王勝，范學，陳松明，張洪巖，郭丹，章翔

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，深圳 518118）

前言

對于涉及到行車安全的系統(tǒng)或部件，如何保證其可靠性是一項非常重要的工作，也是產(chǎn)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(fā)的制動安全控制系統(tǒng)，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(tǒng)結構

1 可靠性工程理論

1.1 可靠性管理

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的時間和規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的能力。通常，在產(chǎn)品的設計開發(fā)中，我們關注的重點是產(chǎn)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(nèi)的可靠性管理。

目前，汽車行業(yè)內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)品的可靠性這一內(nèi)在的質(zhì)量指標是在產(chǎn)品的設計階段形成的，因此從產(chǎn)品研制開始就必須要考慮其可靠性?？煽啃怨ぷ鏖_展得越早，成效就越大，經(jīng)濟效益就越好。

1.2 可靠性工程開發(fā)

在產(chǎn)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(chǎn)品在生命周期內(nèi)主要會經(jīng)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(nèi)容如圖2。

圖2 可靠性工程開發(fā)

1）可靠性目標及分配工作：調(diào)查和分析產(chǎn)品對可靠性和環(huán)境適應性的需求，并根據(jù)售后維修數(shù)據(jù)制定可靠性目標；如10年30萬公里、R97C50等；并根據(jù)可靠性目標將其分配到產(chǎn)品各組成部分并預計產(chǎn)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(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品設計的改進提供依據(jù)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(chǎn)品可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品設計的改進提供依據(jù)和支持（可靠性工程試驗）；或通過試驗確定或評價產(chǎn)品的可靠性水平（可靠性統(tǒng)計試驗）。

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

2 BSC可靠性管控體系

結合我司產(chǎn)品開發(fā)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(chǎn)品的售后數(shù)據(jù)，運用weibull分析設定合理可實現(xiàn)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(tǒng)、設備等, 應分配較低的可靠度指標；

2）對于重要度高的產(chǎn)品, 應分配較高的可靠度指標；

3）對于技術上不成熟的產(chǎn)品, 分配較低的可靠度指標；

4）對于惡劣環(huán)境條件下工作的產(chǎn)品, 應分配較低的可靠度指標。

2.2.2 BSC系統(tǒng)可靠性模型建立

根據(jù)BSC系統(tǒng)功能實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)或單元的綜合影響因素和系統(tǒng)之間的失效關系。在本次BSC系統(tǒng)可靠性分配過程中，充分考慮了各單元的復雜度、重要度、環(huán)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(jù)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(jù)組成單元的元部件數(shù)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(shù)量越多，組裝較難，則評分級別越高；

③技術成熟度—根據(jù)單元目前技術發(fā)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(yè)內(nèi)的高質(zhì)量產(chǎn)品，則評分級別越高；

④環(huán)境因素—考慮單元所處的綜合工作環(huán)境來評定。評分級別為2、4、6、8、10五個級別，單元所處的環(huán)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(jù)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(tǒng)的工作過程中評分越低，反之，評分越高。

2）AGREE的數(shù)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(tǒng)在運行的時間t內(nèi)，系統(tǒng)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(huán)境因素和工作時間因素；

2.2.4 BSC系統(tǒng)可靠性分配結果

對于BSC系統(tǒng)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(tǒng)的工作過程分析后，找出該系統(tǒng)可能發(fā)生的故障模式，構建該系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)故障樹模型

BSC系統(tǒng)的故障樹模型建立完成后，利用數(shù)學上“與門”和“或門”的數(shù)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(jù)原理圖、PCB文件以及器件規(guī)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(huán)節(jié)。為后續(xù)進一步故障激發(fā)和驗證指明方向，提出設計改進建議。

BSC系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)了18個問題，經(jīng)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(shù)據(jù)，不改善的也需要進行持續(xù)跟進。

2.4 可靠性仿真

運用Flotherm軟件對ECU進行了熱仿真，根據(jù)數(shù)字模型預測產(chǎn)品內(nèi)部氣流流動、溫度分布和熱量傳遞過程，從而識別產(chǎn)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(fā)試驗

該階段主要進行故障激發(fā)試驗，找出產(chǎn)品弱點和設計缺陷。故障激發(fā)試驗是一種可靠性強化試驗，通過系統(tǒng)地施加逐步增大的環(huán)境應力和工作應力，激發(fā)和暴露產(chǎn)品設計中的薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品應力極限，改進設計和工藝，提高產(chǎn)品健壯性和可靠性。故障激發(fā)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(huán)境剖面

對BSC系統(tǒng)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(xiàn)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(xù)為1，是因為電磁閥線圈針腳斷路或接觸不良，造成驅(qū)動回路斷開。

貼片電感L1脫落是因為貼片電感L1體積質(zhì)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(xiàn)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(tǒng)不同服役環(huán)境，制定環(huán)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(wěn)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(huán)管理。

表4 制動主缸及車輛穩(wěn)定控制總成試驗結果

2.6.3 E3 系統(tǒng)可靠性

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

1）結構耐久試驗

通過采集整車道路試驗數(shù)據(jù)，匯總統(tǒng)計整車生命周期內(nèi)制動次數(shù)，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(tǒng)的機械結構強度。

表5 整車道路試驗制動數(shù)據(jù)

對整車制動進行統(tǒng)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(huán)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(tǒng)功能壽命，主要目的是驗證BSC系統(tǒng)在高低溫環(huán)境下，功能是否出現(xiàn)異?；蛘呤?，根據(jù)失效模式找出產(chǎn)品薄弱點，促進產(chǎn)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(shù)區(qū)間，需反復調(diào)整制動鉗的油壓波動，實現(xiàn)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(tǒng)計整車和BSC系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)的問題同樣需要執(zhí)行分析→改進→再驗證這一閉環(huán)管理過程。

3 結論

本文將可靠性工程理論和我司產(chǎn)品開發(fā)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(fā)試驗等，為產(chǎn)品的可靠性管控提供借鑒。此外，在傳統(tǒng)的零部件→系統(tǒng)→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(fā)和暴露產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，對提高產(chǎn)品可靠性、縮短研發(fā)周期、降低成本等有顯著作用。