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重点解析!新能源汽车电控系统可靠度

时间:2019-12-02 点击量:载入中...

「救救北极熊,节能减碳救地球」,目前因全球气候持续暖化,这句口号早已有所闻。当前除了各个国际组织都在讨论如何因应环境恶化问题,同时,国际各大车厂也跟随着环保议题,陆续将新车开发重点由传统燃油车转向新能源车。

一、新能源车与传统燃油车的差异化

新能源车与传统燃油车最大的差异,在于『电池』、『电机』与『电控』关键三大关键技术,即业界俗称的新能源车三电技术。其主要组成组件与传统燃油车最大的不同之处在于,动力电池的输入端到输出端在动力总成(Powertrain)之间,其中包含了OBC(车载充电器,On Board Charger)、DC/DC Converter、电池包、BMS(电池管理系统,Battery Management System)、Traction Inverter、Traction Motor、Traction Motor Controller等零部件。

车厂为了提升新能源电动车的行驶里程数与性能,采用高能量或高功率密度的电池包,作为新能源电动车的动力来源。高能量密度电池目的在于提升行驶里程数,这类电池仅适合用于慢速充电;而高功率密度电池目的在于电动车的加速性能,可以大电流的输出或输入且适合进行快速充电,但由于电池的材料特性问题无法同时具有高能量密度性能,使得高能量与高功率密度这两个需求鱼与熊掌不能兼得。

故近年来已有车厂开始透过优化BMS的控制,将两种电池的优点结合在一个电池包内。在电池包的可靠性测试上,目前市场主流参考ECE(欧洲经济委员会,Economic Commission for Europe)所制定的法规UN ECE R100.2 (Regulation No.100 Revision 2),法规上定义了可重复充电能量储存系统(REESS,Rechargeable Energy Storage System),测试项目包含振动、机械冲击、挤压、温度冲击/循环、耐火性、外部短路、过充、过放、过温等。


电控领域面的主要发展趋势

在电控领域的主要趋势有下列两点:一是OBC为了满足快速充电需求,其产品功率亦逐步提高。二是电池工作电压,陆续往高电压发展,藉以降低工作电流,进而达到降低产品工作温度与线材轻量化的目的。然而对于大电流与高热的高功率产品,PCB会采用厚铜设计,故需有与过往不同的的测试能量用以测试PCB来验证是否有CAF(阳极细丝导通,Conductive Anode Filament)的问题产生。

除此之外,电控产品正陆续走向多功能整合的多合一形式,将原功能各自独立的既有产品OBC、Converter、Inverter,转变为二合一(OBC + Converter)、三合一(OBC + Converter + Inverter)的产品,车厂期盼透过整合多项产品功能,借此达到车内空间的提升与车体轻量化的需求

三、多合一产品面临哪些可靠度考验?

多合一产品的可靠度验证,在测试过程中将面临多种功能确认的问题,如:

  1.OBC:输入端为AC电源,输出端是对电池包进行充电,以模拟电池拉载的使用环境。

  2.Converter:输入端为高压直流电源,模拟汽车锂电池放电。输出端为低压直流负载,供给车上12V系统的电力来源,通常考虑电压范围为9~13.5V之间。

  3.Traction Inverter:输入端为高压直流电源,来源为汽车锂电池放电。输出端为交流负载,为供给Traction Motor的电力来源,使新能源车具有动力得以行进。 

上述的功能需求确实反映测试验证过程的复杂性,其中高功率、大电流的电源供应器与电子负载、高效率的水温控制设备,均是测试验证不可获缺的重要因素,无疑也提升了供应商一定程度的资本投入。

在测试验证过程中,除设备仪器均需具备多种规格外,还需要具备能在测试过程中,对不同模块进行操作切换的能力,以确保所有功能均可正常运作,透过前述所延伸出的「特殊自动化控制需求整合系统」即俗称的「测试台架」(Test Bench)。如PTC(Power and Temperature Cycling)测试,过程除了需对产品施加快速温变的应力外,也需要对该产品进行on/off与功能验证。整个测试所需要的资源有快速温变柜、冰水机、AC电源、DC电源、高压DC负载、低压DC负载、AC负载等;再加上待测物需要透过几种沟通语言(如:CAN Bus)进行控制,所有仪器、设备与产品需要被实时监控与数据数据保存,如此复杂且多面向的需求,若有系统整合的测试台架,对测试人员来说会是一大福音。


欲跨入新能源车电控领域重点解析
  • 高强度测试
    测试温度范围,车规至少需满足-40~85℃的工作温度要求;振动测试强度需高达2.7Grms(频率范围10~1000Hz),并于振动测试中复合高温与低温的温度应力,以仿真车上所需耐受的环境应力。
  • 测试项目顺序性
    ISO 16750-1于2018年更新版本中,建议测试计划如下表;其中每个Leg测试都要求有顺序性。
  • 长时数测试
    例如车规复合振动测试时数,最短为每轴向8小时,远高于消费性产品常使用的每轴30向分钟需求,如遇引擎、变速箱、动力总成类的测试需求,每轴向至少需22小时以上,原因在于考虑产品需达10年以上的生命周期。
  • 样品数量
    ISO 16750建议每个Leg的样品数量至少需3个,车厂的要求至少需5~6个样品数量,目的为提升测试结果的信心水平度。
  • 寿命测试
    车厂大都会同时采用三种手法,除一般消费性产品所采用的高温加速模型(Arrhenius Model)的方法外,亦使用高温高湿加速模型(Peck’s Model or Lawson Model)、温度循环加速模型(Coffin Manson Model)。车规产品不仅需考量有高温材料老化问题,亦需将湿气、氧化、材料热涨冷缩等潜在影响产品可靠度的因素,全纳入测试验证要求范围内。
  • 高可靠性要求
    有时车厂会开出高可靠度规格要求,例如:要证明产品年失效率小于50ppm,或是要求在信心水平90%的状况下,产品在十年寿命内可靠度需达99%。零部件供货商又该采取哪些行动方案来向车厂证明自家产品的高可靠性呢? 

  • 德凯宜特熟悉国际汽车标准(ISO 16750、AEC Q-series、SAE、JIS等)与车厂厂规(BENZ MBN LV 124、BMW GS 95003、FCA CS.00056、FORD CETP 00.00E412、GMW3172、HYUNDAI/KIA ES 90000、MAZDA MES PW 67601、MITSUBISHI ES-X82113、NISSAN 28401NDS01、TOYOTA TSC 0502G、TSC 7000G、VOLKSWAGEN VW 80000等),并提供相对应的专业测试服务,尤其针对新能源车相关零部件测试需求已投入众多的资源,包含高功率、大电流、高发热、水冷式等相关规格的测试能量。这些测试能量不仅满足新能源车产业,也能对于无人车AI(Artificial Intelligence) ECU、高速通讯服务器、数据中心(Data Center)服务器等高功率搭配水冷式产品提供相关的测试服务。




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