新能源汽車關鍵電子部件的可靠性工程研究

王斌，李航

（云南省電子信息產品檢驗院，云南 昆明 650031）

0 引言

目前，我國汽車行業得到迅速發展，為人們提供便利的出行服務。汽車行業逐漸向智能化、節能環保、安全的方向發展，實現新能源汽車，積極響應節能減排的政策。電子部件的可靠性對新能源汽車發展和汽車電子的安全可靠性具有決定性作用。

1 新能源汽車介紹

1.1 概念

新能源汽車主要采用新型能源當作汽車行駛的動力，充分發揮科學先進技術的重要作用，有效控制汽車的動力和驅動系統。新能源汽車相比較于燃油汽車，具有自身一定的優勢，能夠有效降低汽車行駛中對空氣的污染，同時采用先進的結構設計和內部驅動[1]。全球范圍內各種不可再生能源逐漸衰竭，大力開發可再生能源，促進了各個國家能源鏈的變化。我國對新能源汽車進行大力的開發和利用，促進能源的更新換代，最大限度減少污染物的排放量，減少對不可再生能源的消耗，降低對自然環境的污染程度。

1.2 出現原因

汽車在實際使用中產生大量的尾氣，對自然環境產生嚴重影響，同時我國能源逐漸減少，造成汽車已經難以滿足新時代人們的實際需求。因此，我國對新能源汽車的開發利用進行足夠重視，逐漸積累豐富的經驗[2]。社會企業在國家的支持和保障下，不斷研發和宣傳新能源汽車，更加符合人們對汽車實際需求，將汽車燃料進行轉變，實現新能源，最大程度的減少對自然環境的不良影響，積極響應自然環境，提高人們的生活水平，有效緩解社會能源的緊張狀態。

2 新能源汽車電子關鍵部件

2.1 整車控制器

整車控制器是新能源汽車主要的部件之一。整車控制器主要組成部分包含硬件電路、底層和應用成軟件[3]。我國整車控制器硬件利用規范化的核心模塊電路，主要包含電源、存儲器、專用電路等組成。整車控制器主要對加速、剎車等具體信息收集，對駕駛人員的意圖進行判斷，對汽車的溫度和速度等實際狀態進行監測，通過整車控制器判斷和處理，向汽車傳送運行控制指令，對電力系統的實際運行模式進行控制，同時實現對整車系統產生的故障進行診斷和保護。

2.2 電池管理系統和電池包

新能源汽車主要利用電能正常行駛。因此，電池管理系統和電池包對新能源汽車具有重要作用。電池包是汽車的核心能量源。電池包的組成部分主要是電芯、電池管理和熱管理系統，其殼體主要是金屬材料構成，核心零部件是電池管理系統。電池管理系統主要包含電池包的電芯，避免電池在使用中發生過度充電和放電的情況，最大程度提升電池包的利用效率，延長其使用壽命。

2.3 電機控制器

驅動電機為新能源汽車提供主要動力，其核心電子單元是電機控制器。電機控制器構成部分主要包含控制電路、算法軟件等硬件，通常實行模塊化和平臺化的設計。電機控制器主要接收整車控制器的車輛行駛指令，對電動機輸出扭矩和運轉速度進行控制，驅動汽車的正常行駛，有效的將動力電池的直流電能進行轉換，為汽車行駛提供高壓交流電，促進電機本體輸出機械能，如圖1所示。

圖1 電機控制器的結構框圖

3 新能源汽車關鍵電子部件的可靠性工程研究

3.1 工作特點

新能源汽車相比較于以往的燃油汽車，在結構部分、動力傳送和電控系統的性能等多個方面具有較大的差異性。新能源汽車主要根據電力驅動，由高壓和低壓系統組成，分別滿足不同性能的實際需求。高壓系統具有自身的特點，主要是高電壓和封閉性；低壓系統主要滿足高壓系統信號交互的實際需求。高壓系統和低壓系統中對可靠性具有較高的要求。例如，高性能處理器、集成化功率回路設計等相關電子電控系統的核心技術要求較高的可靠性[4]，如圖2所示。

圖2 新能源汽車可靠性基本工作內容

新能源汽車的特點，全部用電實現全車的驅動和控制。機械應力和熱應力是造成新能源關鍵部件失效的主要制約因素。新能源汽車的驅動模式和以往燃油汽車進行比較，驅動電機主要是其動力源，同時是電動汽車振動的主要激勵源。研制人員對新能源汽車關鍵部件進行研制和初始設計的過程中，需要對新能源汽車上的相關電子電控系統進行全面了解和掌握。研制人員對電子電控系統的固有頻率進行熟知，防止和驅動電機頻率相近，出現共振，造成新能源汽車發生故障，同時由于自身引發的振源，對新能源汽車在路面正常行駛的過程中出現隨機振動、或者在坑洼路面上出現沖擊的情況進行全面考慮[5]。

另外，熱應力是另一種典型應力，其熱的來源主要包含電子部件自身、驅動電機發熱和外界自然環境等帶來的熱量。熱能夠造成電子元器件的老化現象，同時對新能源汽車的關鍵電子部件安全可靠性起到決定性作用。新能源汽車的關鍵電子部件種類繁雜，其中IGBT的成本最高，同時具有代表性的電子元器件。我們根據相關調查數據進行分析，IGBT在新能源汽車中占據整車總成本的9%左右，是汽車電池之外的成本最高的重要電子元器件。IGBT在實際研制發展的過程中需要充分發揮其最大的功率水平，同時要保證其較高的可靠性，實現最大的電流負載能力。我國科學技術發達，新能源汽車在開發和利用的過程中，逐漸積累大量的經驗，不斷創新和改進相關技術，實現了無焊料芯片粘接、帶式鍵合等相關技術[6]。但是，現階段新能源汽車的熱和機械綜合應力等相關影響因素，會導致封裝鍵合線出現退化的現象，同時產生固晶焊疲勞、芯片破裂和基底損壞等功率循環和熱效應等多個方面的問題。

我國新能源汽車使用場景具有自身的特殊性，在實際行駛的過程中會受到溫度轉變、雨水、沙塵等自然環境氣候的影響，同時受到汽車尾氣的腐蝕等相關因素的影響。另外，新能源汽車在停放的過程中經常容易受到生物損壞、霉菌侵蝕等相關應力的影響。新能源汽車的關鍵電子部件和其他大多數電子產品進行比較，更加容易受到相關應力的影響，承受的應力比較嚴峻。

3.2 工作內容

關鍵電子部件的可靠性研究對新能源汽車的健康持續發展具有重要作用。相關研究人員需要明確關鍵電子部件可靠性研究工作內容，對其可靠性設計、制造、篩選、試驗進行全面考量，同時對于現場環境使用實際情況和失效信息進行收集和總結。關鍵電子部件可靠性研究人員可以在實踐工作開展的過程中對其可靠性設計進行出發，完成關鍵電子部件可靠性建模、設計和分配、仿真等多個方面的工作內容。設計產品的初始階段，需要明確產品自身固有的特性；產品實際生產的過程中，需要對工藝的統一性和穩定性進行有效的控制制造；產品實際生產中，需要加強產品試驗工作力度，對于產品在現場環境中使用的實際情況進行全面了解，記錄相關信息數據，及時發現產品中存在的問題和缺陷，采用失效分析的措施，將實際分析的結果向產品設計端進行全部反饋，形成閉環。

3.3 工作環節

產品具有不同階段的全壽命周期。因此，產品可靠性工作開展的相關研究活動存在一定的差異性。可靠性工作開展的過程中需要對新能源汽車企業的實際情況進行全面考量。產品全壽命周期主要包含概念階段，新能源汽車關鍵電子部件可靠性工作開展主要對產品可靠性和環境適應性的實際要求進行全面調查和分析；產品開發設計環節，開展起可靠性研究工作主要對具體的可靠性設計、試驗和評價活動進行全面有效執行；中試階段主要可靠性工作開展中需要對具體可靠性改進的相關時間應力進行關注和重視；生產環節主要對產品的統一性和安全穩定性進行保證，有效控制生產工藝的可靠性；產品生產完成之后，需要將其在實驗室進行功能的試驗，同時在產品真正投入市場之后的實際使用情況進行反饋，保證產品的可靠性能[7]。

4 結語

新能源汽車關鍵電子部件可靠性工程研究對新能源汽車今后的發展具有重要作用。本文主要對新能源汽車概念、產生原因和關鍵電子部件進行全面分析，同時對可靠性工作開展特點、工作內容和工作環節提出了建議，希望對可靠性工程研究有所幫助。