合增長率128.16%。純電動汽車與汽油車相比，用戶群體、使用年限、年平均行駛里程以及使用工況均存在較大差異，且整車整備質(zhì)量較同級別汽油車大，對車身及懸架系統(tǒng)提出了全新的要求，電動汽車可靠性規(guī)范的制定成為整車可靠性新的研究方向。
國外整車廠商積累大量可靠性試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，形成了成熟的開發(fā)流程，提出了S-N曲線、雨流計(jì)數(shù)法等一系列理論。國內(nèi)汽車行業(yè)起步晚，但也開始通過用戶調(diào)查、試驗(yàn)場關(guān)聯(lián)等方式開展車輛可靠性試驗(yàn)規(guī)范的研究。陳迪俄等人提出一種基于中國市場用戶使用習(xí)慣和路面數(shù)據(jù)的整車可靠性試驗(yàn)?zāi)Ｊ浇⒎椒?。王萬英等人建立90%用戶用途目標(biāo)，實(shí)車采集試驗(yàn)場和用戶道路載荷譜，對比名義損傷建立試驗(yàn)場道路與用戶道路的當(dāng)量關(guān)系。
上述研究均針對汽油車，針對電動汽車可靠性試驗(yàn)規(guī)范的研究較少。本文針對電動汽車用戶用途目標(biāo)調(diào)查采用了一種全新方法，即電動出租車行駛路徑分析確定電動汽車使用中路面信息和速度信息，電動汽車用戶問卷調(diào)查確定電動汽車用戶期望使用年限、里程及使用工況信息，兩者相結(jié)合的方法提高了用戶調(diào)查的客觀性和準(zhǔn)確度。通過采集載荷譜對比用戶道路和試驗(yàn)場道路的損傷當(dāng)量，確定電動車試驗(yàn)場可靠性試驗(yàn)規(guī)范，并采用該規(guī)范對某開發(fā)中電動車進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。
1 關(guān)聯(lián)用戶用途的可靠性試驗(yàn)規(guī)范
循環(huán)載荷是車輛疲勞損傷的主要原因，汽車是固有系統(tǒng)，理論上相同的輸入載荷引起相同的疲勞損傷。根據(jù)用戶實(shí)際使用環(huán)境中的載荷輸入，可以在汽車試驗(yàn)場按一定的比例混合各種路面及各種事件重現(xiàn)這一載荷譜輸入。載荷譜重現(xiàn)通?？稍谳^短的時間內(nèi)完成因此在保證等效的前提下可以達(dá)到試驗(yàn)加速的目的。
受用戶使用工況、制造誤差等因素的影響，車輛發(fā)生疲勞損傷的位置和里程往往具有很大的離散性。其中用戶使用工況是導(dǎo)致結(jié)果離散的最主要原因因此在產(chǎn)品開發(fā)和試驗(yàn)中應(yīng)考慮目標(biāo)用戶的實(shí)際使用情況。
關(guān)聯(lián)用戶用途的電動汽車可靠性試驗(yàn)規(guī)范的建立，流程如圖1所示：
1）用戶調(diào)查，建立用戶用途目標(biāo)。調(diào)查項(xiàng)目包括車輛載荷、行駛道路類型等根據(jù)調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)出電動汽車用戶習(xí)慣及路面特征。
2）測量實(shí)際道路載荷譜。根據(jù)用戶目標(biāo)，測量車輛實(shí)際道路載荷輸入信號。
3）測量試驗(yàn)場道路載荷譜。測量車輛在試驗(yàn)場各種路面上的載荷輸入信號。
4）規(guī)范制定。疊加試驗(yàn)場的路面，使其引起的總名義損傷與用戶道路上引起的名義損傷成比例關(guān)系，同時對比兩者的雨流分布。
2 建立用戶用途目標(biāo)
國內(nèi)路況多樣復(fù)雜，汽車用戶分布廣泛，使用習(xí)慣也不盡相同，獲得較全面的能夠反映中國市場特征的用戶調(diào)查數(shù)據(jù)較為困難。新能源汽車特別是電動汽車，目前的用戶群體主要分布在北京、上海等一線城市，且受續(xù)駛里程的限制，電動汽車的主要使用環(huán)境為市內(nèi)道路。因此將電動汽車用戶調(diào)查的范圍初步限制在北京市區(qū)道路，未來再擴(kuò)展到其他城市。
城市出租車的主要行駛環(huán)境為市內(nèi)道路，且無明顯目的性，采用較大樣本的電動出租車行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠較準(zhǔn)確地反映該城市電動汽車的使用特征。本次針對電動汽車的用戶調(diào)查樣本為2666臺電動車30天的GPS原始數(shù)據(jù)，包含車輛ID、時間、經(jīng)度、緯度、車速、航向共六個信息。上述數(shù)據(jù)每30s記錄1次，全天24小時不間斷記錄。對原始數(shù)據(jù)信息進(jìn)行提取加工，可在開源地理信息系統(tǒng)QGIS中得到單個或多個疊加的出租車運(yùn)行軌跡，對電動汽車用戶使用情況一一路面比例和速度等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可獲得如下信息：
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%，二級道路23.29%，三級道路30.57%，居民道路16.74%，服務(wù)道路4.07%。為便于確定用戶用途目標(biāo)，將上述道路信息合并為表1中路面類型；
2）將車輛停止時間大于3分鐘的數(shù)據(jù)剔除，留下等待紅綠燈的車輛有效數(shù)據(jù)，計(jì)算得出2666臺電動出租車速的分布情況，所有樣本平均車速24.6km/h。
針對電動汽車車主發(fā)放調(diào)查問卷2000份，目的是統(tǒng)計(jì)分析電動汽車用戶期望使用年限、平均行駛里程、承載狀況等信息，并通過關(guān)鍵問題多次提問相互驗(yàn)證的方式提高調(diào)查結(jié)果的可信度和有效性。問卷調(diào)查共搜集問卷1826份，其中有效問卷1732份，可獲得如下信息：
1)90%的用戶期望使用年限小于等于8年；
2)90%的用戶年行駛里程小于等于1.5萬公里（90%的用戶工作日平均行駛里程小于等于45公里，周末平均行駛里程小于等于40公里）;
3）使用過程中半載工況占75%，滿載工況占25%。
根據(jù)上述信息，初步確定90%用戶目標(biāo)約為12萬公里，如表1所示。
3 載荷數(shù)據(jù)采集
3.1 測量點(diǎn)分布
為了確定試驗(yàn)場道路和用戶道路的當(dāng)量關(guān)系，使用某電動汽車，安裝的傳感器包括車輪六分力傳感器、加速度傳感器、拉線式位移傳感器、電阻應(yīng)變片，通道總數(shù)為72。除傳感器信號外還包含CAN總線中讀取的制動、轉(zhuǎn)向、ABS狀態(tài)等。數(shù)據(jù)采集器為HBM公司SoMateDAQ數(shù)采系統(tǒng)。傳感器安裝位置示意圖如圖2所示。
3.2 用戶道路載荷數(shù)據(jù)采集
電動汽車在實(shí)際道路行駛過程中，路面對于車輛的輸入是隨機(jī)的，對于同種類型的道路無法用同一確定的載荷函數(shù)描述，理論上保證實(shí)際道路載荷譜的準(zhǔn)確性就需要進(jìn)行無限長時間的測量，但在實(shí)際研究過程中不能實(shí)現(xiàn)，因此采用一定方法使測量獲得的載荷樣本具備總體特征。本文通過用戶調(diào)查確定不同類型道路的道路里程（包含道路信息和行駛速度信息）所占比例，以覆蓋70%道路里程為目標(biāo)篩選典型用戶特征路面，組合實(shí)際道路路譜采集路線，進(jìn)行采集工作。
根據(jù)實(shí)際情況，在GPS軌跡較集中的朝陽區(qū)、東城區(qū)、豐臺區(qū)、海淀區(qū)、西城區(qū)、順義區(qū)，根據(jù)采集道路覆蓋70%道路里程的原則，選擇上述5種典型用戶特征路面，并編制采集路線。對上述路面的路譜分別進(jìn)行了滿載和半載工況下的采集，為消除駕駛習(xí)慣交通狀況對于數(shù)據(jù)的影響，分別由3位不同駕駛風(fēng)格的駕駛員在4周時間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)采集駕駛。累計(jì)采集里程超過5000km，部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖3所示。
3.3 試驗(yàn)場道路載荷數(shù)據(jù)采集
試驗(yàn)場道路載荷數(shù)據(jù)采集在北京市通州試驗(yàn)場進(jìn)行，試驗(yàn)場可靠性試驗(yàn)主要包含高環(huán)、強(qiáng)化壞路等，從不同角度對車輛的可靠性進(jìn)行考核。按照己有汽油車耐久規(guī)范對試驗(yàn)場內(nèi)環(huán)和外環(huán)跑道分別進(jìn)行滿載和半載載荷譜的采集，為保證信號的有效性和完整性，由3位駕駛員按照規(guī)范的要求采集3個循環(huán)，共測得9組試驗(yàn)場道路數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖4所示。
4 電動車耐久試驗(yàn)規(guī)范制定
4.1 載荷數(shù)據(jù)處理
按道路截取載荷譜，試驗(yàn)場道路載荷譜按照道路順序進(jìn)行截取，實(shí)際道路載荷譜需將GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)人谷歌地球，對比地圖經(jīng)緯度進(jìn)行單條路面數(shù)據(jù)截取。采用GlyphWorks進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)截取、通道間互相校核驗(yàn)證，檢測毛刺與溫漂、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值（最大值／最小值／均方根值等）、雨流分析、頻譜分析、損傷分析。
4.2 當(dāng)量關(guān)系計(jì)算
實(shí)際道路載荷譜采集數(shù)量有限為對全壽命區(qū)間的雨流進(jìn)行估計(jì)，需外推雨流循環(huán)。本文采用Socie等人的外推方法，利用一個非參數(shù)的密度估算子將離散的概率密度分布轉(zhuǎn)化為一個連續(xù)的概率密度分布，然后利用蒙特卡羅方法，反算出一定里程的雨流分布。
為計(jì)算試驗(yàn)場道路與實(shí)際道路載荷數(shù)據(jù)的當(dāng)量關(guān)系，將實(shí)際道路載荷數(shù)據(jù)按照用戶調(diào)查獲得的路面比例關(guān)系組合起來。高速公路、主要道路、二級道路、三級道路、其他道路的組合比例分別為13%、13%、23%、30%和21%。對上述5種路面的六分力通道和應(yīng)變通道信號進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，用上節(jié)提到的外推方法外推得到雨流矩陣，等效到表1中的里程。同樣方法可獲試驗(yàn)場道路在汽油車試車規(guī)范下的雨流矩 陣。部分實(shí)際道路和試驗(yàn)場道路的雨流分布如圖5所示，其中藍(lán)線為實(shí)際道路雨流分布紅線為試驗(yàn)場道路雨流分布。根據(jù)圖5，實(shí)際道路與試驗(yàn)場道路高頻低幅值循環(huán)差異較大，低頻高幅值循環(huán)差異較小。根據(jù)SN由線，低于疲勞極限下的廣義應(yīng)力不會引起疲勞損傷，高頻低幅值部分雖然存在較大差異，但對于系統(tǒng)可靠性的影響較小，反而低頗高幅值循環(huán)部分對損傷貢獻(xiàn)量較大，需盡量使實(shí)際道路與試驗(yàn)場道路接近。
通過雨流分布計(jì)算試驗(yàn)場與用戶道路的名義損傷。試驗(yàn)場道路的名義損傷值見表2，為方便對比，將所有通道的名義損傷值記為1，試驗(yàn)場道路和實(shí)際道路名義損傷的當(dāng)量關(guān)系如圖6所示。
4.3 試驗(yàn)規(guī)范制定
耐久試驗(yàn)試驗(yàn)場規(guī)范與實(shí)際道路用戶目標(biāo)在一定誤差范圍內(nèi)等效要保證其主要損傷計(jì)算參考通道的名義損傷比值在±2倍范圍內(nèi)，載荷譜各通道的雨流分布基本相同。圖6為當(dāng)前試驗(yàn)場規(guī)范與實(shí)際道路用戶目標(biāo)的對比結(jié)果，當(dāng)前試驗(yàn)場規(guī)范中My強(qiáng)度偏弱，較實(shí)際道路用戶目標(biāo)比值超過2倍范圍。可根據(jù)試驗(yàn)場各路面特征對損傷貢獻(xiàn)量，有針對性地選擇合適試驗(yàn)場路面特征優(yōu)化試驗(yàn)場規(guī)范。針對上述問題，可采用逐步試湊法，并考慮到試驗(yàn)場特征路面的排列順序、駕駛可操作性、安全性等因素，選擇對My損傷貢獻(xiàn)量較大的兩種即“坡道路”和“內(nèi)環(huán)石塊路”，并增加其操作強(qiáng)度和頻次如在石塊路上多次緊急、制動等，制定電動汽車試驗(yàn)場道路耐久規(guī)范。電動汽車試驗(yàn)場耐久規(guī)范與實(shí)際道路用戶目標(biāo)名義損傷比值如圖7所示，部分雨流分布圖如圖8所示。
由圖7可知，電動汽車可靠性試驗(yàn)規(guī)范關(guān)鍵通道損傷值與實(shí)際道路損傷值比值均處于±2倍范圍內(nèi)，最大值為1.76倍。由圖8可知，試驗(yàn)規(guī)范關(guān)鍵通道雨流分布于實(shí)際道路雨流分布低頻高幅值部分重合度較高。得到初步結(jié)果后，需對試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)強(qiáng)化 并計(jì)算所得規(guī)范的強(qiáng)化系數(shù)。以上即針對路面累計(jì)造成損傷的考核規(guī)范。此外還有駕駛員操作造成的激勵，典型的有制動、轉(zhuǎn)向、停車方式等。將通過問卷調(diào)查結(jié)果并結(jié)合本公司汽油車產(chǎn)品的考核規(guī)范進(jìn)行了制定。
基于電動汽車動力系統(tǒng)特點(diǎn)，在可靠性試驗(yàn)規(guī)范中增加對三電系統(tǒng)的考核。在累積路面損傷考察過程間歇穿插進(jìn)行充電性能驗(yàn)證，按一定規(guī)律使用快／慢充電樁、家用充電線對可靠性試驗(yàn)車進(jìn)行充電記錄分析充電時間、電流、續(xù)駛里程影響因素。在累積路面損傷考察過程中進(jìn)行電池性能驗(yàn)證，對電池狀態(tài)、續(xù)駛里程進(jìn)行考量。
考慮到現(xiàn)行的汽車可靠性試驗(yàn)評價方法，將電動汽車承載系的可靠性試驗(yàn)考核總里程定為25000km。同時對試驗(yàn)場可靠性試驗(yàn)總里程進(jìn)行科學(xué)分配，見表3，根據(jù)表中給出的技術(shù)參數(shù)可以正確選擇合適的強(qiáng)化路面比例以及車速進(jìn)行試驗(yàn)。
目前，該電動汽車可靠性試驗(yàn)規(guī)范己應(yīng)用于某電動車研發(fā)階段的耐久性能驗(yàn)證過程中。該電動車同時進(jìn)行20萬km實(shí)際道路可靠性驗(yàn)證試驗(yàn) 對比實(shí)際道路可靠性試驗(yàn)和試驗(yàn)場可靠性試驗(yàn)結(jié)果顯示，該可靠性試驗(yàn)規(guī)范能夠達(dá)到加速損傷的效果，能夠暴露出與實(shí)際道路可靠性試驗(yàn)相同的問題點(diǎn)，且RI/RR后縱梁車身焊點(diǎn)開裂、左前懸架彈簧并圈／彈簧墊破損等問題點(diǎn)出現(xiàn)里程與實(shí)際道路耐久里程相對應(yīng)。
5 結(jié)論
我國電動汽車快速發(fā)展，但缺乏符合電動汽車使用特性的可靠性試驗(yàn)規(guī)范。本文通過對出租車行駛信息和電動汽車車主調(diào)研，建立了90%用戶用途目標(biāo)。分別對試驗(yàn)場和用戶道路的載荷譜進(jìn)行了實(shí)車采集，通過名義損傷的對比，建立了試驗(yàn)場道路與用戶道路的當(dāng)量關(guān)系?；陔妱悠嚨挠脩粲猛灸繕?biāo)，構(gòu)建了電動汽車可靠性試驗(yàn)規(guī)范，通過對比關(guān)鍵通道的雨流分布和名義損傷 表明該可靠性試驗(yàn)規(guī)范較好地符合目標(biāo)用戶的實(shí)際使用情況，能夠指導(dǎo)電動汽車可靠性試驗(yàn)的進(jìn)行。
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