新能源汽车车载监控终端寿命试验研究及应用

何鹏林，韩 涛，王宏策，马 凯，付玉成，孙守富

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

新能源汽车车载监控终端寿命试验研究及应用

何鹏林，韩 涛，王宏策，马 凯，付玉成，孙守富

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

车载监控终端是实现新能源汽车安全监管的重要数据来源，因此对其在规定寿命周期内的可靠性要求较高。为了能在较短时间内对其寿命特性进行验证，本文引入高温寿命试验、温度循环寿命试验以及稳态湿热寿命试验等3类常用的耐环境可靠性试验，通过对其数学模型进行分析，结合车载监控终端的典型特征，制定相应的差异化试验方案，对其进行加速老化寿命试验，以缩短试验周期，提高试验效率，降低试验成本。

车载监控终端；寿命试验；可靠性；加速老化

“安全”是新能源汽车发展至今热度依旧不减的话题。为了加强对新能源汽车安全运行的监控，通过采集车辆工况实时数据，可有效降低或排除车辆运行潜在的安全隐患，确保消费者安全使用。2016年年底，中国发布并实施了“电动汽车远程服务与管理系统技术规范”系列标准，并要求所有新能源汽车安装符合该标准的车载监控终端。车载监控终端通过CAN总线等方式采集车辆实时运行数据，将其进行存储并通过GSM等方式上传至管理平台。车载监控终端是实现新能源汽车安全监管的数据来源，其重要性不言而喻，因而要求车载监控终端在规定的生命周期内可靠稳定运行，对其寿命特征的研究尤为必要。标准要求车载监控终端的最低寿命为5年，然而，在产品的实际开发验证试验中，无法耗费如此长的时间来验证其寿命特性，这样，不仅试验周期很长，而且试验成本较高，效率较低，严重影响产品的设计开发及推广应用。为此，本文引入基于Arrhenius模型的高温寿命试验、基于Coffin-Manson模型的温度循环寿命试验以及基于Lawson模型的稳态湿热寿命试验等3类常见的物理加速老化试验，根据各类数学模型及车载监控终端的典型特点，制定相应试验方案，在尽可能短的周期内对车载监控终端的寿命特性进行有效评估。

1 各类模型分析及试验方法

1.1 Arrhenius模型分析及试验方法

产品在实际使用时通常处于多个变化的温度环境中，一般通过统计选取典型的若干个温度点。Arrhenius模型是基于温度应力对产品寿命影响分析的数学模型，通常采用高温试验来进行产品的加速老化，某个温度点下的加速因子算法如下

式中：EA——该产品失效反应的活化能，eV，与产品特性相关，电子组件类产品的典型取值为0.45 eV；k——玻尔兹曼常数，取值为8.617×10-5eV/℃；TPruf——进行加速试验时选用的加速温度值，一般对应产品的最高工作温度或最高贮存温度值；TFeld，i——产品在实际使用环境中选取的某个典型温度值。

由此，可确定各个典型温度值下的加速因子。在设计试验时，可根据下式确定该产品最终加速老化试验时间

式中：tPruf——加速老化试验时间；tLife——产品设计寿命时间；Pi——产品实际使用环境温度分布中该典型温度值的统计分布值，一般用百分比表示。

1.2 Coffin-Manson模型分析及试验方法

Coffin-Manson模型适用于温度交变循环变化的加速试验，其机理主要是利用温度循环变化时产品不同材料热膨胀系数的差异，强化其因温度快速变化所产生的热应力对产品造成的机械失效、材料疲劳、材料变形等劣化影响。一般假定产品的失效符合威布尔分布。首先根据模型计算加速试验的加速因子

式中：ACM——Coffin-Manson模型的加速因子；ΔTTest——加速试验时一个温度循环期间的温度差，该差值原则上越大越好，但要根据产品具体的耐热强度而定，可通过产品热特性分析确定，通常取值为产品最高工作温度Tmax与最低工作温度Tmin之差；ΔTFeld——产品在设计寿命期间在实际工作环境下的平均温差，通常为一个统计平均值；c——Coffin-Manson模型指数，与产品的材料特性相关，一般取值范围为1～9，根据汽车工程经验，车载电子产品的典型取值为2.5。

加速试验时，计算所需温度循环总数的公式如下

式中：NPruf——设计温度循环试验时最少循环次数（理论上，循环次数越多，由温度交变引起的产品内部机械应力越大，老化速度越快，加速效果越明显，但试验成本与周期也随之增加，因此需要选择一个最佳循环次数）；NTempZyklenFeld——产品在设计寿命期间在实际工作环境中经历的温度循环次数，该值为统计值。

另外，基于Coffin-Manson模型的温度交变加速老化试验方法与试验保持时间、温变速率、风速等试验条件有关，这里不再赘述。典型的温度交变加速试验工况如图1所示。

图1 典型温度交变循环加速试验工况

1.3 Lawson模型分析及试验方法

Lawson模型一般用于模拟车载电子电气零部件在车辆停放时连续受实际环境平均湿热应力影响的加速试验，通常采用稳态湿热试验来进行加速老化。同样，首先给出Lawson模型的加速因子算法

式中：AT/RH——某产品在车辆上实际环境的平均温度、湿度下的加速因子，该温度、湿度一般与产品在车辆上的安装位置有关；EA——该产品失效反应的活化能，与Arrhenius模型中取值一致；k——玻尔兹曼常数，取值为8.617×10-5eV/℃；TPruf——进行加速试验时选用的加速温度值，一般对应产品的最高工作温度或最高贮存温度值；TFeldParken——车辆正常停放条件下产品安装位置的平均温度值，该值通常为统计值；b——常数，取值为5.57×10-4；RHPruf——加速试验时定义的湿度值；RHFeldParken——车辆正常停放条件下产品安装位置的平均湿度值，该值通常为统计值。

下面给出基于Lawson模型加速老化试验时间的算法

式中：tPruf——加速老化试验时间；tFeldParken——产品在设计寿命期间不工作的时间，一般取其极限值，即产品在其生命周期内均不运行的情况。

2 车载监控终端加速老化试验应用分析

本文以某安装在新能源乘用车乘客舱位置的车载监控终端为例进行分析。如前文所述，国家标准要求的车载监控终端的最小寿命为5年。

2.1 基于Arrhenius模型加速试验计算

假设平均每天的车辆使用时间为1.5 h，即车载监控终端每天工作时间为1.5 h，因此，在车载监控终端5年的设计寿命周期内，其实际工作时间为2 737.5 h，即5（年）×365（天）×1.5 h，此为tLife的取值。设定加速老化试验温度值为最高工作温度，即80℃。乘客舱典型温度分布如表1所示，根据式（1）得出各个典型温度值下的加速因子如表1所示。

由此，根据式（2）可计算得出该车载监控终端基于Arrhenius模型的加速试验时间为505.5 h。

2.2 基于Coffin-Manson模型加速试验计算

假设该车载监控终端的最高工作温度Tmax为70℃，最低工作温度Tmin为-30℃，工作环境平均温差ΔTFeld为30℃，因此，ΔTTest为100℃，根据式（3）可得出Coffin-Manson模型加速因子约为20.28。

假定该车载监控终端实际使用时在一天内平均可能经历的温度变化平均为2次，因此，在其设计寿命期间可能经历的温度循环次数NTempZyklenFeld为3 650次，即：5（年）×365（天）×2次。根据式（4）可计算得出该车载监控终端基于Coffin-Manson模型温度交变循环次数NPruf为180。按照图1所示的典型工况，选择温变速率为4℃/min的温度箱进行试验，计算得最终加速试验时间约为270 h。

2.3 基于Lawson模型加速试验计算

根据工程经验及相关国际标准法规，安装在乘用车乘客舱的汽车零部件的平均相对湿度为60%RH，平均温度为23℃，即TFeldParken为23℃，RHFeldParken为60%RH。为了在一定程度上加快老化速度，这里设定在温度65℃、相对湿度95%RH下进行试验，即TPruf为65℃，RHPruf为95%RH，根据式（5）可得出该条件下的Lawson模型加速因子为129.5。

如前文所述，这里默认该车载监控终端的不工作状态时间即其设计寿命时间，即tFeldParken为5（年）×365（天）×24=43 800 h，根据式（6）可计算得出该车载监控终端基于Lawson模型的加速试验时间为338.2 h。

表1 典型温度分布及其加速因子

3 试验验证

为了验证文中基于3类模型的加速老化试验方法的有效性，从一批铝制壳体封装的车载监控终端样品中随机选取A、B、C 3个样品分别按照3种加速方法进行加速老化试验。为了进行试验对比，3个试验均选用规格性能参数相同的温湿度箱，温变速率可达到4℃/min，可满足Coffin-Manson模型对温变速率的要求；温度范围为-40～150℃，可覆盖3类加速试验的温度要求；湿度范围为10%RH～98%RH，可满足Lawson模型对湿度范围的要求，箱体的空间为1 m3。试验前首先对3个样品进行功能测试，其功能均处于ISO 16750-1规定的A级。

A产品在经历约506 h的Arrhenius高温加速老化试验后复测其功能，仍处于A级；B产品在经历约270 h的Coffin-Manson温度交变加速老化试验后复测其功能，仍处于A级；C产品在经历约339 h的Lawson稳态湿热加速老化试验后复测其功能，仍处于A级。由此可见，在加速老化效果接近的前提下，基于Coffin-Manson模型的温度交变加速老化试验方法，耗时更短，成本更低。

4 结论

为了对车载监控终端这一新能源汽车安全监管关键部件的寿命进行评估，以确保其能在规定声明周期内可靠稳定工作，本文通过引入基于Arrhenius模型的高温寿命试验、基于Coffin-Manson模型的温度循环寿命试验以及基于Lawson模型的稳态湿热寿命试验等3类常见的物理加速老化试验，在分析其数学模型的基础上，制定相应的试验方案。通过试验分析发现：在同等加速老化效果前提下，Coffin-Manson温度交变加速老化试验方法周期更短，更节省成本，有利于产品设计验证与寿命评估。

［1］ GB/T 32960.2—2016，电动汽车远程服务与管理系统技术规范第2部分：车载终端［S］.

［2］ 林震，姜同敏，程永生，等.阿伦尼斯模型研究［J］.电子产品可靠性与环境试验，2005，23（6）：12-14.

［3］ 黄少堂，李敏华，付郁涵，等.汽车电子电气零部件环境适应性和可靠性验证［J］.环境技术，2012（2）：28-32.

［4］ 曹耀龙，黄杰.电子组件温度循环试验研究［J］.半导体技术，2011，36（6）：487-491.

［5］ 赵帅帅，陈永祥，贾业宁，等.基于修正Coffin-Manson模型的加速寿命试验设计与评估［J］.强度与环境，2013，40（4）：52-58.

［6］朱海峰，孙立.通信产品可靠性验证试验（RDT）方法研究［J］.通讯世界，2016（5）：111-112.

Research and Application on Life Test of on Board Monitoring Terminal for New Energy Vehicles

HE Peng-lin，HAN Tao，WANG Hong-ce，MA Kai，FU Yu-cheng，SUN Shou-fu
（China Automotive Technology And Research Center，Tianjin 300300，China）

The On Board Monitoring Terminal（OBMT） is a significant data source for implementation of safety monitoring for New Enery Vehicles（NEV）. Hence the reliability requirement of OBMT in its specified life cycle is supposed to be very high. To validate the life characteristics of OBMT in a shorter time，three types of universal environmental resistance reliability tests were introduced：high-temperature life test，cyclic temperature life test，steady humid heat life test. Based on analysis of each mathematical model，allowing for typical characteristic of OBMT，differential test procedures were made to conduct a series of accelerated aging life test. Thus，the test period can be shortened，test efficiency can be improved，test cost can be reduced.

OBMT；Life test；Reliability；Accelerated aging

U463.61

A

1003-8639（2017）11-0006-03

2017-07-21

何鹏林（1988-），男，甘肃武威人，工程师，硕士，研究方向为新能源汽车及其测试技术；韩涛（1987-），男，天津人，助理工程师，研究方向为新能源汽车及其测试技术；王宏策（1988-），男，河北石家庄人，助理工程师，硕士，研究方向为新能源汽车及其测试技术；马凯（1992-），男，天津人，助理工程师，硕士，研究方向为新能源汽车及其测试技术；付玉成（1984-），男，辽宁海城人，助理工程师，研究方向为新能源汽车及其测试技术；孙守富（1988-），男，黑龙江齐齐哈尔人，助理工程师，研究方向为新能源汽车及其测试技术。

（编辑 凌 波）