制动安全控制系统（BSC）可靠性研究

王胜，范学，陈松明，张洪岩，郭丹，章翔

（比亚迪汽车工业有限公司，深圳 518118）

前言

对于涉及到行车安全的系统或部件，如何保证其可靠性是一项非常重要的工作，也是产品和可靠性工程师必须面对和解决的问题。BSC即 Braking Safety Control System，是比亚迪自主研发的制动安全控制系统，包括电子液压制动、制动回馈、ABS、EBD、TCS、VDC、CDP、HHC等主动安全功能，及相关被动安全功能，如图1所示。本文基于可靠性工程，制定了一套完整的BSC可靠性管控体系。

图1 BSC系统结构

1 可靠性工程理论

1.1 可靠性管理

可靠性是指产品在规定的时间和规定的条件下完成规定功能的能力。通常，在产品的设计开发中，我们关注的重点是产品的功能和性能，对可靠性重视度不够，更忽视了整车寿命周期内的可靠性管理。

目前，汽车行业内整车设计寿命至少是10年或30万公里，部分主机厂要求更高；为达到整车设计寿命要求，需要对产品的可靠性进行有效管理。其中，设计阶段是可靠性管理的基础。 产品的可靠性这一内在的质量指标是在产品的设计阶段形成的，因此从产品研制开始就必须要考虑其可靠性。可靠性工作开展得越早，成效就越大，经济效益就越好。

1.2 可靠性工程开发

在产品全寿命周期的不同阶段, 可靠性工作开展的活动不尽相同，一般来说，产品在生命周期内主要会经历概念设计、方案设计、工程设计、 试制、SOP和售后等阶段。 具体来说，可靠性工作的内容如图2。

图2 可靠性工程开发

1）可靠性目标及分配工作：调查和分析产品对可靠性和环境适应性的需求，并根据售后维修数据制定可靠性目标；如10年30万公里、R97C50等；并根据可靠性目标将其分配到产品各组成部分并预计产品研制过程中其设计方案所能达到的可靠性水平。

2）可靠性设计分析工作：选择能满足可靠性要求的零部件、元器件，通过如FMECA、FTA、SCA及容差分析等可靠性分析找出产品的薄弱环节，为产品设计的改进提供依据和支持。

3）可靠性验证工作：其目的就是通过试验找出影响产品可靠性的薄弱环节，为产品设计的改进提供依据和支持（可靠性工程试验）；或通过试验确定或评价产品的可靠性水平（可靠性统计试验）。

4）使用可靠性分析工作：在产品交付用户后还用关注售后维修问题，以实现可靠性增长。

2 BSC可靠性管控体系

结合我司产品开发E流程及对可靠性管理要求，建立BSC可靠性管控体系，如图3所示。

图3 可靠性管控体系

2.1 可靠性目标制定

通过参考类似产品的售后数据，运用weibull分析设定合理可实现的可靠性目标:10年30万公里，基础制动功能可靠度99.9 %，其它功能可靠度99 %。

2.2 可靠性模型及分配

2.2.1 可靠性分配的原则

在进行可靠性分配时需要遵循以下几条原则:

1）对于复杂度高的分系统、设备等, 应分配较低的可靠度指标；

2）对于重要度高的产品, 应分配较高的可靠度指标；

3）对于技术上不成熟的产品, 分配较低的可靠度指标；

4）对于恶劣环境条件下工作的产品, 应分配较低的可靠度指标。

2.2.2 BSC系统可靠性模型建立

根据BSC系统功能实现的工作过程，绘制其可靠性框图，通过框图的建立，可以整体分析可能存在的故障，找出关键单元,如图4所示。

图4 BSC系统的可靠性框图

2.2.3 AGREE分配方法介绍

AGREE分配方法考虑了各子系统或单元的综合影响因素和系统之间的失效关系。在本次BSC系统可靠性分配过程中，充分考虑了各单元的复杂度、重要度、环境因素、技术成熟度与工作时间的影响，争取分配的结果更加合理化。

1）影响因素的评分原则

①重要度—根据单元的重要程度，单元失效后造成的影响程度来评定。评分级别为0.2、0.4、0.6、0.8、1五个级别，重要程度越高，失效后造成的结果越严重，则评分级别越高；

②复杂度—根据组成单元的元部件数量以及组装的难易程度来评定。评分级别为2、4、6、8、10五个级别，单元数量越多，组装较难，则评分级别越高；

③技术成熟度—根据单元目前技术发展水平和成熟程度来评定。评分级别为2、4、6、8、10五个级别，技术成熟度越高，或利用的是同行业内的高质量产品，则评分级别越高；

④环境因素—考虑单元所处的综合工作环境来评定。评分级别为2、4、6、8、10五个级别，单元所处的环境越好，则评分级别越高，反之越恶劣，评分越低；

⑤工作时间—根据单元工作时间的长短来评定。评分级别为2、4、6、8、10五个级别，单元始终参与在系统的工作过程中评分越低，反之，评分越高。

2）AGREE的数学模型

式中：

ji—各单元的复杂度评分；

ωi—第igewee 个单元的重要度；

RG(t)—系统在运行的时间t内，系统的目标可靠度；

R (t)—分配给第i个单元的可靠度；

β—综合加权因子：技术成熟度、环境因素和工作时间因素；

2.2.4 BSC系统可靠性分配结果

对于BSC系统的基础制动功能，要求非致命故障的可靠度目标为99 %；致命故障的可靠度目标为99.9 %。对各单元的评分等级确定后，运用AGREE分配法，将致命故障可靠性目标分解到关键零部件，分配结果如表1所示。

表1 专家打分及分配结果

2.2.5 故障树模型与验证

对BSC系统的工作过程分析后，找出该系统可能发生的故障模式，构建该系统的故障模型，为可靠度分配结果验证提供必要的基础条件。由于BSC系统的故障树模型较复杂，这里只选取其中致命故障的故障树模型作出简要的介绍，如图5所示。

图5 BSC系统故障树模型

BSC系统的故障树模型建立完成后，利用数学上“与门”和“或门”的数学逻辑关系，验证分配结果是否满足指标的要求。以上面的致命故障为例，计算其故障率。

计算得出致命故障的故障率为64PPM，即实际分配的可靠度指标为99.993 6 %＞99.99 %，满足要求。

图6 建议的EMI吸收电路

2.3 可靠性设计评审

可靠性设计评审根据原理图、PCB文件以及器件规格书等资料，从结构设计、电路原理设计、器件选型、电磁兼容设计、DFMEA等方面进行评审分析，并找出薄弱环节。为后续进一步故障激发和验证指明方向，提出设计改进建议。

BSC系统主要从三个方面进行了设计评审，一是结构可靠性评审，二是器件可靠性评审，三是电磁兼容的相关问题。

可靠性评审一共发现了18个问题，经过各方讨论与会签，达成一致，其中选择改善的需要改善后进行验证，待确定的需要通过测试寻找进一步的数据，不改善的也需要进行持续跟进。

2.4 可靠性仿真

运用Flotherm软件对ECU进行了热仿真，根据数字模型预测产品内部气流流动、温度分布和热量传递过程，从而识别产品存在的热设计风险。

2.5 试验验证分析

2.5.1 E1故障激发试验

该阶段主要进行故障激发试验，找出产品弱点和设计缺陷。故障激发试验是一种可靠性强化试验，通过系统地施加逐步增大的环境应力和工作应力，激发和暴露产品设计中的薄弱环节，发现产品应力极限，改进设计和工艺，提高产品健壮性和可靠性。故障激发试验包括高加速寿命试验（HALT）和高加速应力试验（HAST），以HALT试验为例，其试验流程如图7所示。

图7 HALT试验流程及环境剖面

对BSC系统ECU等关键部件进行HALT试验，试验结果如表2所示。

表2 BSC HALT试验故障情况汇总表

通过对上表BSC故障现象进行分析，找到了故障的根本原因，并通过设计改进解决了问题。例如：阀体电流SLA_Current_Filtered当前值持续为1，是因为电磁阀线圈针脚断路或接触不良，造成驱动回路断开。

贴片电感L1脱落是因为贴片电感L1体积质量大、焊盘小，在振动应力较强时易于脱落，通过对焊接工艺进行改进（熔炉温度提升10～15℃）后回归验证问题得到解决，焊点可靠度也得到了大幅度提升。

图8 BSC零部件故障现象

2.6.2 E2 总成可靠性验证

该阶段主要进行总成可靠性验证，针对BSC系统不同服役环境，制定环境适应性试验方法；针对BSC设计寿命和可靠性要求，结合加速模型制定可靠性加速试验方法，见表3所示。

表3 可靠性试验加速模型

以制动主缸及车辆稳定控制总成为例，其可靠性试验结果如表4所示，其中针对不符合项目，通过原因分析→设计改进→再验证等进行闭环管理。

表4 制动主缸及车辆稳定控制总成试验结果

2.6.3 E3 系统可靠性

该阶段主要进行系统耐久试验，评估产品是否存在系统失效与性能降级风险，主要适用于产品研发中期的系统可靠性验证。

1）结构耐久试验

通过采集整车道路试验数据，汇总统计整车生命周期内制动次数，如表5所示。结构耐久试验主要进行踩制动踏板的基础制动工况，侧重于检验系统的机械结构强度。

表5 整车道路试验制动数据

对整车制动进行统计分类，分为三类制动形式：轻度制动、中度制动、紧急制动。按照不同制动形式的比例大小，进行组合循环制动耐久试验。

2）功能耐久试验

功能耐久试验则进行包括 ABS、EBD、TCS、VDC、HHC、HDC、AVH、BBS和点火自检等工况，侧重于检验系统功能寿命，主要目的是验证BSC系统在高低温环境下，功能是否出现异常或者失效，根据失效模式找出产品薄弱点，促进产品改进验证。

以中高附ABS（如湿沥青）紧急制动为例，为满足轮胎的滑移率达到最大附着系数区间，需反复调整制动钳的油压波动，实现整车制动防抱死，增强整车制动安全性。

图9 BSC功能耐久测试台架及中高附ABS曲线

2.6.4 E4整车可靠性

整车可靠性主要进行用户道路及强化坏路试验，按单车分别统计整车和BSC系统的故障频次和首次故障里程（MTTFF）、平均故障间隔里程（MTBF）、当量故障率等信息。对整车试验中发现的问题同样需要执行分析→改进→再验证这一闭环管理过程。

3 结论

本文将可靠性工程理论和我司产品开发E流程紧密结合起来，形成了一套比较实用的可靠性管控体系，并针对该管控体系，详细介绍了各个管控阶段的可靠性工作，例如：目标设定与分解、设计评审、故障激发试验等，为产品的可靠性管控提供借鉴。此外，在传统的零部件→系统→整车三级验证体系基础上增加了PCBA板级的HALT试验，能快速激发和暴露产品的薄弱环节，对提高产品可靠性、缩短研发周期、降低成本等有显著作用。