BSG混合动力控制器寿命测试系统设计

方运舟， 赵 韩， 彭庆丰， 尹安东

（1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；2.奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241006）

BSG混合动力控制器寿命测试系统设计

方运舟1，2， 赵 韩1， 彭庆丰1，2， 尹安东1

（1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；2.奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241006）

BSG混合动力控制器具有控制发动机怠速启／停以及电机管理功能。文章提出了一种BSG混合动力控制器寿命测试系统的设计方案，它包括基于中央控制计算机、发电模式测试台架、电动模式测试台架、环境仓等。该系统结构简单，可调整性好，能够在批量生产前发现产品的潜在风险。

混合动力；混合动力控制器；寿命测试

目前，高效、节能、环保的节能与新能源汽车已成为汽车行业发展新趋势。混合动力汽车因其兼有电动车的低排放优点与内燃机汽车的高比能量优点而越来越受到关注，成为目前竞相研发的新型车辆之一［1－3］。

BSG（Belt Starter Generator）混合动力控制器是BSG混合动力汽车的核心控制单元，相当于BSG汽车的“大脑”，其具有控制发动机怠速自动启／停功能［4－6］和BSG电机的管理功能。发动机怠速自动启／停功能是指当发动机怠速时，发动机自动停机，达到降低油耗和排放的目的；当车辆自动停机后，如果驾驶员执行踩离合或换挡等有意识的起动车辆的动作时，发动机又能快速自动地起动。BSG混合动力车辆特别适用于城市工况，在城市工况下，BSG混合动力车辆油耗可降低6%。同时BSG混合动力控制器实现BSG电机的驱动和发电整流，采集整车运行状态，实施控制策略。

根据混合动力汽车零部件的可靠性要求，BSG混合动力控制器使用寿命大于8a，为保证BSG混合动力车的可靠性，需要测试、验证控制器的潜在寿命。加速老化试验方法是汽车电子产品常用的一种产品可靠性寿命测试方法。

加速老化的基本原理是通过模拟的试验环境和电气负载，提高试验情况下产品的环境应力水平和电应力水平，达到加速电子产品失效的目的，从而减少产品的试验周期。本文在保障加速老化和自然老化具有失效机理一致性、失效过程规律性和失效分布同一性的前提下，结合电子产品老化失效的“浴盆”曲线和阿伦尼斯模型，设计一套测试系统将控制器置于高湿度和高低温温度循环的环境中，控制器的供电电压在一个很宽的范围内进行循环波动，进行测试。通过对控制器一个相对较短时间的测试，能够估算出控制器的潜在工作寿命。在该种被控模拟试验工况下，控制器要接受1 000h的温度／湿度／供电电压的循环测试，可以等同于在车上正常使用10a。

本文仅针对BSG混合动力控制器基于加速老化理论和基于阿伦尼斯寿命模型的寿命测试系统进行设计，不涉及耐压、爬电距离、浪涌、绝缘、电磁干扰等电气性能试验，对于电气性能试验将在产品的电气性能试验中完成，本文不做论述。

1 理论分析

根据大量的试验数据统计分析，元器件和设备的失效率随时间变化的曲线呈“浴盆”的形状，如图1所示。

图1 故障率盆浴曲线图

阿伦尼斯（Arrhenius）寿命－应力模型为：

其中，Aθ为加速因子；θn为正常温度下寿命值；θa为加速温度下寿命值；Ea（Activation Energy）为活化能（一般电子零件在壮年期活化能值趋近1）；K为波兹曼常数，即8.623×10－5；Tn为产品正常操作温度；Ta为加速试验温度。

Hallberg－Peck湿度加速模型为：

其中，AR为湿度加速因子；Rstress为应力条件下的相对湿度；Ruse为使用条件下的相对湿度；n为湿度的加速率常数，介于2～3之间。根据以上模型可计算出：AR＝（0.95／0.80）2＝1.41。

在特定温度、湿度环境下，其综合加速因子为：

若取10件产品于500℃下做加速寿命试验，其失效时间分别为1 000、1 020、1 050、1 100、1 080、1 010、1 090、1 120、1 130、1 100h，其正常操作温度为25℃，则θn算法如下：

2 系统结构及工作原理

BSG混合动力控制器寿命测试系统是完全模拟真实BSG混合动力车上的工作条件而设计的，测试系统能够模拟控制器外部工作条件让控制器工作在发电模式和电动模式下，并对被测试控制器的运行状态和失效模式进行监控和记录。

BSG混合动力控制器寿命测试系统按照结构可分为4部分，即发电模式测试台架、电动模式测试台架和中央控制计算机及环境仓，如图2所示。发电模式测试台架模拟BSG混合动力控制器发电模式的外围测试条件；电动模式测试台架模拟BSG混合动力控制器电动模式的外围测试条件；中央控制计算机（可装在发电模式台架上）实现对整套测试系统运行状态的控制和监测；环境仓为控制器测试提供温度和湿度的测试条件。在测试系统中共有10套BSG控制器同时接受寿命测试，其中5套BSG系统工作在发电模式下，5套BSG系统工作在电动模式下。在测试过程中，这10套BSG控制器被放置在环境仓中，通过电缆与2个台架分别相连。中央控制计算机通过电缆分别控制5套控制器及发电模式台架，另外5套控制器及电动模式台架，同时控制环境仓进行高低温温度循环和设定恶劣的湿度条件。

图2 BSG混合动力控制器寿命测试系统框图

2.1 发电模式测试台架

发电模式测试台架主要模拟车上BSG电机及控制器的发电工况，如图3所示。在发电模式台架中，大功率交流电机通过皮带轮耦合到主轴上，在主轴上同时挂5套BSG电机，大功率交流电机与BSG电机之间速比为1∶2.5。在工作时，大功率交流电机同时拖动5个BSG电机运转发电，通过BSG控制器整流后，由安装在发电台架上的功率电阻消耗掉，实现对BSG混合动力控制器发电模式的测试。中央控制计算机控制连接到每一个BSG控制器直流侧的功率电阻大小，实现模拟每个工作在发电模式下的BSG控制器直流母线的负载大小。

图3 发电模式测试台架

2.2 电动模式测试台架

电动模式测试台架主要模拟车上BSG电机及控制器启动发动机的工况，如图4所示。

图4 电动模式测试台架

在电动模式测试台架中，5套BSG电机通过主轴与磁滞刹车相耦合。磁滞刹车能够输出一定的阻力扭矩，用于模拟BSG电机在混合动力车上启动时发动机负载特性。大功率程控电源模拟车上的蓄电池，为BSG控制器驱动BSG电机运转提供电能。在电动模式台架上，BSG控制器和BSG电机之间通过接口箱进行连接；中央控制计算机控制5套BSG控制器模拟启动发动机的过程，逐个进行电动模式测试。同时中央控制计算机控制磁滞刹车输出一定的阻力扭矩模拟每台BSG电机启动时的发动机负载。

2.3 中央控制计算机

中央控制计算机通过内嵌LabVIEW软件［7－8］，分别控制被测BSG控制器在发电模式下和电动模式下工作，以及在2种工作模式下的负载特性，并监控测试过程中BSG控制器的主要特性参数和主要失效模式。中央控制计算机控制BSG控制器通过BSG控制器接口箱进行数字量和模拟量的输入输出端口寿命测试，并记录每个BSG控制器输入输出通道的工作状态和失效状态。中央控制计算机通过通讯接口设定环境仓的温度和湿度特性，为BSG控制器测试提供一个相对恶劣的测试环境。中央控制计算机通过预先存储的测试序列对BSG控制器的电动模式、发电模式和控制器的输入输出口进行寿命测试。

2.4 环境仓

环境仓主要模拟BSG控制器在实际使用中所处的气候环境，如温度和湿度，可以模拟实际应用时遇到的夏季的酷热、冬季的严寒、雨天的潮湿等恶劣气候环境。在测试过程中，按照中央控制计算机的控制要求［9］，环境仓提供一种高低温交变、高湿度的极端恶劣测试环境，为置于其中的BSG控制器提供一种加速老化的测试环境，如图5所示。

图5 环境仓的温度和湿度变化特性曲线

3 结束语

本文所设计的BSG混合动力控制器寿命测试系统结构紧凑，所有系统的设置均可以由中央控制计算机通过程控来实现，具有很好的可配置性，同时能够可靠地记录全部测试数据。所采取的加速老化测试方案设计的控制器寿命测试系统，能够在产品正式使用前预估产品的潜在使用寿命，发现被测试控制器的潜在风险。

［1］王秉刚.2010高技术发展报告［R］.北京：中国科学院，2010.

［2］陈全世.先进电动汽车技术［M］.北京：化学工业出版社，2007：22－40.

［3］尹安东，赵 韩.混合动力客车动力系统综合参数正交优化与应用［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2010，33（3）：341－345.

［4］叶先军，赵 韩，张炳力，等.BSG混合动力轿车动力系统参数设计及试验研究［J］.汽车技术，2008（6）：24－27.

［5］贾成禹.BSG混合动力汽车同步电机磁场定向控制系统的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2010.

［6］马建新，朱 东，方运舟，等.BSG混合动力汽车铅酸电池性能预测方法的研究［J］.汽车工程，2008，30（3）：219－221.

［7］颜园园，张宏群.基于LabVIEW的温湿度测量系统［J］.现代电子技术，2009（1）：120－125.

［8］张爱平.Labview入门与虚拟仪器［M］.北京：电子工业出版社，2001：213－254.

［9］杨乐平，李海涛，肖相生，等.LabVIEW程序设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2001：106－181.

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

国家“863”节能与新能源汽车重大资助项目（2011AA11A202）；安徽省自然科学基金资助项目（1208085ME78）

方运舟（1975－），男，安徽桐城人，合肥工业大学博士生，奇瑞汽车有限公司高级工程师；

赵 韩（1957－），男，安徽滁州人，博士，合肥工业大学教授，博士生导师.

（责任编辑 张 镅）