基于任务可靠度的底盘可靠性设计

于海兴　陈玉宝　曹建宏　王骆宾　司红建

关键词：任务可靠度;新能源汽车;可靠性;DCDC;可靠性增长试验

中图分类号：U463.1 文献标识码：A

0引言

随着新能源汽车的快速发展，自卸车、专用车和特种车等汽车产品方案形式越来越多样化，上装对底盘的接口及功能要求呈现日益明显的电气化特点。如底盘取力器的形式已经开始从发动机、变速器、分动器等机械取力，逐渐调整为高低压供电驱动的上装设备等。

本研究针对客户一款配置电动缸的新能源自卸车底盘设计，该型自卸车通过电动缸完成上装的举升和回落，进而完成上装物料转运。为完成客户提出的作业任务可靠度要求，该新能源自卸车底盘在研发设计环节，进行了可靠性设计和可靠性评估，并针对设计上的薄弱环节进行了可靠性优化[1]，从而在满足产品任务可靠度目标的同时，控制了产品配套的成本。

1底盘技术特点

根据客户上装及其配电技术要求，底盘产品设计采取了混合动力技术路线，与上装高低压配电需求相适应。该底盘具有明显的新能源产品特征，由储能系统、发电系统、配电系统、电力驱动系统、传动与行驶系统、电器设备及高低电缆网组成。

储能系统由多组动力电池组成，发电系统为柴油发电机组，底盘具备纯电行驶功能和混合动力行驶功能。

底盘配电系统包括高压配电箱、直流-直流转换器（DCDC）和低压配电箱等，分别实现高压直流配电、高压直流电转低压直流电以及高压直流电转高压交流电、低压直流配电功能。配电系统配置上装高压用电和低压用电接口。参与上装配电任务的系统主要为储能系统、配电系统及整车控制器（VCU）。

当用户上装执行自卸任务时，底盘配电系统需稳定可靠性地供电。具体要求为：在规定的3min任务时间内，底盘任务可靠度最低门限值为0.998，目标值为0.9998。

2可靠性设计

根据客户任务可靠度要求，单机设备选型贯彻了成熟设计、冗余设计和简化设计等准则，对底盘配电系统进行任务可靠性设计。

2.1任务可靠性模型

根据上装配电任务需求，建立了任务可靠性框图模型一（图1）。具体工作原理为：电池管理系统控制单元（BMS）负责动力电池电量管理，动力电池为供电电源;高压箱通过继电器控制高压直流配电回路;DCDC进行高压直流转低压直流变换;低压配电盒通过继电器控制低压配电回路;VCU通过CAN网络对高压箱、DCDC和低压配电盒的继电器控制，以及实现对BMS电量请求。该控制策略设计中，忽略高低压线束等成熟部件的影响。

2.2任务可靠性分配

根据Rs的门限值和目标值可靠度要求，结合相似产品试验数据，根据比例系数评分法进行单机设备任务可靠度的初步分配[2-3]，如表1所示。

2.3任务可靠性评估

在该底盘试制前，为评估该底盘的任务可靠度满足情况，收集了相似底盘产品的可靠性数据。结合相似底盘工作时的环境因子，进一步整理了配套新底盤所属单机设备的可靠性数据。根据单机设备任务可靠度评估数学模型，计算可得各单机设备的任务可靠度[4-5]。

式中R_L——可靠度置信下限，代表单机设备任务可靠度

T——总试验时间

r——故障数

t₀——任务时间

γ——置信水平（取0.8）

根据式（3）分别计算R_BMS、R_DCB、R_GYH、R_DCDC、R_DYH和R_VCU，再由式（1）和式（2）计算当前的底盘任务可靠度（表2）。

从表2可以看出，底盘的任务可靠度评估计算结果为0.999554，满足门限值0.998要求，但不能满足目标值0.9998的任务可靠度要求。对比表2所示的单机可靠度评估结果和表1所示的可靠度门限值与目标值分配要求，可以发现DCDC能满足其可靠度门限值要求，但与其可靠度目标值要求差距较多。

经评估分析，底盘任务可靠度评估结果偏低的薄弱环节在于DCDC。该设备根据客户的要求进行了定制开发。当前该设备的试验数据表明，其技术状态成熟度偏低，故障率偏高。

3可靠性设计改进

为达到客户所要求的任务可靠度目标要求，拟采取如下措施。

（1）增加1套DCDC单机设备，通过冗余设计提高高压直流转低压直流的配电任务可靠度。

（2）对DCDC开展可靠性增长试验，以便有计划地激发故障、分析故障和改进设计，从而纠正该底盘的可靠性薄弱环节。

3.1冗余设计

DCDC冗余设计原理为：在原设计基础上增加1套DCDC，2套DCDC的高压输入均来自高压箱的不同辅助接口;CAN通讯协议采用不同的ID设置，从而VCU可以同时与这2套DCDC实现交互控制。2套DCDC的电压电源接口在低压配电盒上进行电网并网。该底盘设计改进方案的任务可靠性框图模型如图2所示。

同理，其任务可靠性数学模型如下。

进而计算可得改进设计后的底盘任务可靠度（表3），能够满足客户任务可靠度目标值要求。

3.2可靠性增长试验

冗余设计改进措施能直接满足客户可靠度要求，但需配置2套DCDC，当批量进行底盘配套时，将明显增加底盘成本。而该型DCDC是根据客户要求进行了国产化开发，在表2所示的可靠性评估试验中出现的偶发故障，包括绝缘报警、峰值功率不足和过热报警。

为达到底盘配套单套DCDC即可满足客户要求的目标，必须提高DCDC单机设备的任务可靠度。可靠性增长及其加速试验是提高单机设备可靠性增长的必要途径。

DCDC可靠性增长试验是通过设计试验剖面，模拟车辆的温度、湿度、振动和电应力工作环境条件，对DCDC进行绝缘检查、耐压检查、防护等级检查、峰值功率输出功能检查、温升检查以及CAN通讯功能测试等试验项目。根据试验暴露的故障及缺陷，分析设计和工艺的薄弱环节并不断进行改进，直至在规定的试验时间内无故障发生，才认可DCDC国产化单机已达到可靠性增长目标。

3.2.1可靠性增长试验剖面

根据终端用户对自卸车的使用环境，开展温度、湿度、振动及电应力的综合性可靠性增长试验[6]。其可靠性增长基本试验剖面如图3所示，单个循环时间为480min，电应力有效试验时间为300min。采用温度加速的方式，在低温段、常温段、高温段进行加速，采用温度加速方案后相应段试验时间缩短为原来的一半[7]，单个循环时间为240min，电应力有效试验时间为150min（图4）。

3.2.2可靠性增长试验的确定

拟根据DCDC的任务可靠度需求，基于无模型可靠性增长试验方法进行可靠性增长试验设计。可靠性增长有效试验时间T可由式（3）进行如下设计。

式中γ——置信水平（取0.8）

r——試验期间允许出现的故障数（取0）

R——可靠度要求

t——用户任务剖面时间（3min）

DCDC任务可靠度指标的确定基于如下几个方面：①DCDC可靠度门限值为0.9996，经评估，实际已满足要求;②DCDC可靠度目标值为0.99996，经评估，实际相差要求较大;③根据当前其他单机试验数据的评估结果，如需满足底盘任务可靠度目标值要求，单机DCDC所需的任务可靠度至少不小于0.99993。

综上，修正DCDC的可靠度目标值为0.99993。

根据式（6）可计算出可靠性增长有效试验时间，进而可得到试验循环数。其中验证阶段开展41个基本试验剖面循环，摸底阶段在验证阶段基础上开展189个加速试验剖面循环。预计验证阶段试验周期至少14天，摸底阶段试验周期至少32天，总试验周期至少46天。

从底盘的DCDC产品配套成本和可靠性增长试验研制成本角度分析，只有当底盘订单数量达到一定规模时，DCDC单个配套节约的成本才能覆盖可靠性增长试验成本。因而，建议客户在该底盘产品供货初期，采用冗余设计方案保障上装配电任务可靠度要求。

4结束语

本文通过可靠性评估，验证了某新能源自卸车的底盘设计满足客户任务可靠度门限值要求，却无法满足目标值要求，设计中可靠性薄弱环节为DCDC设备。通过对DCDC采取冗余设计改进措施以及可靠性增长试验方案，最终提出研发建议：底盘订单少量配套时采取冗余设计措施;订单明显较多时再开展DCDC单机的可靠性增长试验，底盘仅需配套单套DCDC，实现底盘成本控制目的。

作者简介：

于海兴，硕士，工程师，新能源汽车总体设计与可靠性工程。