董立甲 張元勤 王世英 劉占國

（中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：用戶調(diào)查 載荷譜 疲勞損傷 電機 電動汽車

0 前言

隨著我國電動汽車發(fā)展戰(zhàn)略的實施以及電動車保有量日益提高，人們對電動汽車認可度逐漸提高，但仍有用戶對電動車可靠性和安全性心存疑慮。到目前為止，國內(nèi)各大廠家沒有統(tǒng)一的電動車試驗方法，各自為戰(zhàn)，依據(jù)的試驗規(guī)范紛繁復(fù)雜，而且其使用的試驗規(guī)范都還沒有與用戶進行關(guān)聯(lián)，大多數(shù)是照搬傳統(tǒng)車試驗規(guī)范，至于試車場的路面的強化系數(shù)也是很不準確。目前國內(nèi)電動車用戶已初具規(guī)模，為實現(xiàn)用戶調(diào)查奠定了基礎(chǔ)，因此深入研究該領(lǐng)域技術(shù)對于國內(nèi)整車廠家意義重大。

某些廠家提出縮短整車開發(fā)周期至24個月的目標，只能通過優(yōu)化整車可靠耐久性試驗方法來縮短試驗周期和實現(xiàn)精準試驗的目標，實現(xiàn)試驗周期由13個月降至6個月，實現(xiàn)精準試驗來保證降低整車售后索賠率，建立精準電動車試驗規(guī)范意義重大。

電動汽車的續(xù)駛里程是整車的最重要參數(shù)之一，降低整車質(zhì)量提高續(xù)駛里程是國內(nèi)外汽車廠家持續(xù)研究課題，通過電動汽車用戶調(diào)查，實車載荷測試獲取用戶的真實信息，分析數(shù)據(jù)、進行從整車和總成系統(tǒng)到零部件的載荷分解，從而實現(xiàn)各零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)最大限度的整車輕量化設(shè)計，因此，制定代表95%中國用戶的精準電動車可靠性試驗驗證方法迫切，而且必要。

另外，中國公路2010～2018年發(fā)生了較大變化（圖1），各等級公路占總公路里程百分比[1]變化趨勢明顯（圖2），壞路（包括等級外惡劣路面）占比明顯降低，各種路面的變化決定了整車可靠性試驗標準也應(yīng)及時改變，來滿足中國用戶的可靠性需求。

圖1 中國公路總體變化趨勢

圖2 各等級公路占總里程比例

綜上所述，本文集中研究電動汽車整車系統(tǒng)可靠性精準試驗方法研究，以電動車用戶數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立用戶工況識別技術(shù)、用戶可靠性目標分解技術(shù)、用戶載荷加速技術(shù)，分析電動車用戶使用特點、電機電池的使用工況和載荷特性等，基于整車可靠耐久疲勞損傷理論及用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)，制定代表95%中國用戶的精準電動車可靠性試驗驗證方法。

1 搭建用戶相關(guān)載荷加速技術(shù)模型

制定整車用戶相關(guān)試驗方法流程見圖3，首先進行用戶調(diào)查，獲得電動車典型用戶使用工況，其次，進行用戶和試車場載荷測試試驗，然后進行載荷數(shù)據(jù)的用戶相關(guān)性分析，最終建立整車可靠性試驗方法。其中，進行用戶與試車場載荷關(guān)聯(lián)性分析計算時，涉及到用戶路面比例和用戶載重比例，路面主要分成城市公路、山區(qū)公路、一般公路、高速公路和壞路，載重分為空載、半載和滿載。采用用戶調(diào)查中各種路面行駛里程占總里程的百分比和載重占比作為加權(quán)因子，與測試的載荷簡單相乘，計算出用戶的偽損傷值，根據(jù)Miner累積損傷理論，對試車場的各個強化路面優(yōu)化同樣計算試車場的損傷值，使之一致即滿足了用戶的載荷要求。

圖3 制定整車試驗方法流程

這種用戶與試車場的載荷關(guān)聯(lián)加速技術(shù)的缺點為：用戶載荷測試的路面種類必須人為主觀判斷、而且難以避免有2種路面相互疊加而判斷為一類路面情況，用戶調(diào)查僅僅作為路面種類比例應(yīng)用，計算結(jié)果誤差大。本文自主開發(fā)了新的計算方法：

(1)將用戶調(diào)查數(shù)據(jù)按照模型處理成圖4形式的里程多維矩陣，每個用戶在相同矩陣單元的行駛里程差異形成了每個用戶的特色使用工況，有多少用戶調(diào)查數(shù)據(jù)，就會形成多少個里程多維矩陣。

(2)將全國典型載荷測試車每一個通道的數(shù)據(jù)按照模型都處理成圖4形式的損傷密度多維矩陣，每個通道在相同矩陣單元的損傷密度差異代表了同樣的行駛工況下每個零部件損傷的程度不一致，有多少個測試通道，就會形成多少個損傷密度多維矩陣。

(3)用戶調(diào)查和載荷測試數(shù)據(jù)分級方式完全一致，多維矩陣單元一一對應(yīng)，用戶調(diào)查矩陣為里程，全通道車矩陣為損傷密度，用戶調(diào)查單中用戶里程擴展到目標里程后，得到全通道車按照該用戶行駛時造成的車輛損傷。

圖4 用戶工況數(shù)據(jù)分析模型

(4)全通道車按照該方式進行映射，使用每個用戶調(diào)查都會得到全通道車的損傷矩陣，按照該用戶方式駕駛時的車輛損傷[2]，有多少個用戶調(diào)查，就會有多少個車輛損傷。將這些損傷值進行正態(tài)分布統(tǒng)計，獲得95%的用戶目標損傷，示意圖5所示。

因此，本文研制算法是把客觀測量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理程序?qū)崿F(xiàn)智能匹配，避免了人為主觀因素的影響，用戶調(diào)查的30萬公里數(shù)據(jù)可擴展為典型用戶載荷數(shù)據(jù)，算法準確度明顯提高，同時提高整車標準的精準化程度。

圖5 95%用戶載荷譜目標值

2 建立用戶工況識別模型

制定了整體試驗方案，并形成了整車可靠耐久性試驗標準制定流程圖，見圖3。用戶調(diào)查是前提條件，用戶調(diào)查內(nèi)容主要涵蓋車輛總行駛里程，年行駛里程、總里程中各種路面比例、駕駛風(fēng)格、乘員載荷、制動強度、轉(zhuǎn)向角度分布情況[3]，用戶調(diào)查獲得的上述參數(shù)的準確程度決定了試驗標準代表性和精準度，決定了整車輕量化水平，決定了整車售后索賠率大小。

2017年以前，用戶調(diào)查都采用問卷方式，其缺點主要是：訪談過程一般委托第三方公司進行，存在造假現(xiàn)象。被訪談對象對調(diào)查內(nèi)容理解程度不足，難以回答問題（如路面比例問題等），致使數(shù)據(jù)不準和問卷廢品率較高。很多重要參數(shù)（制動、轉(zhuǎn)彎）根本無法獲取。

項目自主采集了全國30萬公里用戶使用的大數(shù)據(jù)，涵蓋私家車、出租車、公務(wù)車、T3出行車等用途數(shù)據(jù)，建立了包括高速、一級、二級、三級和等外公路路面類型的1 000 GB載荷數(shù)據(jù)庫。自主編制應(yīng)用程序處理用戶調(diào)查數(shù)據(jù)，建立了用戶工況數(shù)據(jù)分析模型，通過4個輸入信號處理出各種路面比例、路面粗糙度、坡度、轉(zhuǎn)彎、制動、乘員、擋位、沖擊坑、俯仰、電器操作、日常操作、車速、轉(zhuǎn)速、軌跡等100余種特征參數(shù)分布和用戶工況分布，在國內(nèi)尚無此項技術(shù)，國內(nèi)外該技術(shù)對比分析見表1。

表1 國內(nèi)外用戶調(diào)查技術(shù)對比分析

3 運營車電機可靠性目標構(gòu)建

由于電動車使用成本低和各地政策的調(diào)整，運營車輛逐漸從傳統(tǒng)燃油車迭代為電動車，對電動車核心部件電機的可靠性提出了新的要求。根據(jù)市場調(diào)研，運營車輛的電機工作環(huán)境、工作時間、駕駛要求逐步提高，某主機廠宣傳電動車為5年50萬公里目標，本文真實大量運營車輛用戶數(shù)據(jù)，分析了50萬公里的電機典型工況特征，構(gòu)建了代表95%用戶的電機臺架試驗工況和設(shè)計開發(fā)目標。

按照圖6的流程進行數(shù)據(jù)處理，首先對用戶調(diào)查的出租車、T3出行、滴滴出行的數(shù)據(jù)進行分割，定義運動學(xué)片段為車輛從一個怠速點開始（或結(jié)束）到下一個怠速點開始（或結(jié)束）的行駛過程，將數(shù)據(jù)進行運動學(xué)片段的分割，獲得145 626個有效運動學(xué)片段，提取表2所示的片段特征值，對這23個特征值進行主成分分析降維為5個參數(shù)及聚類分析為4類獲得各類下的典型用戶使用工況，根據(jù)里程及時間比例，在各類中智能化選取有代表性的用戶工況進行組合，構(gòu)建用戶使用工況如圖7所示。

圖6 構(gòu)建用戶工況流程

表2 特征參數(shù)

使用Ncode軟件，進行旋轉(zhuǎn)雨流計數(shù)，計算旋轉(zhuǎn)件的損傷，根據(jù)Y Lee[4]提出的Fatigue Testing and Analysis:Theory and Practice中RMH循環(huán)外推法，確定95%的用戶結(jié)果概率分布，圖7所示的工況循環(huán)3 693次達到試驗?zāi)繕思词?0萬公里電機開發(fā)目標，可直接用于設(shè)計、CAE和臺架試驗。

圖7 構(gòu)建電機工況

4 結(jié)束語

綜上所述，本文論述了電動車可靠性開發(fā)目標的確定、用戶調(diào)查的方法、用戶與試車場載荷關(guān)聯(lián)方法以及操作類部件可靠性目標驗證技術(shù)路線[5]，這樣在產(chǎn)品投放市場前就可以預(yù)估可靠性狀況，通過制定可靠性措施，保證產(chǎn)品質(zhì)量，達到設(shè)定的可靠性與耐久性目標。

(1)在電動車用戶調(diào)查方面，采用了用戶實車測量方式，數(shù)據(jù)采樣頻率高，精度高，通過4個輸入信號處理出各種路面比例、路面粗糙度、坡度、轉(zhuǎn)彎、制動、乘員、擋位、沖擊坑、俯仰、電氣操作、日常操作、車速、轉(zhuǎn)速、軌跡等100余種特征參數(shù)分布等用戶工況分布。

(2)采用矩陣式進行用戶關(guān)聯(lián)方法制定可靠性試驗規(guī)范，其試驗方法用戶關(guān)聯(lián)概率達到95%，試驗周期較原規(guī)范縮短20%，滿足電動車型產(chǎn)品開發(fā)24個月的需求，節(jié)省了產(chǎn)品研發(fā)費用，具有可實現(xiàn)社會價值，推動整車行業(yè)在汽車可靠性領(lǐng)域的發(fā)展，達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。

未來整車可靠性將進一步擁抱大數(shù)據(jù)，依靠信息互聯(lián)互通，逐步提高整車可靠性預(yù)測能力，實現(xiàn)整車可靠性增長，達成整車自診斷功能的可靠性健康管理目標。