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整車電器安全性關(guān)鍵技術(shù)研究
2021-11-13 18:26:49· 來源：一覽眾車
作者：茍榮非，蔡恒，王強(qiáng)，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本文從車輛過熱、電磁兼容、連接系統(tǒng)可靠性和電器部件可靠性4個方面（
作者：茍榮非，蔡恒，王強(qiáng)，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
本文從車輛過熱、電磁兼容、連接系統(tǒng)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(tǒng)安全性控制的關(guān)鍵技術(shù)，并通過自主研究工作，突破了提升車輛安全性技術(shù)難點，形成了切實有效的管控體系。
圖1 整車電器系統(tǒng)安全控制總體思路
1. 基于拓?fù)溥^熱技術(shù)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(xù)使用，往往誘發(fā)車輛安全事故的發(fā)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(fēng)險，我們提出了拓?fù)溥^熱技術(shù)的概念。
拓?fù)溥^熱技術(shù) （圖2）是在傳統(tǒng)試驗驗證體系的基礎(chǔ)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(dǎo)致的基本原理，在失效模式的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行測試，驗證其是否具備從部件-系統(tǒng)失效到整車過熱的拓?fù)湫?yīng)產(chǎn)生機(jī)理，形成部件-系統(tǒng)-整車的三級車輛過熱設(shè)計預(yù)防控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。
過熱拓?fù)浼夹g(shù)研究，解釋了已有車輛過熱的發(fā)生機(jī)理，而對于新出現(xiàn)的問題，貝則需要依靠過熱痕跡的分析能力，對新的過熱失效模式進(jìn)行挖掘，通過車輛火災(zāi)的實車燃燒模擬分析，探究車輛火災(zāi)燃燒痕跡壹延趨勢及在各零部件上呈現(xiàn)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(fēng)險試驗評估能力。繼而建立標(biāo)準(zhǔn)，提出了程序化的車輛火災(zāi)現(xiàn)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(yīng)用。
圖4 整車過熱試驗評價體系
2. 電磁兼容系統(tǒng)仿真
2.1 面向車內(nèi)外復(fù)雜電磁環(huán)境的車載射頻通信鏈路計算模型
基于射頻通信技術(shù)的產(chǎn)品和系統(tǒng)日益增加，而通信頻段卻是固定的、有限的，導(dǎo)致車載射頻通信性能設(shè)計和匹配難度越來越大。通過對國內(nèi)主要大城市和氣候特殊城市惡劣電磁環(huán)境的主要電磁干擾頻段與場強(qiáng)水平的研究分析 （表 1），完成了惡劣電磁環(huán)境對車用射頻電器部件的干擾評估。
同時，車載RF系統(tǒng)中發(fā)射天線和接收天線將高頻電流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為高頻電流，所以天線性能的好壞直接影響車載RF系統(tǒng)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。
圖5 仿真優(yōu)化天線的增益
圖6 高精度整車模型
天線的整車布置位置和姿態(tài)直接決定系統(tǒng)通信性能，在產(chǎn)品開發(fā)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(xì)程度決定仿真的精度，通過Hypermesh、 Matlab和HFSS多軟件聯(lián)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(shù)可在項目開發(fā)前期完成相關(guān)風(fēng)險的驗證評估。
圖7 RKE天線最佳位置仿真
圖8 TPMS天線最佳位置仿真
2.2 基于寄生參數(shù)提取的電磁兼容建模技術(shù)
現(xiàn)有的整車電磁干擾問題往往很難在整車量產(chǎn)前被識別，成為影響整車電器安全的潛在風(fēng)險源，行業(yè)內(nèi)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(tǒng)這類強(qiáng)電磁干擾源，其在工作過程中所形成的高強(qiáng)度和寬頻帶的電磁騷擾以傳導(dǎo)和輻射耦合的方式嚴(yán)重影響著車內(nèi)電器設(shè)備的正常工作。
為解決這一難題，提出了—種基干寄生參數(shù)建模的整車系統(tǒng)級電磁兼容仿真分析技術(shù)，對點火系統(tǒng)等強(qiáng)干擾源進(jìn)行有效抑制。該技術(shù)通過提取點火系統(tǒng)各組件的寄生參數(shù)，建立組件的等效電路模型，用等效阻抗的測試和仿真結(jié)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(tǒng)EMI特性的多參數(shù)仿真模型（圖9），為點火系統(tǒng)的EMI抑制措施的確定提供了指導(dǎo)。
圖9 點火組件的寄生參數(shù)提取及等效電路模型驗證
基于多參數(shù)優(yōu)化，有效降低了點火系統(tǒng)電磁干擾抑制技術(shù)應(yīng)用于整車后，有效降低常規(guī)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(guī)的一次性通過率從0提升到100%。
圖10 點火系統(tǒng)EMI抑制效果
3. 整車電器架構(gòu)到制造風(fēng)險控制的連接系統(tǒng)化設(shè)計方法和驗收標(biāo)準(zhǔn)
連接系統(tǒng)故障頻發(fā)，以往簡單地歸結(jié)于供應(yīng)商的制造水平差，掩蓋了線束設(shè)計方面的缺陷，導(dǎo)致連接系統(tǒng)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(shè)計方法，從效率提升、過程防呆、過程保護(hù)、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）。
圖11
通過研究影響工人裝配效率的過程因素;分析生產(chǎn)過寸程中易導(dǎo)致產(chǎn)品損傷的環(huán)節(jié);建立物料管理系統(tǒng)，實現(xiàn)線束制造過程的可靠性提升。并建立供應(yīng)商制造工裝、工序的驗收方法，物料選配的技術(shù)要求，具備了對線束制造可靠性的評估能力。
另一方面，由于汽車電路是多回路并聯(lián)結(jié)構(gòu)，單個回路的連接功能失效，會通過潛藏回路串聯(lián)到其它電路，形成新的通路。而傳統(tǒng)的電路設(shè)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(fēng)險。
圖12 系統(tǒng)功能仿真流程及實例
為此，建立了整車電路模型仿真能力 （圖12），實現(xiàn)了對功能邏輯、潛藏回路、導(dǎo)線載荷的仿真分析，提高了整車電路設(shè)計的安全與可靠性，解決了偶發(fā)性功能失效識別困難的問題。
4. 基于性能目標(biāo)的部件-系統(tǒng)-整車三級電器硬件可靠性設(shè)計評價和驗收標(biāo)準(zhǔn)
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(shè)計理念，設(shè)計階段目標(biāo)分解不透徹;
②產(chǎn)品開發(fā)前期仿真能力不足，無法基于目標(biāo)開展精準(zhǔn)設(shè)計;
③缺乏設(shè)計審查方法，無標(biāo)準(zhǔn)要求或部分設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)存在缺陷;
④目標(biāo)驗證體系不全，缺乏針對安全與可靠性的試驗標(biāo)準(zhǔn)，缺少整車電器安全與可靠性的實車驗證，導(dǎo)致初期故障率高。
為此，研究出一套基于性能目標(biāo)的部件-系統(tǒng)-整車三級閉環(huán)電器安全與可靠性開發(fā)和驗證技術(shù)，對設(shè)計、驗證、生產(chǎn)、售后各環(huán)節(jié)提出具體的管控內(nèi)容 （圖13），該技術(shù)包括下述幾方面的主要內(nèi)容：
圖13 電器安全與可靠性保障體系
①合理設(shè)置、分解電器可靠性目標(biāo)；
②建立部件/系統(tǒng)/整車三級的閉環(huán)試驗驗證體系；
③基于客戶體驗，建立專業(yè)電器性能主觀評價能力;
④設(shè)計審查和驗收標(biāo)準(zhǔn);
⑤生產(chǎn)—致性檢查;
⑥道路試驗驗證。
綜合多物理場耦合的車燈設(shè)計驗證實例如圖14所示。
圖14 綜合多物理場耦合的車燈設(shè)計驗證實例
通過以上一系列的措施，建立了電器產(chǎn)品從目標(biāo)分解-設(shè)計-驗證-生產(chǎn)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(tǒng)的電器性能和可靠性。
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