新能源汽車車載監控終端壽命試驗研究及應用

何鵬林，韓?濤，王宏策，馬?凱，付玉成，孫守富

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

新能源汽車車載監控終端壽命試驗研究及應用

何鵬林，韓?濤，王宏策，馬?凱，付玉成，孫守富

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

車載監控終端是實現新能源汽車安全監管的重要數據來源，因此對其在規定壽命周期內的可靠性要求較高。為了能在較短時間內對其壽命特性進行驗證，本文引入高溫壽命試驗、溫度循環壽命試驗以及穩態濕熱壽命試驗等3類常用的耐環境可靠性試驗，通過對其數學模型進行分析，結合車載監控終端的典型特征，制定相應的差異化試驗方案，對其進行加速老化壽命試驗，以縮短試驗周期，提高試驗效率，降低試驗成本。

車載監控終端；壽命試驗；可靠性；加速老化

“安全”是新能源汽車發展至今熱度依舊不減的話題。為了加強對新能源汽車安全運行的監控，通過采集車輛工況實時數據，可有效降低或排除車輛運行潛在的安全隱患，確保消費者安全使用。2016年年底，中國發布并實施了“電動汽車遠程服務與管理系統技術規范”系列標準，并要求所有新能源汽車安裝符合該標準的車載監控終端。車載監控終端通過CAN總線等方式采集車輛實時運行數據，將其進行存儲并通過GSM等方式上傳至管理平臺。車載監控終端是實現新能源汽車安全監管的數據來源，其重要性不言而喻，因而要求車載監控終端在規定的生命周期內可靠穩定運行，對其壽命特征的研究尤為必要。標準要求車載監控終端的最低壽命為5年，然而，在產品的實際開發驗證試驗中，無法耗費如此長的時間來驗證其壽命特性，這樣，不僅試驗周期很長，而且試驗成本較高，效率較低，嚴重影響產品的設計開發及推廣應用。為此，本文引入基于Arrhenius模型的高溫壽命試驗、基于Coffin-Manson模型的溫度循環壽命試驗以及基于Lawson模型的穩態濕熱壽命試驗等3類常見的物理加速老化試驗，根據各類數學模型及車載監控終端的典型特點，制定相應試驗方案，在盡可能短的周期內對車載監控終端的壽命特性進行有效評估。

1 各類模型分析及試驗方法

1.1 Arrhenius模型分析及試驗方法

產品在實際使用時通常處于多個變化的溫度環境中，一般通過統計選取典型的若干個溫度點。Arrhenius模型是基于溫度應力對產品壽命影響分析的數學模型，通常采用高溫試驗來進行產品的加速老化，某個溫度點下的加速因子算法如下

式中：EA——該產品失效反應的活化能，eV，與產品特性相關，電子組件類產品的典型取值為0.45 eV；k——玻爾茲曼常數，取值為8.617×10-5eV/℃；TPruf——進行加速試驗時選用的加速溫度值，一般對應產品的最高工作溫度或最高貯存溫度值；TFeld，i——產品在實際使用環境中選取的某個典型溫度值。

由此，可確定各個典型溫度值下的加速因子。在設計試驗時，可根據下式確定該產品最終加速老化試驗時間

式中：tPruf——加速老化試驗時間；tLife——產品設計壽命時間；Pi——產品實際使用環境溫度分布中該典型溫度值的統計分布值，一般用百分比表示。

1.2 Coffin-Manson模型分析及試驗方法

Coffin-Manson模型適用于溫度交變循環變化的加速試驗，其機理主要是利用溫度循環變化時產品不同材料熱膨脹系數的差異，強化其因溫度快速變化所產生的熱應力對產品造成的機械失效、材料疲勞、材料變形等劣化影響。一般假定產品的失效符合威布爾分布。首先根據模型計算加速試驗的加速因子

式中：ACM——Coffin-Manson模型的加速因子；ΔTTest——加速試驗時一個溫度循環期間的溫度差，該差值原則上越大越好，但要根據產品具體的耐熱強度而定，可通過產品熱特性分析確定，通常取值為產品最高工作溫度Tmax與最低工作溫度Tmin之差；ΔTFeld——產品在設計壽命期間在實際工作環境下的平均溫差，通常為一個統計平均值；c——Coffin-Manson模型指數，與產品的材料特性相關，一般取值范圍為1～9，根據汽車工程經驗，車載電子產品的典型取值為2.5。

加速試驗時，計算所需溫度循環總數的公式如下

式中：NPruf——設計溫度循環試驗時最少循環次數（理論上，循環次數越多，由溫度交變引起的產品內部機械應力越大，老化速度越快，加速效果越明顯，但試驗成本與周期也隨之增加，因此需要選擇一個最佳循環次數）；NTempZyklenFeld——產品在設計壽命期間在實際工作環境中經歷的溫度循環次數，該值為統計值。

另外，基于Coffin-Manson模型的溫度交變加速老化試驗方法與試驗保持時間、溫變速率、風速等試驗條件有關，這里不再贅述。典型的溫度交變加速試驗工況如圖1所示。

圖1 典型溫度交變循環加速試驗工況

1.3 Lawson模型分析及試驗方法

Lawson模型一般用于模擬車載電子電氣零部件在車輛停放時連續受實際環境平均濕熱應力影響的加速試驗，通常采用穩態濕熱試驗來進行加速老化。同樣，首先給出Lawson模型的加速因子算法

式中：AT/RH——某產品在車輛上實際環境的平均溫度、濕度下的加速因子，該溫度、濕度一般與產品在車輛上的安裝位置有關；EA——該產品失效反應的活化能，與Arrhenius模型中取值一致；k——玻爾茲曼常數，取值為8.617×10-5eV/℃；TPruf——進行加速試驗時選用的加速溫度值，一般對應產品的最高工作溫度或最高貯存溫度值；TFeldParken——車輛正常停放條件下產品安裝位置的平均溫度值，該值通常為統計值；b——常數，取值為5.57×10-4；RHPruf——加速試驗時定義的濕度值；RHFeldParken——車輛正常停放條件下產品安裝位置的平均濕度值，該值通常為統計值。

下面給出基于Lawson模型加速老化試驗時間的算法

式中：tPruf——加速老化試驗時間；tFeldParken——產品在設計壽命期間不工作的時間，一般取其極限值，即產品在其生命周期內均不運行的情況。

2 車載監控終端加速老化試驗應用分析

本文以某安裝在新能源乘用車乘客艙位置的車載監控終端為例進行分析。如前文所述，國家標準要求的車載監控終端的最小壽命為5年。

2.1 基于Arrhenius模型加速試驗計算

假設平均每天的車輛使用時間為1.5 h，即車載監控終端每天工作時間為1.5 h，因此，在車載監控終端5年的設計壽命周期內，其實際工作時間為2 737.5 h，即5（年）×365（天）×1.5 h，此為tLife的取值。設定加速老化試驗溫度值為最高工作溫度，即80℃。乘客艙典型溫度分布如表1所示，根據式（1）得出各個典型溫度值下的加速因子如表1所示。

由此，根據式（2）可計算得出該車載監控終端基于Arrhenius模型的加速試驗時間為505.5 h。

2.2 基于Coffin-Manson模型加速試驗計算

假設該車載監控終端的最高工作溫度Tmax為70℃，最低工作溫度Tmin為-30℃，工作環境平均溫差ΔTFeld為30℃，因此，ΔTTest為100℃，根據式（3）可得出Coffin-Manson模型加速因子約為20.28。

假定該車載監控終端實際使用時在一天內平均可能經歷的溫度變化平均為2次，因此，在其設計壽命期間可能經歷的溫度循環次數NTempZyklenFeld為3 650次，即：5（年）×365（天）×2次。根據式（4）可計算得出該車載監控終端基于Coffin-Manson模型溫度交變循環次數NPruf為180。按照圖1所示的典型工況，選擇溫變速率為4℃/min的溫度箱進行試驗，計算得最終加速試驗時間約為270 h。

2.3 基于Lawson模型加速試驗計算

根據工程經驗及相關國際標準法規，安裝在乘用車乘客艙的汽車零部件的平均相對濕度為60%RH，平均溫度為23℃，即TFeldParken為23℃，RHFeldParken為60%RH。為了在一定程度上加快老化速度，這里設定在溫度65℃、相對濕度95%RH下進行試驗，即TPruf為65℃，RHPruf為95%RH，根據式（5）可得出該條件下的Lawson模型加速因子為129.5。

如前文所述，這里默認該車載監控終端的不工作狀態時間即其設計壽命時間，即tFeldParken為5（年）×365（天）×24=43 800 h，根據式（6）可計算得出該車載監控終端基于Lawson模型的加速試驗時間為338.2 h。

表1 典型溫度分布及其加速因子

3 試驗驗證

為了驗證文中基于3類模型的加速老化試驗方法的有效性，從一批鋁制殼體封裝的車載監控終端樣品中隨機選取A、B、C 3個樣品分別按照3種加速方法進行加速老化試驗。為了進行試驗對比，3個試驗均選用規格性能參數相同的溫濕度箱，溫變速率可達到4℃/min，可滿足Coffin-Manson模型對溫變速率的要求；溫度范圍為-40～150℃，可覆蓋3類加速試驗的溫度要求；濕度范圍為10%RH～98%RH，可滿足Lawson模型對濕度范圍的要求，箱體的空間為1 m3。試驗前首先對3個樣品進行功能測試，其功能均處于ISO 16750-1規定的A級。

A產品在經歷約506 h的Arrhenius高溫加速老化試驗后復測其功能，仍處于A級；B產品在經歷約270 h的Coffin-Manson溫度交變加速老化試驗后復測其功能，仍處于A級；C產品在經歷約339 h的Lawson穩態濕熱加速老化試驗后復測其功能，仍處于A級。由此可見，在加速老化效果接近的前提下，基于Coffin-Manson模型的溫度交變加速老化試驗方法，耗時更短，成本更低。

4 結論

為了對車載監控終端這一新能源汽車安全監管關鍵部件的壽命進行評估，以確保其能在規定聲明周期內可靠穩定工作，本文通過引入基于Arrhenius模型的高溫壽命試驗、基于Coffin-Manson模型的溫度循環壽命試驗以及基于Lawson模型的穩態濕熱壽命試驗等3類常見的物理加速老化試驗，在分析其數學模型的基礎上，制定相應的試驗方案。通過試驗分析發現：在同等加速老化效果前提下，Coffin-Manson溫度交變加速老化試驗方法周期更短，更節省成本，有利于產品設計驗證與壽命評估。

［1］ GB/T 32960.2—2016，電動汽車遠程服務與管理系統技術規范第2部分：車載終端［S］.

［2］ 林震，姜同敏，程永生，等.阿倫尼斯模型研究［J］.電子產品可靠性與環境試驗，2005，23（6）：12-14.

［3］ 黃少堂，李敏華，付郁涵，等.汽車電子電氣零部件環境適應性和可靠性驗證［J］.環境技術，2012（2）：28-32.

［4］ 曹耀龍，黃杰.電子組件溫度循環試驗研究［J］.半導體技術，2011，36（6）：487-491.

［5］ 趙帥帥，陳永祥，賈業寧，等.基于修正Coffin-Manson模型的加速壽命試驗設計與評估［J］.強度與環境，2013，40（4）：52-58.

［6］朱海峰，孫立.通信產品可靠性驗證試驗（RDT）方法研究［J］.通訊世界，2016（5）：111-112.

Research and Application on Life Test of on Board Monitoring Terminal for New Energy Vehicles

HE Peng-lin，HAN Tao，WANG Hong-ce，MA Kai，FU Yu-cheng，SUN Shou-fu
（China Automotive Technology And Research Center，Tianjin 300300，China）

The On Board Monitoring Terminal（OBMT） is a significant data source for implementation of safety monitoring for New Enery Vehicles（NEV）. Hence the reliability requirement of OBMT in its specified life cycle is supposed to be very high. To validate the life characteristics of OBMT in a shorter time，three types of universal environmental resistance reliability tests were introduced：high-temperature life test，cyclic temperature life test，steady humid heat life test. Based on analysis of each mathematical model，allowing for typical characteristic of OBMT，differential test procedures were made to conduct a series of accelerated aging life test. Thus，the test period can be shortened，test efficiency can be improved，test cost can be reduced.

OBMT；Life test；Reliability；Accelerated aging

U463.61

A

1003-8639（2017）11-0006-03

2017-07-21

何鵬林（1988-），男，甘肅武威人，工程師，碩士，研究方向為新能源汽車及其測試技術；韓濤（1987-），男，天津人，助理工程師，研究方向為新能源汽車及其測試技術；王宏策（1988-），男，河北石家莊人，助理工程師，碩士，研究方向為新能源汽車及其測試技術；馬凱（1992-），男，天津人，助理工程師，碩士，研究方向為新能源汽車及其測試技術；付玉成（1984-），男，遼寧海城人，助理工程師，研究方向為新能源汽車及其測試技術；孫守富（1988-），男，黑龍江齊齊哈爾人，助理工程師，研究方向為新能源汽車及其測試技術。

（編輯 凌 波）