BSG混合動力控制器壽命測試系統設計

方運舟， 趙 韓， 彭慶豐， 尹安東

（1.合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009；2.奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241006）

BSG混合動力控制器壽命測試系統設計

方運舟1，2， 趙 韓1， 彭慶豐1，2， 尹安東1

（1.合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009；2.奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241006）

BSG混合動力控制器具有控制發動機怠速啟／停以及電機管理功能。文章提出了一種BSG混合動力控制器壽命測試系統的設計方案，它包括基于中央控制計算機、發電模式測試臺架、電動模式測試臺架、環境倉等。該系統結構簡單，可調整性好，能夠在批量生產前發現產品的潛在風險。

混合動力；混合動力控制器；壽命測試

目前，高效、節能、環保的節能與新能源汽車已成為汽車行業發展新趨勢。混合動力汽車因其兼有電動車的低排放優點與內燃機汽車的高比能量優點而越來越受到關注，成為目前競相研發的新型車輛之一［1－3］。

BSG（Belt Starter Generator）混合動力控制器是BSG混合動力汽車的核心控制單元，相當于BSG汽車的“大腦”，其具有控制發動機怠速自動啟／停功能［4－6］和BSG電機的管理功能。發動機怠速自動啟／停功能是指當發動機怠速時，發動機自動停機，達到降低油耗和排放的目的；當車輛自動停機后，如果駕駛員執行踩離合或換擋等有意識的起動車輛的動作時，發動機又能快速自動地起動。BSG混合動力車輛特別適用于城市工況，在城市工況下，BSG混合動力車輛油耗可降低6%。同時BSG混合動力控制器實現BSG電機的驅動和發電整流，采集整車運行狀態，實施控制策略。

根據混合動力汽車零部件的可靠性要求，BSG混合動力控制器使用壽命大于8a，為保證BSG混合動力車的可靠性，需要測試、驗證控制器的潛在壽命。加速老化試驗方法是汽車電子產品常用的一種產品可靠性壽命測試方法。

加速老化的基本原理是通過模擬的試驗環境和電氣負載，提高試驗情況下產品的環境應力水平和電應力水平，達到加速電子產品失效的目的，從而減少產品的試驗周期。本文在保障加速老化和自然老化具有失效機理一致性、失效過程規律性和失效分布同一性的前提下，結合電子產品老化失效的“浴盆”曲線和阿倫尼斯模型，設計一套測試系統將控制器置于高濕度和高低溫溫度循環的環境中，控制器的供電電壓在一個很寬的范圍內進行循環波動，進行測試。通過對控制器一個相對較短時間的測試，能夠估算出控制器的潛在工作壽命。在該種被控模擬試驗工況下，控制器要接受1 000h的溫度／濕度／供電電壓的循環測試，可以等同于在車上正常使用10a。

本文僅針對BSG混合動力控制器基于加速老化理論和基于阿倫尼斯壽命模型的壽命測試系統進行設計，不涉及耐壓、爬電距離、浪涌、絕緣、電磁干擾等電氣性能試驗，對于電氣性能試驗將在產品的電氣性能試驗中完成，本文不做論述。

1 理論分析

根據大量的試驗數據統計分析，元器件和設備的失效率隨時間變化的曲線呈“浴盆”的形狀，如圖1所示。

圖1 故障率盆浴曲線圖

阿倫尼斯（Arrhenius）壽命－應力模型為：

其中，Aθ為加速因子；θn為正常溫度下壽命值；θa為加速溫度下壽命值；Ea（Activation Energy）為活化能（一般電子零件在壯年期活化能值趨近1）；K為波茲曼常數，即8.623×10－5；Tn為產品正常操作溫度；Ta為加速試驗溫度。

Hallberg－Peck濕度加速模型為：

其中，AR為濕度加速因子；Rstress為應力條件下的相對濕度；Ruse為使用條件下的相對濕度；n為濕度的加速率常數，介于2～3之間。根據以上模型可計算出：AR＝（0.95／0.80）2＝1.41。

在特定溫度、濕度環境下，其綜合加速因子為：

若取10件產品于500℃下做加速壽命試驗，其失效時間分別為1 000、1 020、1 050、1 100、1 080、1 010、1 090、1 120、1 130、1 100h，其正常操作溫度為25℃，則θn算法如下：

2 系統結構及工作原理

BSG混合動力控制器壽命測試系統是完全模擬真實BSG混合動力車上的工作條件而設計的，測試系統能夠模擬控制器外部工作條件讓控制器工作在發電模式和電動模式下，并對被測試控制器的運行狀態和失效模式進行監控和記錄。

BSG混合動力控制器壽命測試系統按照結構可分為4部分，即發電模式測試臺架、電動模式測試臺架和中央控制計算機及環境倉，如圖2所示。發電模式測試臺架模擬BSG混合動力控制器發電模式的外圍測試條件；電動模式測試臺架模擬BSG混合動力控制器電動模式的外圍測試條件；中央控制計算機（可裝在發電模式臺架上）實現對整套測試系統運行狀態的控制和監測；環境倉為控制器測試提供溫度和濕度的測試條件。在測試系統中共有10套BSG控制器同時接受壽命測試，其中5套BSG系統工作在發電模式下，5套BSG系統工作在電動模式下。在測試過程中，這10套BSG控制器被放置在環境倉中，通過電纜與2個臺架分別相連。中央控制計算機通過電纜分別控制5套控制器及發電模式臺架，另外5套控制器及電動模式臺架，同時控制環境倉進行高低溫溫度循環和設定惡劣的濕度條件。

圖2 BSG混合動力控制器壽命測試系統框圖

2.1 發電模式測試臺架

發電模式測試臺架主要模擬車上BSG電機及控制器的發電工況，如圖3所示。在發電模式臺架中，大功率交流電機通過皮帶輪耦合到主軸上，在主軸上同時掛5套BSG電機，大功率交流電機與BSG電機之間速比為1∶2.5。在工作時，大功率交流電機同時拖動5個BSG電機運轉發電，通過BSG控制器整流后，由安裝在發電臺架上的功率電阻消耗掉，實現對BSG混合動力控制器發電模式的測試。中央控制計算機控制連接到每一個BSG控制器直流側的功率電阻大小，實現模擬每個工作在發電模式下的BSG控制器直流母線的負載大小。

圖3 發電模式測試臺架

2.2 電動模式測試臺架

電動模式測試臺架主要模擬車上BSG電機及控制器啟動發動機的工況，如圖4所示。

圖4 電動模式測試臺架

在電動模式測試臺架中，5套BSG電機通過主軸與磁滯剎車相耦合。磁滯剎車能夠輸出一定的阻力扭矩，用于模擬BSG電機在混合動力車上啟動時發動機負載特性。大功率程控電源模擬車上的蓄電池，為BSG控制器驅動BSG電機運轉提供電能。在電動模式臺架上，BSG控制器和BSG電機之間通過接口箱進行連接；中央控制計算機控制5套BSG控制器模擬啟動發動機的過程，逐個進行電動模式測試。同時中央控制計算機控制磁滯剎車輸出一定的阻力扭矩模擬每臺BSG電機啟動時的發動機負載。

2.3 中央控制計算機

中央控制計算機通過內嵌LabVIEW軟件［7－8］，分別控制被測BSG控制器在發電模式下和電動模式下工作，以及在2種工作模式下的負載特性，并監控測試過程中BSG控制器的主要特性參數和主要失效模式。中央控制計算機控制BSG控制器通過BSG控制器接口箱進行數字量和模擬量的輸入輸出端口壽命測試，并記錄每個BSG控制器輸入輸出通道的工作狀態和失效狀態。中央控制計算機通過通訊接口設定環境倉的溫度和濕度特性，為BSG控制器測試提供一個相對惡劣的測試環境。中央控制計算機通過預先存儲的測試序列對BSG控制器的電動模式、發電模式和控制器的輸入輸出口進行壽命測試。

2.4 環境倉

環境倉主要模擬BSG控制器在實際使用中所處的氣候環境，如溫度和濕度，可以模擬實際應用時遇到的夏季的酷熱、冬季的嚴寒、雨天的潮濕等惡劣氣候環境。在測試過程中，按照中央控制計算機的控制要求［9］，環境倉提供一種高低溫交變、高濕度的極端惡劣測試環境，為置于其中的BSG控制器提供一種加速老化的測試環境，如圖5所示。

圖5 環境倉的溫度和濕度變化特性曲線

3 結束語

本文所設計的BSG混合動力控制器壽命測試系統結構緊湊，所有系統的設置均可以由中央控制計算機通過程控來實現，具有很好的可配置性，同時能夠可靠地記錄全部測試數據。所采取的加速老化測試方案設計的控制器壽命測試系統，能夠在產品正式使用前預估產品的潛在使用壽命，發現被測試控制器的潛在風險。

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［7］顏園園，張宏群.基于LabVIEW的溫濕度測量系統［J］.現代電子技術，2009（1）：120－125.

［8］張愛平.Labview入門與虛擬儀器［M］.北京：電子工業出版社，2001：213－254.

［9］楊樂平，李海濤，肖相生，等.LabVIEW程序設計與應用［M］.北京：電子工業出版社，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

國家“863”節能與新能源汽車重大資助項目（2011AA11A202）；安徽省自然科學基金資助項目（1208085ME78）

方運舟（1975－），男，安徽桐城人，合肥工業大學博士生，奇瑞汽車有限公司高級工程師；

趙 韓（1957－），男，安徽滁州人，博士，合肥工業大學教授，博士生導師.

（責任編輯 張 镅）