新能源汽車車載監(jiān)控終端壽命試驗研究及應(yīng)用

何鵬林，韓?濤，王宏策，馬?凱，付玉成，孫守富

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

新能源汽車車載監(jiān)控終端壽命試驗研究及應(yīng)用

何鵬林，韓?濤，王宏策，馬?凱，付玉成，孫守富

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

車載監(jiān)控終端是實現(xiàn)新能源汽車安全監(jiān)管的重要數(shù)據(jù)來源，因此對其在規(guī)定壽命周期內(nèi)的可靠性要求較高。為了能在較短時間內(nèi)對其壽命特性進行驗證，本文引入高溫壽命試驗、溫度循環(huán)壽命試驗以及穩(wěn)態(tài)濕熱壽命試驗等3類常用的耐環(huán)境可靠性試驗，通過對其數(shù)學(xué)模型進行分析，結(jié)合車載監(jiān)控終端的典型特征，制定相應(yīng)的差異化試驗方案，對其進行加速老化壽命試驗，以縮短試驗周期，提高試驗效率，降低試驗成本。

車載監(jiān)控終端；壽命試驗；可靠性；加速老化

“安全”是新能源汽車發(fā)展至今熱度依舊不減的話題。為了加強對新能源汽車安全運行的監(jiān)控，通過采集車輛工況實時數(shù)據(jù)，可有效降低或排除車輛運行潛在的安全隱患，確保消費者安全使用。2016年年底，中國發(fā)布并實施了“電動汽車遠程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范”系列標(biāo)準(zhǔn)，并要求所有新能源汽車安裝符合該標(biāo)準(zhǔn)的車載監(jiān)控終端。車載監(jiān)控終端通過CAN總線等方式采集車輛實時運行數(shù)據(jù)，將其進行存儲并通過GSM等方式上傳至管理平臺。車載監(jiān)控終端是實現(xiàn)新能源汽車安全監(jiān)管的數(shù)據(jù)來源，其重要性不言而喻，因而要求車載監(jiān)控終端在規(guī)定的生命周期內(nèi)可靠穩(wěn)定運行，對其壽命特征的研究尤為必要。標(biāo)準(zhǔn)要求車載監(jiān)控終端的最低壽命為5年，然而，在產(chǎn)品的實際開發(fā)驗證試驗中，無法耗費如此長的時間來驗證其壽命特性，這樣，不僅試驗周期很長，而且試驗成本較高，效率較低，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)及推廣應(yīng)用。為此，本文引入基于Arrhenius模型的高溫壽命試驗、基于Coffin-Manson模型的溫度循環(huán)壽命試驗以及基于Lawson模型的穩(wěn)態(tài)濕熱壽命試驗等3類常見的物理加速老化試驗，根據(jù)各類數(shù)學(xué)模型及車載監(jiān)控終端的典型特點，制定相應(yīng)試驗方案，在盡可能短的周期內(nèi)對車載監(jiān)控終端的壽命特性進行有效評估。

1 各類模型分析及試驗方法

1.1 Arrhenius模型分析及試驗方法

產(chǎn)品在實際使用時通常處于多個變化的溫度環(huán)境中，一般通過統(tǒng)計選取典型的若干個溫度點。Arrhenius模型是基于溫度應(yīng)力對產(chǎn)品壽命影響分析的數(shù)學(xué)模型，通常采用高溫試驗來進行產(chǎn)品的加速老化，某個溫度點下的加速因子算法如下

式中：EA——該產(chǎn)品失效反應(yīng)的活化能，eV，與產(chǎn)品特性相關(guān)，電子組件類產(chǎn)品的典型取值為0.45 eV；k——玻爾茲曼常數(shù)，取值為8.617×10-5eV/℃；TPruf——進行加速試驗時選用的加速溫度值，一般對應(yīng)產(chǎn)品的最高工作溫度或最高貯存溫度值；TFeld，i——產(chǎn)品在實際使用環(huán)境中選取的某個典型溫度值。

由此，可確定各個典型溫度值下的加速因子。在設(shè)計試驗時，可根據(jù)下式確定該產(chǎn)品最終加速老化試驗時間

式中：tPruf——加速老化試驗時間；tLife——產(chǎn)品設(shè)計壽命時間；Pi——產(chǎn)品實際使用環(huán)境溫度分布中該典型溫度值的統(tǒng)計分布值，一般用百分比表示。

1.2 Coffin-Manson模型分析及試驗方法

Coffin-Manson模型適用于溫度交變循環(huán)變化的加速試驗，其機理主要是利用溫度循環(huán)變化時產(chǎn)品不同材料熱膨脹系數(shù)的差異，強化其因溫度快速變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力對產(chǎn)品造成的機械失效、材料疲勞、材料變形等劣化影響。一般假定產(chǎn)品的失效符合威布爾分布。首先根據(jù)模型計算加速試驗的加速因子

式中：ACM——Coffin-Manson模型的加速因子；ΔTTest——加速試驗時一個溫度循環(huán)期間的溫度差，該差值原則上越大越好，但要根據(jù)產(chǎn)品具體的耐熱強度而定，可通過產(chǎn)品熱特性分析確定，通常取值為產(chǎn)品最高工作溫度Tmax與最低工作溫度Tmin之差；ΔTFeld——產(chǎn)品在設(shè)計壽命期間在實際工作環(huán)境下的平均溫差，通常為一個統(tǒng)計平均值；c——Coffin-Manson模型指數(shù)，與產(chǎn)品的材料特性相關(guān)，一般取值范圍為1～9，根據(jù)汽車工程經(jīng)驗，車載電子產(chǎn)品的典型取值為2.5。

加速試驗時，計算所需溫度循環(huán)總數(shù)的公式如下

式中：NPruf——設(shè)計溫度循環(huán)試驗時最少循環(huán)次數(shù)（理論上，循環(huán)次數(shù)越多，由溫度交變引起的產(chǎn)品內(nèi)部機械應(yīng)力越大，老化速度越快，加速效果越明顯，但試驗成本與周期也隨之增加，因此需要選擇一個最佳循環(huán)次數(shù)）；NTempZyklenFeld——產(chǎn)品在設(shè)計壽命期間在實際工作環(huán)境中經(jīng)歷的溫度循環(huán)次數(shù)，該值為統(tǒng)計值。

另外，基于Coffin-Manson模型的溫度交變加速老化試驗方法與試驗保持時間、溫變速率、風(fēng)速等試驗條件有關(guān)，這里不再贅述。典型的溫度交變加速試驗工況如圖1所示。

圖1 典型溫度交變循環(huán)加速試驗工況

1.3 Lawson模型分析及試驗方法

Lawson模型一般用于模擬車載電子電氣零部件在車輛停放時連續(xù)受實際環(huán)境平均濕熱應(yīng)力影響的加速試驗，通常采用穩(wěn)態(tài)濕熱試驗來進行加速老化。同樣，首先給出Lawson模型的加速因子算法

式中：AT/RH——某產(chǎn)品在車輛上實際環(huán)境的平均溫度、濕度下的加速因子，該溫度、濕度一般與產(chǎn)品在車輛上的安裝位置有關(guān)；EA——該產(chǎn)品失效反應(yīng)的活化能，與Arrhenius模型中取值一致；k——玻爾茲曼常數(shù)，取值為8.617×10-5eV/℃；TPruf——進行加速試驗時選用的加速溫度值，一般對應(yīng)產(chǎn)品的最高工作溫度或最高貯存溫度值；TFeldParken——車輛正常停放條件下產(chǎn)品安裝位置的平均溫度值，該值通常為統(tǒng)計值；b——常數(shù)，取值為5.57×10-4；RHPruf——加速試驗時定義的濕度值；RHFeldParken——車輛正常停放條件下產(chǎn)品安裝位置的平均濕度值，該值通常為統(tǒng)計值。

下面給出基于Lawson模型加速老化試驗時間的算法

式中：tPruf——加速老化試驗時間；tFeldParken——產(chǎn)品在設(shè)計壽命期間不工作的時間，一般取其極限值，即產(chǎn)品在其生命周期內(nèi)均不運行的情況。

2 車載監(jiān)控終端加速老化試驗應(yīng)用分析

本文以某安裝在新能源乘用車乘客艙位置的車載監(jiān)控終端為例進行分析。如前文所述，國家標(biāo)準(zhǔn)要求的車載監(jiān)控終端的最小壽命為5年。

2.1 基于Arrhenius模型加速試驗計算

假設(shè)平均每天的車輛使用時間為1.5 h，即車載監(jiān)控終端每天工作時間為1.5 h，因此，在車載監(jiān)控終端5年的設(shè)計壽命周期內(nèi)，其實際工作時間為2 737.5 h，即5（年）×365（天）×1.5 h，此為tLife的取值。設(shè)定加速老化試驗溫度值為最高工作溫度，即80℃。乘客艙典型溫度分布如表1所示，根據(jù)式（1）得出各個典型溫度值下的加速因子如表1所示。

由此，根據(jù)式（2）可計算得出該車載監(jiān)控終端基于Arrhenius模型的加速試驗時間為505.5 h。

2.2 基于Coffin-Manson模型加速試驗計算

假設(shè)該車載監(jiān)控終端的最高工作溫度Tmax為70℃，最低工作溫度Tmin為-30℃，工作環(huán)境平均溫差ΔTFeld為30℃，因此，ΔTTest為100℃，根據(jù)式（3）可得出Coffin-Manson模型加速因子約為20.28。

假定該車載監(jiān)控終端實際使用時在一天內(nèi)平均可能經(jīng)歷的溫度變化平均為2次，因此，在其設(shè)計壽命期間可能經(jīng)歷的溫度循環(huán)次數(shù)NTempZyklenFeld為3 650次，即：5（年）×365（天）×2次。根據(jù)式（4）可計算得出該車載監(jiān)控終端基于Coffin-Manson模型溫度交變循環(huán)次數(shù)NPruf為180。按照圖1所示的典型工況，選擇溫變速率為4℃/min的溫度箱進行試驗，計算得最終加速試驗時間約為270 h。

2.3 基于Lawson模型加速試驗計算

根據(jù)工程經(jīng)驗及相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，安裝在乘用車乘客艙的汽車零部件的平均相對濕度為60%RH，平均溫度為23℃，即TFeldParken為23℃，RHFeldParken為60%RH。為了在一定程度上加快老化速度，這里設(shè)定在溫度65℃、相對濕度95%RH下進行試驗，即TPruf為65℃，RHPruf為95%RH，根據(jù)式（5）可得出該條件下的Lawson模型加速因子為129.5。

如前文所述，這里默認(rèn)該車載監(jiān)控終端的不工作狀態(tài)時間即其設(shè)計壽命時間，即tFeldParken為5（年）×365（天）×24=43 800 h，根據(jù)式（6）可計算得出該車載監(jiān)控終端基于Lawson模型的加速試驗時間為338.2 h。

表1 典型溫度分布及其加速因子

3 試驗驗證

為了驗證文中基于3類模型的加速老化試驗方法的有效性，從一批鋁制殼體封裝的車載監(jiān)控終端樣品中隨機選取A、B、C 3個樣品分別按照3種加速方法進行加速老化試驗。為了進行試驗對比，3個試驗均選用規(guī)格性能參數(shù)相同的溫濕度箱，溫變速率可達到4℃/min，可滿足Coffin-Manson模型對溫變速率的要求；溫度范圍為-40～150℃，可覆蓋3類加速試驗的溫度要求；濕度范圍為10%RH～98%RH，可滿足Lawson模型對濕度范圍的要求，箱體的空間為1 m3。試驗前首先對3個樣品進行功能測試，其功能均處于ISO 16750-1規(guī)定的A級。

A產(chǎn)品在經(jīng)歷約506 h的Arrhenius高溫加速老化試驗后復(fù)測其功能，仍處于A級；B產(chǎn)品在經(jīng)歷約270 h的Coffin-Manson溫度交變加速老化試驗后復(fù)測其功能，仍處于A級；C產(chǎn)品在經(jīng)歷約339 h的Lawson穩(wěn)態(tài)濕熱加速老化試驗后復(fù)測其功能，仍處于A級。由此可見，在加速老化效果接近的前提下，基于Coffin-Manson模型的溫度交變加速老化試驗方法，耗時更短，成本更低。

4 結(jié)論

為了對車載監(jiān)控終端這一新能源汽車安全監(jiān)管關(guān)鍵部件的壽命進行評估，以確保其能在規(guī)定聲明周期內(nèi)可靠穩(wěn)定工作，本文通過引入基于Arrhenius模型的高溫壽命試驗、基于Coffin-Manson模型的溫度循環(huán)壽命試驗以及基于Lawson模型的穩(wěn)態(tài)濕熱壽命試驗等3類常見的物理加速老化試驗，在分析其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，制定相應(yīng)的試驗方案。通過試驗分析發(fā)現(xiàn)：在同等加速老化效果前提下，Coffin-Manson溫度交變加速老化試驗方法周期更短，更節(jié)省成本，有利于產(chǎn)品設(shè)計驗證與壽命評估。

［1］ GB/T 32960.2—2016，電動汽車遠程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范第2部分：車載終端［S］.

［2］ 林震，姜同敏，程永生，等.阿倫尼斯模型研究［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2005，23（6）：12-14.

［3］ 黃少堂，李敏華，付郁涵，等.汽車電子電氣零部件環(huán)境適應(yīng)性和可靠性驗證［J］.環(huán)境技術(shù)，2012（2）：28-32.

［4］ 曹耀龍，黃杰.電子組件溫度循環(huán)試驗研究［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2011，36（6）：487-491.

［5］ 趙帥帥，陳永祥，賈業(yè)寧，等.基于修正Coffin-Manson模型的加速壽命試驗設(shè)計與評估［J］.強度與環(huán)境，2013，40（4）：52-58.

［6］朱海峰，孫立.通信產(chǎn)品可靠性驗證試驗（RDT）方法研究［J］.通訊世界，2016（5）：111-112.

Research and Application on Life Test of on Board Monitoring Terminal for New Energy Vehicles

HE Peng-lin，HAN Tao，WANG Hong-ce，MA Kai，F(xiàn)U Yu-cheng，SUN Shou-fu
（China Automotive Technology And Research Center，Tianjin 300300，China）

The On Board Monitoring Terminal（OBMT） is a significant data source for implementation of safety monitoring for New Enery Vehicles（NEV）. Hence the reliability requirement of OBMT in its specified life cycle is supposed to be very high. To validate the life characteristics of OBMT in a shorter time，three types of universal environmental resistance reliability tests were introduced：high-temperature life test，cyclic temperature life test，steady humid heat life test. Based on analysis of each mathematical model，allowing for typical characteristic of OBMT，differential test procedures were made to conduct a series of accelerated aging life test. Thus，the test period can be shortened，test efficiency can be improved，test cost can be reduced.

OBMT；Life test；Reliability；Accelerated aging

U463.61

A

1003-8639（2017）11-0006-03

2017-07-21

何鵬林（1988-），男，甘肅武威人，工程師，碩士，研究方向為新能源汽車及其測試技術(shù)；韓濤（1987-），男，天津人，助理工程師，研究方向為新能源汽車及其測試技術(shù)；王宏策（1988-），男，河北石家莊人，助理工程師，碩士，研究方向為新能源汽車及其測試技術(shù)；馬凱（1992-），男，天津人，助理工程師，碩士，研究方向為新能源汽車及其測試技術(shù)；付玉成（1984-），男，遼寧海城人，助理工程師，研究方向為新能源汽車及其測試技術(shù)；孫守富（1988-），男，黑龍江齊齊哈爾人，助理工程師，研究方向為新能源汽車及其測試技術(shù)。

（編輯 凌 波）