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

（1.中国重汽集团新能源汽车研究院，济南 250000；2.中国重汽集团济南特种车有限公司，济南 250000）

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，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3 min 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。

图1 任务可靠性框图模型一

根据任务可靠性框图模型一建立任务可靠性数学模型如下。

式中R——底盘任务可靠度

R'——电池包系统任务可靠度

R——电池包任务可靠度

R——高压箱单机任务可靠度

R——DCDC 单机任务可靠度

R——低压配电盒单机任务可靠度

R——VCU 单机任务可靠度

2.2 任务可靠性分配

根据R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，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盘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。

式中R——可靠度置信下限，代表单机设备任务可靠度

——总试验时间

——故障数

t——任务时间

——置信水平（取0.8）

根据式（3）分别计算R、R、R、R、R和R，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。

表1 任务可靠度初步分配

表2 任务可靠性初步评估结果

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。

图2 任务可靠性框图模型二

同理，其任务可靠性数学模型如下。

式中R'—2 套DCDC 的任务可靠度

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。

表3 设计改进前后任务可靠性评估对比

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。

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。其可靠性增长基本试验剖面如图 3 所示，单个循环时间为480 min，电应力有效试验时间为300 min。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，单个循环时间为240 min，电应力有效试验时间为150 min（图4）。

图3 可靠性增长基本试验剖面

图4 可靠性增长加速试验剖面

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可由式（3）进行如下设计。

式中——置信水平（取0.8）

——试验期间允许出现的故障数（取0）

——可靠度要求

——用户任务剖面时间（3 min）

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。