长里程道路适应性试验中汽车混动系统的可靠性浅析.pdf

汽车工业研究季刊2023年第2 期57研发R&dDOl:10.3969/j.issn.1009-847X.2023.02.013长里程道路适应性试验中汽车混动系统的可靠性浅析郑亮田川超欧阳俊摘要：汽车混动系统的可靠性是一项对混合动力汽车的品质有决定性作用的重要指标。本文根据长里程道路适应性试验的结果，对混动系统可靠性进行探讨，分析了影响混动系统可靠性的主要影响因素、典型失效形式、评价方法以及解决思路。为后续混动系统开发优化提供相关数据和参考。关键词：混动系统道路适应性可靠性分析前言随着新能源汽车产业的高速发展，混动系统也随之升级迭代。众所周知，混动系统是新能源汽车的重要组成部分，由于其结构复杂，包括如发动机、变速器、三电系统等核心部件，另外受车辆使用地理环境、路况及用户驾驶习惯等影响，所以不可避免存在一些可靠性方面的问题。具有优异可靠性的混动系统可以大大提高车型的竞争力，获得市场认可和用户的青，并提高市占率。本文主要基于某混动车型长里程道路适应性试验的结果，对混动系统可靠性的影响因素、类型、评价方法进行分析，为混动系统的开发提供重要的参照和优化方向。针对薄弱零部件后续加强设计规避和环节管控，尽快补齐存在的短板和不足。国内混动车型现状为满足国家油耗要求和排放标准，近年来国内主流整车厂都在大力开发混合动力汽车，推出的混动车型普遍受到了市场的认可，产品市场竞争力不断提高，如比亚迪DM-I（D u a l mo d e i n t e l l i g e n t）系列混动车型，长城或吉利DHT（D e d i-catedhybridtransmission）系列混动车型，广汽G-MC（G A CM e c h a t r o n i cCoupling）系列混动车型 2 国内混动系统关键技术已取得显著的成绩，核心零部件的各项性能都有较好的表现，与其他国家（如日本）整体差异正在逐步缩小，但在可靠性方面还有不小的提升空间。近年来某些汽车品牌因为混动系统的可靠性问题进行了市场召回，不仅影响到客户口碑，也给企业效益都带了不良影响。混动系统结构形式行业内根据电机的所在位置，将混动车型的技术模式分成PO、P1、P2、P3、P4等。P2模式的电机在变速器输人轴，P3模式的电机在变速器输出轴，而在目前工程实践过程中，基于布置控制空间、成本、性能等方面的考虑，将电机与变速器高度集中融合，形成介于P2和P3的模式，行业内一般称为P2.5或者PS模式，常见如丰田THS、比亚迪DMI以及广汽G-MCPS模式系统集成度高，体积小，布置方便，可以实现纯电、增程、直驱、双驱、发电等不同模式下的灵活切换，但技术难度大，产品设计、软件策略标定、生产制造较为复杂，对于如何保证可靠性是其开发过程中一项重要考验。G-MC混动系统主要核心部件包括发动机、机电耦合系统（驱动电机、发电机、减振器、离合器、变速齿轮机构等）、动力电池以及控制系统（整车控制器(VCU)、电机58汽车工业研究季刊2023年第2 期研发R&d控制器（IPU）、耦合控制器（CCU）等组成。混动系统原理图如图1所示。混动系统的可靠性表现33.1混动系统核心零部件的主要失效形式混动系统所关联的核心零部件主要失效形式包含以下几个方面：（1）发动机方面：漏油、油液消耗异常、内部零部件断裂失效、性能恶化引发的异响；（2）机电耦合器方面：漏油、内部机构零部件断裂失效、阀或传感器故障、性能恶化引发的异响；（3）动力电池方面：电池冷却性能恶化以及软件控制不良导致的过温、动力电池性能衰减严重、支架及自身机械机构断裂失效、鼓包、内部短路自燃等；（4）控制系统方面：软件标定不良、硬件系统不完善等引起的各类故障、核心零部件过温（电机控制器、电机）、性能恶化引起的异响、绝缘故障及线路故障。3.2影响混动系统可靠性的主要因素设计及生产制造不良是影响混动系统可靠性的两大主要因素(4，具体如下：（1）设计不良：因设计人员经验不足、个人失误、技术标准缺乏相关要求等，设计过程未能有效规避，如发给工厂图纸设计要素缺失、错误或者标记注释不明确；耦合器内部机构强度要求不足，出现变形失效。（2）生产制造、品控不良、产品不符合设计要求：一方面零部件以及总成供应商因生产环境、材料、工艺、装配安装、工人操作、零部件检测、包装运输等环节缺少控制标准，如耦合机构内部油压传感器针脚制造过程中外力变形，出现压力信号异常，引发报警；耦合机构壳体存在加工铸造缺陷，有贯穿性气孔，导致油液渗漏；另一方面整车装配制造过程品控不良，如IPS（集成电源模块）装配过程产生碎屑，导致绝缘故障。3.3混动系统可靠性的评价方法混动系统可靠性的评价方法主要是依据FMEA（Fa i lu r e M o d e a n d Ef-fectAnalysis，失效模式与后果分析）这一分析工具5。在汽车产品开发过程中，通过运用RPN（风险优化系统）综合判断故障的严重程度，并将混动系统故障等级划分为1 5级（5级程度最严重），并明确每个故障对应的扣分值Pj（j=(1,2,3,4,5)。根据混动系统性能目标设定指标、试验经验以及置信度区间，设定混动系统扣分目标值（Qp），试验后根据公式（2）计算所累积的扣分值Q，若扣分值Q大于（Qp），则试验不通过，反之，试验通过。RPN值通过公式（1）计算得到。RPN=SOD,D,A(1)式中：S为故障严重度；O为发生率；D,为可探度；D,为耐久度；A为客户可接受度。Q=Z-Qi=ZP(i)A(i,j)1j5(2)式中：n为试验车辆数量辆，A（ij）为第i辆车暴露j级问题的数量，P（j)为j级问题对应的扣分值，Qi为第i辆车对应的扣分值。3.4长里程道路适应性试验对混动系统的考核意义长里程道路适应性试验在汽车开发验证中具有重要意义，是验证体系中唯一没有强化系数的试验下页表1所示为长里程道路适应性试验对混动系统的考核场景，有别于汽车试验场或试验室内的试验，不仅覆盖复杂的路况、复杂的气候、多样的天气种类，而且可以充分模拟用户的行为，并监测混动系统的各项性能（NVH、耦合机构温度、电机温度、油品性能等）的状态。3.5混动系统的试验结果通过问题性质分类可以看出因生产装配不良所致的问题占比最高，另外从问题归属分类看出问题主要集中在耦合机构以及控制系统，分别占比35%、2 9%，如下页图2、图3所示。混动系统每个核心零部件出现的失效形式如表2 所示，并据公式（2）计算所得混动系统的综合扣分值QQp。混动系统可靠性的优化方向长里程道路适应性试验后，混动系统的整体可靠性总体虽表现较电池组电机控制器发动机耦合机构耦合机构整车控制器控制器图1混动系统原理图汽车工业研究季刊2023年第2 期59R&d研发表1 长里程道路适应性试验对混动系统的考核场景场景要素目的城市/高速/一般路/坏路/山路验证在长里程实际道路下不同路况、不同车速段下车辆的实际表现路况适应性验证在典型路面下的表现，如云南地区长上下坡高速路、重庆地区山路城市路、典型路面工况适应性云贵地区大坡度的山路不同的驾驶风格（如激烈型、普通型、柔和型）对车辆的影响各不相同，需要充用户驾驶风格分覆盖用户驾驶风格，才能暴露更多潜在的故障用户行为适应性用户使用习惯试验过程中需要充分模拟用户的使用习惯用户滥用/误用验证在用户滥用/误用的情况下，车辆的相关系统零部件的强度表现通过在不同的气候条件地区（如高温、高寒、高原等），以及特殊场景下（如产气候/环境适应性生强电磁干扰的高压电站、信号塔等建筑、空气多粉尘/柳絮）进行实际行驶，以验证车辆在这些极端天气或特殊条件下可能存在的问题地理环境适应性验证车辆在使用不同类型（如乙醇汽油、私营油站汽油）的燃油情况下（耐腐蚀燃油适应性性），动力系统可能出现的问题以及油耗实际表现地形/地势适应性验证车辆在国内复杂多样的地形/地势条件下可能出现的可靠性问题好，但主要核心零部件仍会出现不同形式的失效，究其原因主要跟生产制造和设计开发强相关。所以要开发一套可靠性优异的混动系统，需要在设计验证和生产制造环节加强管控。在设计领域，需要提高设计开发人员自身能力，规避设计人员自身的低级错误，并补充完善设计技术标准，对于新发问题在后续开发项目中要做好再发防止工作。在验证阶段，充分了解用户的需求和习惯，争取覆盖更多的用户场景，尽可能在车辆上市前将问题全部暴露。在生产制造领域，需要保证制造装配的品质、提高产品的一致性以及加强供应商品质管控。针对混动系统中的耦合机构，由于其结构复杂性，整车厂、供应商需要通过提高技术水平和环节把控，保证其生产制造的品质。结论要想保证汽车混动系统的可靠性，需要从核心零部件人手，严格混动系统问题归属分类40%35%35%29%30%24%25%20%15%12%10%5%0%发动机耦合机构控制系统动力电池图2 混动系统问题归属混动系统问题性质分类70%60%60%50%40%40%30%20%10%0%设计生产制造图3 混动系统问题性质分类60汽车工业研究季刊2023年第2 期研发R&d表2 混动系统核心零部件的表现试验结果问题性质主要零部件失效案例(V：无；：有)(A:生产制造；B:设计)油液渗漏A内部零部件变形、断裂发动机油液损耗异响A油液渗漏A内部零部件变形、断裂B机电耦合器阀或传感器故障A异响XB过温容量衰减动力电池机械机构断裂失效A鼓包自燃软硬件不完善引发故障B过温控制系统绝缘或线路不良XA异响把控每个零部件的品质，在设计阶段、生产制造阶段等重要环节不断提升水平和质量。本文通过长里程道路适应性中汽车混动系统的可靠性分析，详细分析了影响混动系统可靠性的主要因素、核心零部件的失效形式、混动系统可靠性的评价方法以及优化提升的方向，有助于混动系统后续送代开发。参考文献：1梁伟强，张雄.广汽机电耦合系统策略研究及性能分析 J.机电工程技术,2 0 2 1(5):64-67.2张安伟，祁宏钟，赵江灵，等，混合动力机电耦合系统效率优化分析 J.汽车零部件,2 0 2 1(1 1):1-8.3曹亮，于忠贵，曹权佐，等.混动技术路线解析及典型路线研究 J.汽车实用技术,2 0 2 1(2 2):2 0 5-2 0 9.4鹿应荣，李显生，王云鹏，等.国产汽车的整车可靠性评价 J.汽车工程，2 0 0 1(2)：106-109.5张杰,王海清,李玉明，等.基于主观估计法和FEMEDA的失效数据分析及应用J.计算机工程与应用，2 0 1 3(1 6):2 5 5-2 5 9.6欧阳俊.整车长里程道路适应性试验研究与应用 J.汽车科技，2 0 2 1(3):3-7.作者工作单位：广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院