汽車電器在極限工況下的魯棒性研究

孫 坤

（寧波吉利汽車研究開發有限公司 路特斯項目研究院， 浙江 寧波 315336）

目前，國內對整車電器的魯棒性研究比較少，造成研究不成體系，測試很不完善。特別是電氣魯棒性關系到整車電氣安全，針對電氣魯棒性的研究在國際一流車企中已經開始進行了一系列開發性研究，但國內對整車電氣性能的研究還只關注在常規電性能方面，如整車電平衡性能、整車靜態電流測試［1］、線束負載測試及熔斷絲匹配性測試等。只有部分車企進行一些零散的電氣魯棒性研究，主要集中在系統級別及零部件級別的魯棒性研究，比如電器零部件的過電壓測試、過電流測試、反極性測試等，關注點均在常規電性能方面，主要使電氣系統設計達到功能設計目標。本文主要研究的對象是整車電器在極限工況下的電性能表現，是在整車電器滿足整車功能目標的前提下，更好地提高整車電氣安全水平［2］，提高顧客的使用體驗，降低市場抱怨率，本文涉及到的均為整車級別的電氣魯棒性研究，因整車電氣魯棒性對整車電氣安全有決定性影響［3］，因此整車電氣魯棒性研究非常重要。國內汽車企業對這方面的研究刻不容緩，本文將從什么是電氣魯棒性、電氣魯棒性的典型工況、整車魯棒性的測試方法及評價標準等幾個方面進行闡述。

1 什么是魯棒性

1.1 汽車電氣魯棒性研究的目的

魯棒性研究主要是為了提高汽車的電氣安全，使電氣故障不易被顧客感知到或者顧客對電氣故障在感知之前即可消除，使車輛滿足在極限工況下也不出現影響駕駛的功能異?；蛘吖δ軄G失，主要體現在以下幾個方面：使汽車電子電器更安全；使車輛滿足法律法規的要求；使車輛暴露在嚴苛的環境負荷下，以確保其可靠性；確保車輛在其生命周期內的功能安全性；為最終用戶和使用環境降低車輛出現問題的風險，即降低顧客抱怨率。

1.2 汽車電氣魯棒性研究的范圍

為區別于傳統的電性能體系，以下對極限工況下的電性能簡稱為ELP （Electrical Performance），ELP的研究范圍主要對象是整車電氣系統，屬于整車電氣屬性的范疇，即在整車電氣經過集成驗證、系統驗證、功能驗證之后，在整車上對整車電氣進行極限工況驗證，在汽車開發中屬于V型開發中的后端，是對汽車電氣開發的驗收項目，如果ELP出現問題，車輛將不能上市銷售，如圖1所示。

圖1 ELP研究的范疇

本文主要針對傳統汽車從以下5個方面對整車電氣魯棒性進行研究：Reverse polarity （整車反極性測試），24Vjumpstart （24V跳起動），Regulator Failure-overvoltage （發電機調節器失效-過電壓），Regulator failure-Short Circuit （發電機調節器失效-短路），Regulator failure-No charging （發電機調節器失效-不充電），這5個方面包括了整車電器在使用過程中可能會出現的典型故障及失效模式，并且是可能會出現嚴重后果的失效，模擬了整車在使用過程中的典型場景，并且會對用戶使用感受產生影響，即會造成用戶抱怨的因素。

2 魯棒性研究的典型極限工況

2.1 整車反極性工況

本工況模擬蓄電池正負極反接，為全車電器加載一個-14V的電壓60s （斷開原車蓄電池），試驗后檢查整車電器功能和軟硬件是否有異常。本工況參考了用戶在使用車輛的過程中，偶爾會更換蓄電池或使用蓄電池進行一些簡單操作的時候，由于失誤造成全車的用電器接上反向電壓；試驗的目的是評估試驗對象是否能承受-14V的電壓水平60s，并能夠達到要求的功能水平。

雖然本工況是針對全車電氣系統的要求，但是需要直接接在常電上的控制器、用電器零部件及系統具有抗反極性電壓的能力，在進行整車反極性電壓測試之前需要保證所有電器零部件通過反極性測試，否則會造成整車反極性測試失敗。

整車反極性測試所涉及到的主要設備：32路示波記錄儀，采樣率需達到100k/s以上；總線監控設備，能讀取車輛軟硬件版本號，測量CAN、Flex Ray & LIN信號；大功率直流穩壓電源，提供反向電壓使用；錄像設備，提供試驗過程中的視頻記錄，做到試驗回放及記錄功能；電流電壓傳感器，數據采集卡；其他，如斷路器、OBD線、滅火器等。注：由于反向電壓對發電機有破壞性，在試驗前需斷開發電機。

2.2 24V跳起動工況

本工況主要模擬在野外或者長途公路上車輛拋錨后，可以通過其他商用車搭電起動，因為商用車電氣系統為24V系統，如果在起動過程中沒有保護，不但無法起動車輛還會破壞起動車輛的電氣系統，此工況即是驗證在此工況下整車電氣系統的表現，如果車輛可以在24V情況下進行正常起動且不造成顧客可感知的功能丟失即可認為試驗成功。

在開發階段就需要對整車電氣系統零部件進行開發要求滿足24V情況下的保護，同時對和起動相關的信號，要保證在24V時起動信號的正常通信，由于24V電壓對目前汽車12V電氣系統有較大的破壞性，所以在1min內如果車輛沒有起動，需立即斷開24V電源，以免破壞整車電氣系統。

由于起動過程的大電流特性，需要兩個12V蓄電池串聯實現24V起動電壓接入起動機，同時為模擬整車電器在起動過程中的電壓特性，在整車電器電源主干線兩端接入24V直流穩壓電源。

2.3 發電機調節器失效-耐高壓工況

本工況為怠速情況下，模擬發電機調節器失效，為全車電器加載一個20.2V的電壓1h，試驗后檢查整車功能和軟件、硬件是否有異常。20.2V電壓來源于實際測試過程中，在發電機調節器失效模式下發電機調節器調節過后的實際電壓，經反復試驗，20.2V可以模擬本工況對整車電器的耐受要求；本測試的目的是評估整車電氣系統是否滿足一個20.2V的電壓60min，并且在試驗后沒有功能失效。

在車輛起動前先在蓄電池兩端并聯一個大功率直流電源，調節電壓至14V，起動車輛后斷開蓄電池，這時只有直流穩壓電源接入整車電氣系統，然后繼續調節電源電壓至20.2V。本工況為人為提高全車用電器的電壓，所以用電器的功率會非線性增加，這就要求外部電路需要大功率，即穩壓電源端需要滿足3kW以上的功率，同時檢查整個電路的導線，保證安全性。

本工況為危險工況，試驗前需做FMEA失效分析，對出現的各種危險情況需有相應的應對方案，需在專家及有經驗的工程師指導下進行。

2.4 發電機調節器失效-短路工況

本工況為在車輛動態工況下，模擬發電機調節器失效-調節器短路，發電器輸出一個不規則的螺旋上升的電壓，當電壓上升到一定階段，由于勵磁電壓及發電機本身的功率能力限制，電壓會在一定范圍內受到抑制，會出現一個在高水平循環變化的電壓（20～24V），由于發電機發電電壓較高，蓄電池充電電流非常大，在短時間內蓄電池的溫度快速上升，在蓄電池溫度達到危險級別之前停止試驗（根據蓄電池特性，需監控蓄電池溫度及相關參數）。試驗的目的是評價在發生類似的發電機調節器短路之后，顧客的感受及整車電器表現。

本工況為危險工況，試驗前需做FMEA分析，對出現的各種危險情況需有相應的應對方案，需在專家及有經驗的工程師指導下進行。

整車發電機調節器短路測試所涉及到的主要設備：32路示波記錄儀或者數據采集器，采樣率需達到100k/s以上；總線監控設備，能讀取車輛軟硬件版本號，測量CAN、Flex Ray & LIN信號；預處理的備用發電機調節器；錄像設備，提供試驗過程中的視頻記錄，做到試驗回放及記錄功能；電流、電壓、溫度傳感器，數據采集；其他，如斷路器、OBD線、滅火器等；專用試驗場。

2.5 發電機調節器失效-不充電工況

本工況為模擬發電機調節器失效，在動態情況下，發電機不為蓄電池充電，只依靠蓄電池本身的電量，整車在50km/h的勻速工況下能夠行駛的最長距離和最長時間（試驗過程中每5min檢查一次影響行駛安全的電器功能）。本試驗的目的是為了驗證在蓄電池充滿電的情況下，在駕駛員感覺到安全功能受到影響前，車輛行駛的最大距離及最長時間。模擬在高速公路或者長途行車時，顧客發現車輛提示充電失敗的情況時，車輛可以使用蓄電池已有電量安全地行駛到下一個服務區或維修站。

以上5個魯棒性研究工況均為車輛電器的極限工況，也是車輛在整車行駛及使用過程中可能出現的異常情況，這些異常情況的研究可以在設計階段進行相應的設計風險規避，保證整車的電氣安全，避免在以上極端工況下顧客的不良感受及車輛的異常危險系數，提高車輛的耐受性及適應性，減低顧客的抱怨率，提升產品品質及市場好評度。

3 魯棒性研究的試驗方法

魯棒性研究為開發性試驗研究，測試的步驟及方法均需通過多次反復的試驗驗證，找到可行的測試方案，同時在測試的過程中需首先保證試驗安全，特別是人員及車輛安全。

3.1 整車反極性試驗方法

3.1.1 試驗前準備

首先確認整車硬件和軟件版本號是否和當前測試的對象一致，然后檢查全車功能是否正常，測試整車靜態電流，連接測試傳感器，傳感器布點規則應和整車配置、相關控制器及執行器相匹配。

3.1.2 試驗示意圖（圖2）

圖2 反極性試驗示意圖

3.1.3 試驗步驟

1） 斷開發電機電源線。

2） 開始讀取軟件數據及總線數據，開啟錄像記錄儀表及屏幕信息。

3） 開始按順序把外接電源的-14V電壓連接到車輛的正負極兩端60s。

4） 60s后斷開電源，保存總線數據，停止錄像等。

5） 檢查全車電器功能，測試整車靜態電流，讀取DTC等信息。

6） 導出數據、錄像及軟件信息以便分析。

3.1.4 試驗后分析

1） 評價整車電氣系統是否能夠承受-14V的反向電壓沖擊。

2） 試驗過程中出現的任何異常現象均需要進行采集數據、錄像、軟件信息等一致性檢查分析。

3） 分析應包含車輛基本信息、布點信息、實驗步驟及測試人員信息。

4） 分析應包含試驗前后硬件及軟件對比分析、數據分析。

5） 分析應包含車輛電器功能影響分析、對各個關鍵電器件的影響分析以及對整車靜態電流的影響分析。

6） 應給出測試評價結果及建議，并經專家評審確認。

3.2 24V跳起動試驗方法

3.2.1 試驗前準備

調節傳感器位置及數量，對2個串聯12V蓄電池預處理，分別進行充電，使串聯電壓在24～25V之間，確認不超過25V，以免對整車電氣系統造成額外損害。

檢查全車功能是否正常，讀取試驗前DTC信息，測試整車靜態電流，調整測試電路，在起動機電源線兩端串聯預處理后的2個串聯12V蓄電池，在整車電源線兩端接入大功率直流電源。

3.2.2 試驗示意圖（圖3）

圖3 24V跳起動試驗示意圖

3.2.3 試驗步驟

1） 開始讀取軟件數據及總線數據，開啟錄像記錄儀表及屏幕信息。

2） 24V直流穩壓電源調節到24V，并接通電源開關，試驗開始。

3） 15s后鑰匙放入車輛內。

4） 30s后開始起動車輛，如果車輛起動成功，則60s時結束試驗；若車輛起動不成功，需在30～60s時間內繼續起動操作直至60s結束試驗。

5） 停止記錄數據并保存，停止錄像。

6） 恢復車輛連接狀態。

7） 根據車輛功能檢查表檢查全車電器功能狀態，測試整車靜態電流，讀取試驗后DTC等信息。

8） 導出采集數據、錄像及總線數據以便分析。

3.2.4 試驗后分析

1） 試驗后數據分析參考3.1.4。

2） 試驗過程中出現的任何異常現象均需要進行采集數據、錄像、軟件信息等一致性檢查分析。

3） 試驗過程中需監控起動信號的情況，包括車身控制器BCM信號、發動機ECM信號、變速器信號、VDDM信號及鑰匙信號，因為這些信號是起動過程中必須的信號，如果24V起動不成功，首先查找以上信號是否正常發出。

3.3 發電機調節器失效-耐高壓魯棒性試驗方法

3.3.1 試驗前準備

常規要求與3.1.1的要求保持一致。

蓄電池端需安裝斷路器，在車輛起動后斷開蓄電池以保護蓄電池。

試驗前FMEA分析，對各種失效模式及風險項制定相應對策，特別關注人員、車輛及設備安全。

3.3.2 試驗示意圖（圖4）

圖4 發電機調節器失效-耐高壓魯棒性示意圖

3.3.3 試驗步驟

1） 開始讀取軟件數據及總線數據，開啟攝像頭，記錄儀表及屏幕信息。

2） 起動車輛，開始試驗。

3） 接通外接直流穩壓電源，并調節到14V。

4） 斷開蓄電池電源，并調節直流穩壓電源電壓至20.2V。

5） 60min后，停止記錄數據并保存，停止錄像。

6） 恢復車輛連接狀態。

7） 根據車輛功能檢查表，檢查全車電器功能狀態，測試整車靜態電流，讀取試驗后DTC等信息。

8） 導出采集數據、錄像及總線數據以便分析。

3.3.4 試驗后分析

1） 試驗后數據分析參考3.1.4。

2） 試驗過程中，CSD及HUD黑屏為正常狀態，試驗后需恢復。

3.4 發電機調節器失效-短路魯棒性試驗方法

3.4.1 試驗前準備

常規要求與3.1.1的要求保持一致。

需提前對發電機調節器進行預處理，具體操作為發電機調節器內部碳刷電源正負極端分別接出一根導線，把導線引入駕駛艙，在導線盡頭分別串連一個開關和一個熔斷絲（保護導線），使操作員可以在車輛行駛過程中對發電器調節器進行短路操作。

在蓄電池表面粘貼溫度傳感器，時刻監控蓄電池溫度，保證安全。

試驗前FMEA分析，對各種失效模式及風險項制定相應對策，特別關注人員、車輛及設備安全。

3.4.2 試驗示意圖（圖5）

圖5 發電機調節器失效-短路魯棒性示意圖

3.4.3 試驗步驟

1） 開始讀取軟件數據及總線數據，開啟攝像頭，記錄儀表及屏幕信息。

2） 起動車輛，開始試驗，只開啟基礎用電器。

3） 關閉發電機調節器短路開關，使調節器短路，原地怠速5min后，駕駛車輛開始動態試驗，使發動機轉速保持著2000r/min，保持5min。

4） 回到出發點檢查車輛電器功能，如轉向燈、雨刮、報警燈、制動燈、駐車功能等，需在1min內完成。

5） 重復以上循環，在此過程中，時刻監控蓄電池溫度，當蓄電池溫度到達危險級別（如大于65℃） 或者車輛有冒煙及其他危險現象時，停止試驗。

6） 停止記錄數據并保存，停止錄像。

7） 恢復車輛連接狀態。

8） 根據車輛功能檢查表，檢查全車電器功能狀態，測試整車靜態電流，讀取試驗后DTC等信息。

9） 導出采集數據、錄像及總線數據以便分析。

3.4.4 試驗后分析

1） 試驗后數據分析參考3.1.4。

2） 記錄試驗過程中出現的所有異?，F象。

3.5 發電機調節器失效-不充電魯棒性試驗方法

3.5.1 試驗前準備

常規要求與3.1.1的要求保持一致。

調整傳感器位置。

試驗前FMEA分析，對各種失效模式及風險項制定相應對策，特別關注人員、車輛及設備安全。

3.5.2 試驗步驟

1） 蓄電池需充電24h，將試驗車輛緩慢移至試驗場地。

2） 開始讀取軟件數據及總線數據，開啟攝像頭，記錄儀表及屏幕信息，起動車輛，開始試驗。

3） 5min怠速靜置，調節用電器：空調自動擋。

4） 開始以50km/h的速度在試驗場內進行試驗，只使用駕駛必須的電器功能，每5min回到出發點一次檢查功能。

5） 每次檢查功能的時間為2min，檢查的功能只涉及到駕駛安全的功能，如：助力轉向、轉向燈、制動功能、駐車功能、雨刮及遠近光等。

6） 檢查功能之后，在15s內把車速加速到50km/h繼續動態循環。

7） 在整個過程中記錄儀表出現的任何故障提示，記錄車輛出現的任何異?，F象。

8） 直到出現影響車輛安全行駛的功能出現，且不可繼續進行為止，停止試驗。

9） 恢復車輛連接狀態，為饋電蓄電池充電，使其能起動車輛。

10） 根據車輛功能檢查表，檢查全車電器功能狀態，測試整車靜態電流，讀取試驗后DTC等信息。

11） 導出數據、錄像及總線數據以便分析。

3.5.3 試驗后分析

1） 試驗后數據分析參考3.1.4。

2） 測試之前和之后，如果任何功能被永久損壞，記錄下來并分析該特定功能的故障診斷代碼。

3） 試驗過程中，需根據表1進行事件記錄。

表1 No-charging事件記錄表

4 數據分析示例

4.1 靜態電流波動分析

圖6、圖7為試驗前后靜態電流。試驗前及試驗后靜態電流在同一水平，平均值為13mA左右，但是在試驗后靜態電流測試的過程中，出現多次毛刺現象，這個情況應該是某個模塊在沒有任何操作的情況下有喚醒現象，并且多次出現，說明在試驗后有模塊被影響，需要多次測試來判定是偶發現象還是一直被影響，并且需要定位被激活的模塊位置。

圖6 試驗前靜態電流

4.2 采集數據分析

當儀表黑屏，試驗車輛已經進行了16個循環的試驗，從圖8可以看到在每個循環結束時檢查功能的時候，由于沒有了迎面風，造成車輛用電量急劇上升（散熱風扇開啟），經過16個循環，117min之后，蓄電池電壓最低達到6.7V，出現了制動失靈、轉向助力失效、無法換擋、儀表黑屏等影響駕駛的功能失效，車輛行駛里程通過表2可以看出已達57km，表現不錯。

圖7 試驗后靜態電流

圖8 不充電魯棒性

5 魯棒性在車型開發中的實現路徑

5.1 整車目標的制定

要實現整車魯棒性性能，首先要制定整車魯棒性的目標，比如根據整車定位、電器架構及銷售市場的要求，制定魯棒性需要達到的目標水平。

5.2 零部件目標制定

根據整車魯棒性目標，分解到零部件及系統級別，然后在部件開發中對所有零部件的電器開發需求進行規定，把開發目標需求下發到供應商進行功能實現，供應商提供相應的設計方案，同時提供驗證計劃，經批準后進行技術開發，在對應階段提供相應的試驗報告。

5.3 魯棒性性能的驗收

在零部件設計目標達成及驗證合格的前提下對整車進行整車魯棒性驗證，檢查是否達到整車魯棒性目標，為簽發屬性目標做準備。

表2 No charging事件記錄

6 結論

魯棒性研究需要以電氣安全和顧客感受為最終目標，電氣魯棒性對提高整車電氣系統的耐受性及環境適應性有重要的影響。以整車電氣系統魯棒性為研究對象，同時通過制定一整套行之有效的驗證方法來保證有效性，通過數據分析及在開發中的實現路徑，形成可操作的魯棒性研究方法。

目前國內外并沒有具體的關于汽車電氣系統魯棒性方面的研究，包括整車電氣魯棒性的概念和相應的配套標準及驗證方法，本文對當前國內汽車電氣系統魯棒性方面的研究具有很好的指導意義。

另外，魯棒性的研究是開發性質的性能研究，內容不僅限于以上幾個方向，還需要更多更深的探索，使其達到更全面、系統的汽車電器性能開發方案。