整車電器安全性關(guān)鍵技術(shù)研究

茍榮非,蔡 恒，王 強(qiáng)，毛葉平，龍昭燈

（重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司 長(zhǎng)安汽車工程研究院，重慶 401120）

隨著車輛智能化、信息化和電動(dòng)化的發(fā)展，汽車電器及其新技術(shù)在整車上得到加速應(yīng)用，電器之間的信號(hào)交互也越來越密切，汽車電器系統(tǒng)也越來越復(fù)雜。但隨之而來的電器安全性問題則日益突出，而機(jī)動(dòng)車自身原因?qū)е碌能囕v火災(zāi)中75%由電器導(dǎo)致，整車故障40%由汽車電器所導(dǎo)致，電器產(chǎn)品的安全性直接影響了用戶體驗(yàn)。

目前在國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)內(nèi)，缺少車輛起火機(jī)理和燃燒痕跡的研究，缺乏對(duì)車輛過熱風(fēng)險(xiǎn)的先期識(shí)別和設(shè)計(jì)規(guī)避能力，給車輛造成較大的安全隱患。同時(shí)，電器部件的可靠性及電磁兼容缺乏系統(tǒng)性解決方案，對(duì)射頻距離近、射頻通信成功率低、強(qiáng)電流電磁干擾抑制能力不足等難點(diǎn)問題，也缺少有效的控制技術(shù)，這些都給整車電器系統(tǒng)的安全性提升造成阻礙。

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(gè)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(diǎn)，形成了切實(shí)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(duì)車輛上某些功能或性能失效不能做到快速識(shí)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(shí)別這樣的極端安全風(fēng)險(xiǎn)，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(yàn)驗(yàn)證體系的基礎(chǔ)上，針對(duì)已驗(yàn)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(cè)試，驗(yàn)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(jí)車輛過熱設(shè)計(jì)預(yù)防控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

圖2 拓?fù)溥^熱技術(shù)研究架構(gòu)

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(duì)于新出現(xiàn)的問題，則需要依靠過熱痕跡的分析能力，對(duì)新的過熱失效模式進(jìn)行挖掘，通過車輛火災(zāi)的實(shí)車燃燒模擬分析，探究車輛火災(zāi)燃燒痕跡蔓延趨勢(shì)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(duì)起火點(diǎn)有指向意義的分析方法和過熱風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)評(píng)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(chǎng)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(yàn)評(píng)價(jià)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3 車輛鈑金變色痕跡研究

圖4 整車過熱試驗(yàn)評(píng)價(jià)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(jì)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(jì)和匹配難度越來越大。通過對(duì)國(guó)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(chǎng)強(qiáng)水平的研究分析 （表1），完成了惡劣電磁環(huán)境對(duì)車用射頻電器部件的干擾評(píng)估。

同時(shí)，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(jì)算模型，得到天線的最佳樣式和尺寸，如圖5、6所示。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(píng)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(yàn)驗(yàn)證整車模型的精確度，如圖7、圖8所示，該技術(shù)可在項(xiàng)目開發(fā)前期完成相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的驗(yàn)證評(píng)估。

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(shí)別，成為影響整車電器安全的潛在風(fēng)險(xiǎn)源，行業(yè)內(nèi)的電磁兼容仿真精度不高，與實(shí)車狀況差異較大。同時(shí)如點(diǎn)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，提出了一種基于寄生參數(shù)建模的整車系統(tǒng)級(jí)電磁兼容仿真分析技術(shù)，對(duì)點(diǎn)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(diǎn)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(cè)試和仿真結(jié)果，驗(yàn)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(diǎn)火系統(tǒng)EMI特性的多參數(shù)仿真模型 （圖9），為點(diǎn)火系統(tǒng)的EMI抑制措施的確定提供了指導(dǎo)。

基于多參數(shù)優(yōu)化，有效降低了點(diǎn)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(dòng)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%。

表1 典型惡劣電磁環(huán)境頻帶范圍及場(chǎng)強(qiáng)分布

圖5 仿真優(yōu)化天線的增益

圖6 高精度整車模型

圖7 RKE天線最佳位置仿真

圖8 TPMS天線最佳位置仿真

3 整車電器架構(gòu)到制造風(fēng)險(xiǎn)控制的連接系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

連接系統(tǒng)故障頻發(fā)，以往簡(jiǎn)單地歸結(jié)于供應(yīng)商的制造水平差，掩蓋了線束設(shè)計(jì)方面的缺陷，導(dǎo)致連接系統(tǒng)可靠性提升乏力。

針對(duì)這一難題，一方面提出了基于制造的線束設(shè)計(jì)方法，從效率提升、過程防呆、過程保護(hù)、物料匹配4個(gè)方面，解決了線束在制造過程中的可靠性控制難題 （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(shí)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(yàn)收方法，物料選配的技術(shù)要求，具備了對(duì)線束制造可靠性的評(píng)估能力。

圖9 點(diǎn)火組件的寄生參數(shù)提取及等效電路模型驗(yàn)證

圖10 點(diǎn)火系統(tǒng)EMI抑制效果

圖11 基于制造的線束設(shè)計(jì)方法研究范疇

另一方面，由于汽車電路是多回路并聯(lián)結(jié)構(gòu)，單個(gè)回路的連接功能失效，會(huì)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(jì)及驗(yàn)證體系，無法通過單個(gè)的失效點(diǎn)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(xiǎn)。為此，建立了整車電路模型仿真能力 （圖12），實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jì)的安全與可靠性，解決了偶發(fā)性功能失效識(shí)別困難的問題。

圖12 系統(tǒng)功能仿真流程及實(shí)例

4 基于性能目標(biāo)的部件-系統(tǒng)-整車三級(jí)電器硬件可靠性設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)和驗(yàn)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(jì)理念，設(shè)計(jì)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(jì)；③缺乏設(shè)計(jì)審查方法，無標(biāo)準(zhǔn)要求或部分設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在缺陷；④目標(biāo)驗(yàn)證體系不全，缺乏針對(duì)安全與可靠性的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，缺少整車電器安全與可靠性的實(shí)車驗(yàn)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(jí)閉環(huán)電器安全與可靠性開發(fā)和驗(yàn)證技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)、驗(yàn)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：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(jí)的閉環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證體系；③基于客戶體驗(yàn)，建立專業(yè)電器性能主觀評(píng)價(jià)能力；④設(shè)計(jì)審查和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；⑤生產(chǎn)一致性檢查；⑥道路試驗(yàn)驗(yàn)證。綜合多物理場(chǎng)耦合的車燈設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)例如圖14所示。

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(jì)-驗(yàn)證-生產(chǎn)全過程控制體系，將項(xiàng)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。

圖13 電器安全與可靠性保障體系

圖14 綜合多物理場(chǎng)耦合的車燈設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)例

5 結(jié)論

本文通過對(duì)影響整車電器安全的4大關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行深入分析和研究，獲取了車輛過熱、電磁兼容、連接系統(tǒng)可靠性、電器部件可靠性的控制方法。

基于過熱拓?fù)浼夹g(shù)研究和燃燒痕跡分析技術(shù)，建立了整車級(jí)過熱試驗(yàn)評(píng)價(jià)能力，形成涵蓋設(shè)計(jì)-制造-驗(yàn)證-售后全過程的車輛過熱管控優(yōu)化集成體系，解決車輛過熱隱患難預(yù)防、難控制的問題。

基于寄生參數(shù)建模的整車系統(tǒng)級(jí)電磁兼容仿真分析技術(shù)，搭建起各關(guān)聯(lián)器件的高頻電路模型，仿真精度達(dá)到±3 dB，應(yīng)用點(diǎn)火系統(tǒng)和電動(dòng)車專用動(dòng)力器件等強(qiáng)干擾源的多參數(shù)電磁兼容仿真模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整車強(qiáng)電磁干擾源的有效抑制。

基于制造的線束設(shè)計(jì)方法，從效率提升、過程防呆、過程保護(hù)、物料匹配4個(gè)方面，解決了線束在制造過程中的可靠性控制難題。并借助整車電路模型仿真能力的建立，實(shí)現(xiàn)了對(duì)功能邏輯、潛藏回路、導(dǎo)線載荷的仿真分析，解決了偶發(fā)性功能失效識(shí)別困難的問題。

基于電器安全與可靠性設(shè)計(jì)驗(yàn)收體系，對(duì)電器零部件從設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、生產(chǎn)和售后的全過程和全方位進(jìn)行管控。