制動安全控制系統（BSC）可靠性研究

王勝，范學，陳松明，張洪巖，郭丹，章翔

（比亞迪汽車工業有限公司，深圳 518118）

前言

對于涉及到行車安全的系統或部件，如何保證其可靠性是一項非常重要的工作，也是產品和可靠性工程師必須面對和解決的問題。BSC即 Braking Safety Control System，是比亞迪自主研發的制動安全控制系統，包括電子液壓制動、制動回饋、ABS、EBD、TCS、VDC、CDP、HHC等主動安全功能，及相關被動安全功能，如圖1所示。本文基于可靠性工程，制定了一套完整的BSC可靠性管控體系。

圖1 BSC系統結構

1 可靠性工程理論

1.1 可靠性管理

可靠性是指產品在規定的時間和規定的條件下完成規定功能的能力。通常，在產品的設計開發中，我們關注的重點是產品的功能和性能，對可靠性重視度不夠，更忽視了整車壽命周期內的可靠性管理。

目前，汽車行業內整車設計壽命至少是10年或30萬公里，部分主機廠要求更高；為達到整車設計壽命要求，需要對產品的可靠性進行有效管理。其中，設計階段是可靠性管理的基礎。 產品的可靠性這一內在的質量指標是在產品的設計階段形成的，因此從產品研制開始就必須要考慮其可靠性。可靠性工作開展得越早，成效就越大，經濟效益就越好。

1.2 可靠性工程開發

在產品全壽命周期的不同階段, 可靠性工作開展的活動不盡相同，一般來說，產品在生命周期內主要會經歷概念設計、方案設計、工程設計、 試制、SOP和售后等階段。 具體來說，可靠性工作的內容如圖2。

圖2 可靠性工程開發

1）可靠性目標及分配工作：調查和分析產品對可靠性和環境適應性的需求，并根據售后維修數據制定可靠性目標；如10年30萬公里、R97C50等；并根據可靠性目標將其分配到產品各組成部分并預計產品研制過程中其設計方案所能達到的可靠性水平。

2）可靠性設計分析工作：選擇能滿足可靠性要求的零部件、元器件，通過如FMECA、FTA、SCA及容差分析等可靠性分析找出產品的薄弱環節，為產品設計的改進提供依據和支持。

3）可靠性驗證工作：其目的就是通過試驗找出影響產品可靠性的薄弱環節，為產品設計的改進提供依據和支持（可靠性工程試驗）；或通過試驗確定或評價產品的可靠性水平（可靠性統計試驗）。

4）使用可靠性分析工作：在產品交付用戶后還用關注售后維修問題，以實現可靠性增長。

2 BSC可靠性管控體系

結合我司產品開發E流程及對可靠性管理要求，建立BSC可靠性管控體系，如圖3所示。

圖3 可靠性管控體系

2.1 可靠性目標制定

通過參考類似產品的售后數據，運用weibull分析設定合理可實現的可靠性目標:10年30萬公里，基礎制動功能可靠度99.9 %，其它功能可靠度99 %。

2.2 可靠性模型及分配

2.2.1 可靠性分配的原則

在進行可靠性分配時需要遵循以下幾條原則:

1）對于復雜度高的分系統、設備等, 應分配較低的可靠度指標；

2）對于重要度高的產品, 應分配較高的可靠度指標；

3）對于技術上不成熟的產品, 分配較低的可靠度指標；

4）對于惡劣環境條件下工作的產品, 應分配較低的可靠度指標。

2.2.2 BSC系統可靠性模型建立

根據BSC系統功能實現的工作過程，繪制其可靠性框圖，通過框圖的建立，可以整體分析可能存在的故障，找出關鍵單元,如圖4所示。

圖4 BSC系統的可靠性框圖

2.2.3 AGREE分配方法介紹

AGREE分配方法考慮了各子系統或單元的綜合影響因素和系統之間的失效關系。在本次BSC系統可靠性分配過程中，充分考慮了各單元的復雜度、重要度、環境因素、技術成熟度與工作時間的影響，爭取分配的結果更加合理化。

1）影響因素的評分原則

①重要度—根據單元的重要程度，單元失效后造成的影響程度來評定。評分級別為0.2、0.4、0.6、0.8、1五個級別，重要程度越高，失效后造成的結果越嚴重，則評分級別越高；

②復雜度—根據組成單元的元部件數量以及組裝的難易程度來評定。評分級別為2、4、6、8、10五個級別，單元數量越多，組裝較難，則評分級別越高；

③技術成熟度—根據單元目前技術發展水平和成熟程度來評定。評分級別為2、4、6、8、10五個級別，技術成熟度越高，或利用的是同行業內的高質量產品，則評分級別越高；

④環境因素—考慮單元所處的綜合工作環境來評定。評分級別為2、4、6、8、10五個級別，單元所處的環境越好，則評分級別越高，反之越惡劣，評分越低；

⑤工作時間—根據單元工作時間的長短來評定。評分級別為2、4、6、8、10五個級別，單元始終參與在系統的工作過程中評分越低，反之，評分越高。

2）AGREE的數學模型

式中：

ji—各單元的復雜度評分；

ωi—第igewee 個單元的重要度；

RG(t)—系統在運行的時間t內，系統的目標可靠度；

R (t)—分配給第i個單元的可靠度；

β—綜合加權因子：技術成熟度、環境因素和工作時間因素；

2.2.4 BSC系統可靠性分配結果

對于BSC系統的基礎制動功能，要求非致命故障的可靠度目標為99 %；致命故障的可靠度目標為99.9 %。對各單元的評分等級確定后，運用AGREE分配法，將致命故障可靠性目標分解到關鍵零部件，分配結果如表1所示。

表1 專家打分及分配結果

2.2.5 故障樹模型與驗證

對BSC系統的工作過程分析后，找出該系統可能發生的故障模式，構建該系統的故障模型，為可靠度分配結果驗證提供必要的基礎條件。由于BSC系統的故障樹模型較復雜，這里只選取其中致命故障的故障樹模型作出簡要的介紹，如圖5所示。

圖5 BSC系統故障樹模型

BSC系統的故障樹模型建立完成后，利用數學上“與門”和“或門”的數學邏輯關系，驗證分配結果是否滿足指標的要求。以上面的致命故障為例，計算其故障率。

計算得出致命故障的故障率為64PPM，即實際分配的可靠度指標為99.993 6 %＞99.99 %，滿足要求。

圖6 建議的EMI吸收電路

2.3 可靠性設計評審

可靠性設計評審根據原理圖、PCB文件以及器件規格書等資料，從結構設計、電路原理設計、器件選型、電磁兼容設計、DFMEA等方面進行評審分析，并找出薄弱環節。為后續進一步故障激發和驗證指明方向，提出設計改進建議。

BSC系統主要從三個方面進行了設計評審，一是結構可靠性評審，二是器件可靠性評審，三是電磁兼容的相關問題。

可靠性評審一共發現了18個問題，經過各方討論與會簽，達成一致，其中選擇改善的需要改善后進行驗證，待確定的需要通過測試尋找進一步的數據，不改善的也需要進行持續跟進。

2.4 可靠性仿真

運用Flotherm軟件對ECU進行了熱仿真，根據數字模型預測產品內部氣流流動、溫度分布和熱量傳遞過程，從而識別產品存在的熱設計風險。

2.5 試驗驗證分析

2.5.1 E1故障激發試驗

該階段主要進行故障激發試驗，找出產品弱點和設計缺陷。故障激發試驗是一種可靠性強化試驗，通過系統地施加逐步增大的環境應力和工作應力，激發和暴露產品設計中的薄弱環節，發現產品應力極限，改進設計和工藝，提高產品健壯性和可靠性。故障激發試驗包括高加速壽命試驗（HALT）和高加速應力試驗（HAST），以HALT試驗為例，其試驗流程如圖7所示。

圖7 HALT試驗流程及環境剖面

對BSC系統ECU等關鍵部件進行HALT試驗，試驗結果如表2所示。

表2 BSC HALT試驗故障情況匯總表

通過對上表BSC故障現象進行分析，找到了故障的根本原因，并通過設計改進解決了問題。例如：閥體電流SLA_Current_Filtered當前值持續為1，是因為電磁閥線圈針腳斷路或接觸不良，造成驅動回路斷開。

貼片電感L1脫落是因為貼片電感L1體積質量大、焊盤小，在振動應力較強時易于脫落，通過對焊接工藝進行改進（熔爐溫度提升10～15℃）后回歸驗證問題得到解決，焊點可靠度也得到了大幅度提升。

圖8 BSC零部件故障現象

2.6.2 E2 總成可靠性驗證

該階段主要進行總成可靠性驗證，針對BSC系統不同服役環境，制定環境適應性試驗方法；針對BSC設計壽命和可靠性要求，結合加速模型制定可靠性加速試驗方法，見表3所示。

表3 可靠性試驗加速模型

以制動主缸及車輛穩定控制總成為例，其可靠性試驗結果如表4所示，其中針對不符合項目，通過原因分析→設計改進→再驗證等進行閉環管理。

表4 制動主缸及車輛穩定控制總成試驗結果

2.6.3 E3 系統可靠性

該階段主要進行系統耐久試驗，評估產品是否存在系統失效與性能降級風險，主要適用于產品研發中期的系統可靠性驗證。

1）結構耐久試驗

通過采集整車道路試驗數據，匯總統計整車生命周期內制動次數，如表5所示。結構耐久試驗主要進行踩制動踏板的基礎制動工況，側重于檢驗系統的機械結構強度。

表5 整車道路試驗制動數據

對整車制動進行統計分類，分為三類制動形式：輕度制動、中度制動、緊急制動。按照不同制動形式的比例大小，進行組合循環制動耐久試驗。

2）功能耐久試驗

功能耐久試驗則進行包括 ABS、EBD、TCS、VDC、HHC、HDC、AVH、BBS和點火自檢等工況，側重于檢驗系統功能壽命，主要目的是驗證BSC系統在高低溫環境下，功能是否出現異常或者失效，根據失效模式找出產品薄弱點，促進產品改進驗證。

以中高附ABS（如濕瀝青）緊急制動為例，為滿足輪胎的滑移率達到最大附著系數區間，需反復調整制動鉗的油壓波動，實現整車制動防抱死，增強整車制動安全性。

圖9 BSC功能耐久測試臺架及中高附ABS曲線

2.6.4 E4整車可靠性

整車可靠性主要進行用戶道路及強化壞路試驗，按單車分別統計整車和BSC系統的故障頻次和首次故障里程（MTTFF）、平均故障間隔里程（MTBF）、當量故障率等信息。對整車試驗中發現的問題同樣需要執行分析→改進→再驗證這一閉環管理過程。

3 結論

本文將可靠性工程理論和我司產品開發E流程緊密結合起來，形成了一套比較實用的可靠性管控體系，并針對該管控體系，詳細介紹了各個管控階段的可靠性工作，例如：目標設定與分解、設計評審、故障激發試驗等，為產品的可靠性管控提供借鑒。此外，在傳統的零部件→系統→整車三級驗證體系基礎上增加了PCBA板級的HALT試驗，能快速激發和暴露產品的薄弱環節，對提高產品可靠性、縮短研發周期、降低成本等有顯著作用。