CN108088764A - 基于Coffin-Manson模型的新能源汽车车载监控终端寿命测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于Coffin‑Manson模型的新能源汽车车载监控终端寿命测试方法，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。本发明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。

Description

基于Coffin-Manson模型的新能源汽车车载监控终端寿命测 试方法

技术领域

本发明涉及一种基于Coffin-Manson模型的新能源汽车车载监控终端寿命测试方法。

背景技术

“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。

发明内容

有鉴于此，本发明提出的一种基于Coffin-Manson模型的新能源汽车车载监控终端寿命测试方法，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。

一种基于Coffin-Manson模型的新能源汽车车载监控终端寿命测试方法，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；

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Coffin-Manson模型公式(1)计算加速试验的加速因子：

式中:A_CM——Coffin-Manson模型的加速因子；ΔT_Test——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T_max与最低工作温度T_min之差；ΔT_Feld——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(2)如下：

式中:N_Pruf——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)；N_{Temp Zyklen Feld}——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。

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T_max为70℃,最低工作温度T_min为-30℃,工作环境平均温差ΔT_Feld为30℃,因此,ΔT_Test为100℃,根据式(1)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N_{Temp Zyklen Feld}为3650次,即:5(年) ×365(天)×2次。根据式(2)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N_Pruf为180。

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Coffin-Manson模型的高温寿命试验的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。

具体实施方式

为让本领域的技术人员更加清晰直观的了解本发明，下面将对本发明作进一步的说明。

一种基于Coffin-Manson模型的新能源汽车车载监控终端寿命测试方法，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；

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Coffin-Manson模型公式(1)计算加速试验的加速因子：

式中:A_CM——Coffin-Manson模型的加速因子；ΔT_Test——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T_max与最低工作温度T_min之差；ΔT_Feld——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(2)如下：

式中:N_Pruf——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)；N_{Temp Zyklen Feld}——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。

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T_max为70℃,最低工作温度T_min为-30℃,工作环境平均温差ΔT_Feld为30℃,因此,ΔT_Test为100℃,根据式(1)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N_{Temp Zyklen Feld}为3650次,即:5(年) ×365(天)×2次。根据式(2)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N_Pruf为180。

试验验证

为了验证文中基于上述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1m。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506h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270h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339h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。

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的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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于Coffin-Manson模型的新能源汽车车载监控终端寿命测试方法，其特征在于，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；首先根据Coffin-Manson模型公式(1)计算加速试验的加速因子：

<mrow> <msub> <mi>A</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;T</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>e</mi> <mi>s</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;T</mi> <mrow> <mi>F</mi> <mi>e</mi> <mi>l</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>c</mi> </msup> </mrow>

式中:A_CM——Coffin-Manson模型的加速因子；ΔT_Test——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T_max与最低工作温度T_min之差；ΔT_Feld——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(2)如下：

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式中:N_Pruf——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)；N_{Temp Zyklen Feld}——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。