BSG混合動(dòng)力控制器壽命測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方運(yùn)舟， 趙 韓， 彭慶豐， 尹安東

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241006）

BSG混合動(dòng)力控制器壽命測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方運(yùn)舟1，2， 趙 韓1， 彭慶豐1，2， 尹安東1

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241006）

BSG混合動(dòng)力控制器具有控制發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟／停以及電機(jī)管理功能。文章提出了一種BSG混合動(dòng)力控制器壽命測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，它包括基于中央控制計(jì)算機(jī)、發(fā)電模式測(cè)試臺(tái)架、電動(dòng)模式測(cè)試臺(tái)架、環(huán)境倉(cāng)等。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可調(diào)整性好，能夠在批量生產(chǎn)前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

混合動(dòng)力；混合動(dòng)力控制器；壽命測(cè)試

目前，高效、節(jié)能、環(huán)保的節(jié)能與新能源汽車已成為汽車行業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)?；旌蟿?dòng)力汽車因其兼有電動(dòng)車的低排放優(yōu)點(diǎn)與內(nèi)燃機(jī)汽車的高比能量?jī)?yōu)點(diǎn)而越來(lái)越受到關(guān)注，成為目前競(jìng)相研發(fā)的新型車輛之一［1－3］。

BSG（Belt Starter Generator）混合動(dòng)力控制器是BSG混合動(dòng)力汽車的核心控制單元，相當(dāng)于BSG汽車的“大腦”，其具有控制發(fā)動(dòng)機(jī)怠速自動(dòng)啟／停功能［4－6］和BSG電機(jī)的管理功能。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速自動(dòng)啟／停功能是指當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)，達(dá)到降低油耗和排放的目的；當(dāng)車輛自動(dòng)停機(jī)后，如果駕駛員執(zhí)行踩離合或換擋等有意識(shí)的起動(dòng)車輛的動(dòng)作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)又能快速自動(dòng)地起動(dòng)。BSG混合動(dòng)力車輛特別適用于城市工況，在城市工況下，BSG混合動(dòng)力車輛油耗可降低6%。同時(shí)BSG混合動(dòng)力控制器實(shí)現(xiàn)BSG電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和發(fā)電整流，采集整車運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)施控制策略。

根據(jù)混合動(dòng)力汽車零部件的可靠性要求，BSG混合動(dòng)力控制器使用壽命大于8a，為保證BSG混合動(dòng)力車的可靠性，需要測(cè)試、驗(yàn)證控制器的潛在壽命。加速老化試驗(yàn)方法是汽車電子產(chǎn)品常用的一種產(chǎn)品可靠性壽命測(cè)試方法。

加速老化的基本原理是通過(guò)模擬的試驗(yàn)環(huán)境和電氣負(fù)載，提高試驗(yàn)情況下產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力水平和電應(yīng)力水平，達(dá)到加速電子產(chǎn)品失效的目的，從而減少產(chǎn)品的試驗(yàn)周期。本文在保障加速老化和自然老化具有失效機(jī)理一致性、失效過(guò)程規(guī)律性和失效分布同一性的前提下，結(jié)合電子產(chǎn)品老化失效的“浴盆”曲線和阿倫尼斯模型，設(shè)計(jì)一套測(cè)試系統(tǒng)將控制器置于高濕度和高低溫溫度循環(huán)的環(huán)境中，控制器的供電電壓在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)波動(dòng)，進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)對(duì)控制器一個(gè)相對(duì)較短時(shí)間的測(cè)試，能夠估算出控制器的潛在工作壽命。在該種被控模擬試驗(yàn)工況下，控制器要接受1 000h的溫度／濕度／供電電壓的循環(huán)測(cè)試，可以等同于在車上正常使用10a。

本文僅針對(duì)BSG混合動(dòng)力控制器基于加速老化理論和基于阿倫尼斯壽命模型的壽命測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不涉及耐壓、爬電距離、浪涌、絕緣、電磁干擾等電氣性能試驗(yàn)，對(duì)于電氣性能試驗(yàn)將在產(chǎn)品的電氣性能試驗(yàn)中完成，本文不做論述。

1 理論分析

根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，元器件和設(shè)備的失效率隨時(shí)間變化的曲線呈“浴盆”的形狀，如圖1所示。

圖1 故障率盆浴曲線圖

阿倫尼斯（Arrhenius）壽命－應(yīng)力模型為：

其中，Aθ為加速因子；θn為正常溫度下壽命值；θa為加速溫度下壽命值；Ea（Activation Energy）為活化能（一般電子零件在壯年期活化能值趨近1）；K為波茲曼常數(shù)，即8.623×10－5；Tn為產(chǎn)品正常操作溫度；Ta為加速試驗(yàn)溫度。

Hallberg－Peck濕度加速模型為：

其中，AR為濕度加速因子；Rstress為應(yīng)力條件下的相對(duì)濕度；Ruse為使用條件下的相對(duì)濕度；n為濕度的加速率常數(shù)，介于2～3之間。根據(jù)以上模型可計(jì)算出：AR＝（0.95／0.80）2＝1.41。

在特定溫度、濕度環(huán)境下，其綜合加速因子為：

若取10件產(chǎn)品于500℃下做加速壽命試驗(yàn)，其失效時(shí)間分別為1 000、1 020、1 050、1 100、1 080、1 010、1 090、1 120、1 130、1 100h，其正常操作溫度為25℃，則θn算法如下：

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

BSG混合動(dòng)力控制器壽命測(cè)試系統(tǒng)是完全模擬真實(shí)BSG混合動(dòng)力車上的工作條件而設(shè)計(jì)的，測(cè)試系統(tǒng)能夠模擬控制器外部工作條件讓控制器工作在發(fā)電模式和電動(dòng)模式下，并對(duì)被測(cè)試控制器的運(yùn)行狀態(tài)和失效模式進(jìn)行監(jiān)控和記錄。

BSG混合動(dòng)力控制器壽命測(cè)試系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)可分為4部分，即發(fā)電模式測(cè)試臺(tái)架、電動(dòng)模式測(cè)試臺(tái)架和中央控制計(jì)算機(jī)及環(huán)境倉(cāng)，如圖2所示。發(fā)電模式測(cè)試臺(tái)架模擬BSG混合動(dòng)力控制器發(fā)電模式的外圍測(cè)試條件；電動(dòng)模式測(cè)試臺(tái)架模擬BSG混合動(dòng)力控制器電動(dòng)模式的外圍測(cè)試條件；中央控制計(jì)算機(jī)（可裝在發(fā)電模式臺(tái)架上）實(shí)現(xiàn)對(duì)整套測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的控制和監(jiān)測(cè)；環(huán)境倉(cāng)為控制器測(cè)試提供溫度和濕度的測(cè)試條件。在測(cè)試系統(tǒng)中共有10套BSG控制器同時(shí)接受壽命測(cè)試，其中5套BSG系統(tǒng)工作在發(fā)電模式下，5套BSG系統(tǒng)工作在電動(dòng)模式下。在測(cè)試過(guò)程中，這10套BSG控制器被放置在環(huán)境倉(cāng)中，通過(guò)電纜與2個(gè)臺(tái)架分別相連。中央控制計(jì)算機(jī)通過(guò)電纜分別控制5套控制器及發(fā)電模式臺(tái)架，另外5套控制器及電動(dòng)模式臺(tái)架，同時(shí)控制環(huán)境倉(cāng)進(jìn)行高低溫溫度循環(huán)和設(shè)定惡劣的濕度條件。

圖2 BSG混合動(dòng)力控制器壽命測(cè)試系統(tǒng)框圖

2.1 發(fā)電模式測(cè)試臺(tái)架

發(fā)電模式測(cè)試臺(tái)架主要模擬車上BSG電機(jī)及控制器的發(fā)電工況，如圖3所示。在發(fā)電模式臺(tái)架中，大功率交流電機(jī)通過(guò)皮帶輪耦合到主軸上，在主軸上同時(shí)掛5套BSG電機(jī)，大功率交流電機(jī)與BSG電機(jī)之間速比為1∶2.5。在工作時(shí)，大功率交流電機(jī)同時(shí)拖動(dòng)5個(gè)BSG電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，通過(guò)BSG控制器整流后，由安裝在發(fā)電臺(tái)架上的功率電阻消耗掉，實(shí)現(xiàn)對(duì)BSG混合動(dòng)力控制器發(fā)電模式的測(cè)試。中央控制計(jì)算機(jī)控制連接到每一個(gè)BSG控制器直流側(cè)的功率電阻大小，實(shí)現(xiàn)模擬每個(gè)工作在發(fā)電模式下的BSG控制器直流母線的負(fù)載大小。

圖3 發(fā)電模式測(cè)試臺(tái)架

2.2 電動(dòng)模式測(cè)試臺(tái)架

電動(dòng)模式測(cè)試臺(tái)架主要模擬車上BSG電機(jī)及控制器啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，如圖4所示。

圖4 電動(dòng)模式測(cè)試臺(tái)架

在電動(dòng)模式測(cè)試臺(tái)架中，5套BSG電機(jī)通過(guò)主軸與磁滯剎車相耦合。磁滯剎車能夠輸出一定的阻力扭矩，用于模擬BSG電機(jī)在混合動(dòng)力車上啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載特性。大功率程控電源模擬車上的蓄電池，為BSG控制器驅(qū)動(dòng)BSG電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)提供電能。在電動(dòng)模式臺(tái)架上，BSG控制器和BSG電機(jī)之間通過(guò)接口箱進(jìn)行連接；中央控制計(jì)算機(jī)控制5套BSG控制器模擬啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程，逐個(gè)進(jìn)行電動(dòng)模式測(cè)試。同時(shí)中央控制計(jì)算機(jī)控制磁滯剎車輸出一定的阻力扭矩模擬每臺(tái)BSG電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載。

2.3 中央控制計(jì)算機(jī)

中央控制計(jì)算機(jī)通過(guò)內(nèi)嵌LabVIEW軟件［7－8］，分別控制被測(cè)BSG控制器在發(fā)電模式下和電動(dòng)模式下工作，以及在2種工作模式下的負(fù)載特性，并監(jiān)控測(cè)試過(guò)程中BSG控制器的主要特性參數(shù)和主要失效模式。中央控制計(jì)算機(jī)控制BSG控制器通過(guò)BSG控制器接口箱進(jìn)行數(shù)字量和模擬量的輸入輸出端口壽命測(cè)試，并記錄每個(gè)BSG控制器輸入輸出通道的工作狀態(tài)和失效狀態(tài)。中央控制計(jì)算機(jī)通過(guò)通訊接口設(shè)定環(huán)境倉(cāng)的溫度和濕度特性，為BSG控制器測(cè)試提供一個(gè)相對(duì)惡劣的測(cè)試環(huán)境。中央控制計(jì)算機(jī)通過(guò)預(yù)先存儲(chǔ)的測(cè)試序列對(duì)BSG控制器的電動(dòng)模式、發(fā)電模式和控制器的輸入輸出口進(jìn)行壽命測(cè)試。

2.4 環(huán)境倉(cāng)

環(huán)境倉(cāng)主要模擬BSG控制器在實(shí)際使用中所處的氣候環(huán)境，如溫度和濕度，可以模擬實(shí)際應(yīng)用時(shí)遇到的夏季的酷熱、冬季的嚴(yán)寒、雨天的潮濕等惡劣氣候環(huán)境。在測(cè)試過(guò)程中，按照中央控制計(jì)算機(jī)的控制要求［9］，環(huán)境倉(cāng)提供一種高低溫交變、高濕度的極端惡劣測(cè)試環(huán)境，為置于其中的BSG控制器提供一種加速老化的測(cè)試環(huán)境，如圖5所示。

圖5 環(huán)境倉(cāng)的溫度和濕度變化特性曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的BSG混合動(dòng)力控制器壽命測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，所有系統(tǒng)的設(shè)置均可以由中央控制計(jì)算機(jī)通過(guò)程控來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有很好的可配置性，同時(shí)能夠可靠地記錄全部測(cè)試數(shù)據(jù)。所采取的加速老化測(cè)試方案設(shè)計(jì)的控制器壽命測(cè)試系統(tǒng)，能夠在產(chǎn)品正式使用前預(yù)估產(chǎn)品的潛在使用壽命，發(fā)現(xiàn)被測(cè)試控制器的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

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Design of life test system of BSG hybrid control unit

FANG Yun－zhou1，2， ZHAO Han1， PENG Qing－feng1，2， YIN An－dong1

（1.School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Chery Automotive Co.，Ltd.，Wuhu 241006，China）

BSG hybrid control unit（HCU）has the functions such as automatic stop／start of the engine and motor controlling.A design scheme of the life test system of BSG HCU is introduced，which includes the central control computer，generating mode rack，motor－driven mode rack，and environmental chamber，etc.The system has simple structure and well adjustability，and it can find the potential risk before mass production.

hybrid power；hybrid control unit（HCU）；life test

U469.72

A

1003－5060（2012）11－1441－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.11.001

2012－05－07；

2012－06－19

國(guó)家“863”節(jié)能與新能源汽車重大資助項(xiàng)目（2011AA11A202）；安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（1208085ME78）

方運(yùn)舟（1975－），男，安徽桐城人，合肥工業(yè)大學(xué)博士生，奇瑞汽車有限公司高級(jí)工程師；

趙 韓（1957－），男，安徽滁州人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 張 镅）