车用氢气传感器研发APQP解决方案

【导读】
在国内,ISO/TS 16949认证已成为汽车行业的通用体系要求,大部分的汽车主机厂对其零部件供应商的要求一定要通过ISO/TS 16949的认证。而APQP作为ISO/TS 16949重要的工具之一,可以用来确
O 引言
在国内,ISO/TS 16949认证已成为汽车行业的通用体系要求,大部分的汽车主机厂对其零部件供应商的要求一定要通过ISO/TS 16949的认证。而APQP作为ISO/TS 16949重要的工具之一,可以用来确定和制定确保汽车零部件产品达到客户满意所需的步骤,使得项目之中相互关联的资源关系更加清晰和紧密,从而确保项目按时完成。


当前,随着汽车高新技术的发展以及社会需求的提升,新能源汽车及相关技术的开发成为汽车行业的研究热点。氢燃料电池汽车与锂电池汽车作为新型清洁能源的应用代表,成为各汽车企业争相占领的高地。2014年丰田MIRAI燃料电池汽车在日本正式上市,这对于整个氢燃料电池汽车产业链的推动具有里程碑的意义。国内汽车企业纷纷加大投入,发展燃料电池汽车,目前也已分别在乘用车及客车领域实现了小批量生产。


根据中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》,2030年国内燃料电池汽车将突破百万辆,燃料电池汽车将迎来更加迅猛的发展,与此同时,对于燃料电池汽车除了电堆开发以外的相关零部件研发也带来了机遇。本文重点阐述了IS0/TS 16949质量管理体系中APQP质量工具在氢燃料电池汽车氢气传感器研发过程中的运用情况及重要意义。


1 氢气传感器介绍
氢燃料电池的工作原理是氢气与空气中的氧气在催化剂作用下进行反应生成水,将化学能转化为电能,所以氢燃料是一种清洁能源。氢气在4.0%-75.6%浓度范围会发生爆炸,对于氢气的储存和氢气实时释放监控具有重大意义。传感器对于氢燃料电池汽车而言是车辆的安全件,目的是在检测到氢气浓度超过安全范围时给整车输入报警信号。一旦氢气的浓度超过信号阈值,整车系统会立刻做出相应的断电安全保护措施,以防止发生安全事故。目前应用范围较为广泛的气体传感器主要采用催化燃烧式,绝大部分消费类氢气传感器主要也是采用这种原理。
 

氢气传感器是一个体积小但功能复杂的零部件,主要包括作为识别氢气浓度的探头(敏感材料、加热丝、防爆帽)、信号转化及元器件载体的电路板、壳体、辅助组件(橡胶垫、密封圈)等。氢气传感器的研发过程涉及到多个领域及学科,如材料工程、电子电气、软件工程、机械工程、传热学等。车用氢气传感器不同于消费类传感器,它的使用工况非常复杂,它会跟随整车一起经历更为严苛的高温低温,同时也要抵抗外力的作用(如振动、撞击等各种情况)。


2 APQP在车用氢气传感器研发中的应用
2.1 先期产品质量策划(APQP)概述
IS0/TS 16949质量管理体系包含5大工具,分别是APQP、潜在失效模式及后果分析(FMEA)、统计过程控制(SPC)、生产件批准程序(PPAP)和测量系统分析(MSA),而APQP是新产品开发最重要的应用工具。在整个产品的开发过程中,APQP构建了氢传感器开发的流程框架。在APQP中,通常将其分为计划和确定项目、产品设计和开发、过程设计和开发、产品与过程确认验证、反馈评价和纠正措施这5个阶段,如图1所示。
APQP产品开发项目管理流程图  
图1 APQP产品开发项目管理流程图 

2.2 计划和确定项目
当前气体传感器的开发参差不齐,消费类气体传感器性能难以满足汽车复杂工况下的要求,而燃料电池汽车飞速发展对于车用氢传感器的需求异常迫切,同时对车用氢气传感器的开发提出了新的挑战。第一阶段流程图如图2所示。
氢传感器计划和确定项目阶段流程图  
图2 氢传感器计划和确定项目阶段流程图 

根据客户输人,明确了来自内部和外部的抱怨、建议、资料和信息,同时根据市场研究,发现随 着氢燃料电池汽车国家战略要求,低成本车用氢传感器的需求与日俱增;结合主机厂的产品质量信息以及对问题的记录,为客户制定业务计划和营销策略,业务计划包括进度、成本、投资、产品定位、资源投入。在此基础上公司内部达成一致,项目正式立项,项目小组成立,项目成员来自于各个职能部门,包含项目经理、研发、生产、采购、质量、试制试验、物流等。


项目组结合传感器过程设想、产品可靠性研究确定产品的边界及性能指标,形成第一阶段输出,包括可行性分析报告设计任务书(传感器外观及内部设计、可靠性、质量目标及车用标准),制定项目计划、产品技术要求、初始材料清单等。根据燃料电池汽车关联零部件接口匹配要求以及应用场景下传感器对汽车功能安全的要求,对探头的响应设计、PCB功能的定义等提出了明确的要求。


除此之外,对于车用规范要求中的电气性能(瞬时过电压、跳变电压启动等)、环境试验性能(高低温、热冲击等)、材料试验(燃烧、气味、VOC、禁用物质等)、EMC(静电放电、磁场抗干扰等)也做了明确定义,对下一阶段设计边界提出了具体的要求。


2.3 产品设计与开发
氢传感器包括敏感探头、电路板、外部壳体以及相关的结构组件;传感器与外部的接口主要为通讯接口,这些子系统有机结合在一起构成了一个氢传感器零部件。氢传感器产品的开发需要满足车规产品开发的基本要求和过程,从系统需求描述和分析开始,逐步迭代到设计、分析、验证到整车试验,确保产品的全面性、可靠性和安全性。


在第二阶段的开发过程中,以第一阶段的输出文件作为第二阶段输入,完成第二阶段输出,流程如图3所示。在该过程中,DFMEA(Design Failure Mode and Effects Analysis)作为关键交付及管理手段,结合测量及测试方法不断更新解决设计中遇到的失效问题,确保设计的产品满足使用要求。通过产品边界设计氢传感器敏感材料、电子器件原理图、内外结构数据模型图以及相互之间的关系,并制定相应的验证计划及测量测试规范。在第二阶段过程中的输出主要为氢传感器设计失效模式及后果分析设计验证、设计验证计划DVP&PVP、设计冻结评审、传感器工程图样、材料规范证明及第三方测试报告、样件制造计划、样件控制计划、测试设备需求等。 
氢传感器产品设计与开发阶段流程图  
图3 氢传感器产品设计与开发阶段流程图 
 
2.3.1 材料设计分析
传感器核心器件之一为探头中的敏感探头,采用惠斯通电桥原理结合催化燃烧方式采集氢气浓度变化的信号。在敏感探头中,敏感材料的开发运用PDCA(Plan,Do,Check,Action)循环的管理方法对新材料开发进行性能优化。


23.2 电子电气设计
氢传感器电气设计主要指线束、连接器、接插件等电器件的设计与选型,要求的因素主要有载流能力、接触阻抗、耐压等级、机械特性、阻燃等级、老化特性、耐腐蚀、绝缘防护、接触防护、密封要求、连接工艺、制造和加工成本等。


氢传感器电路作为其信号处理及传递的核心,需要完成数据计算、通信、信号放大、信号转换等多重功能。信号经过惠斯通电桥后输入至电路板,通过电源输人、信号处理、信号放大、滤波处理及转化、信号输出后,由整车控制系统对输出的信号进行判断,执行定义的响应策略。


2.3.3 结构设计分析
氢传感器外形和结构要根据车内的安装位置、安装方向、安装方式等综合考虑,尽可能地在不影响整车总布置的前提下进行安装。氢传感器的结构设计,是根据整车对于传感器产品的性能要求、功能要求、外包络尺寸要求、重量/挂点要求、接口形式要求、防护要求等,最终确定合适的外部设计和内部PCB设计、探头设计、紧固设计等。比如结合氢传感器防水防尘等级要求,在设计阶段需考虑合适的防尘防水处理,如灌胶、防水透气膜以及在局部地区增加橡胶圈及预紧力设计。


2.4 过程设计与开发
第三阶段为过程设计阶段,主要对氢传感器进行集成与验证。这阶段是对制造过程进行前期策划,以确保生产出满足客户质量要求、功能性能要求以及产量要求的氢传感器产品。在整个计划中,产品设计与过程设计前后并行,在产品设计的同时考虑模具的设计,以显著缩短产品开发周期,完成满足性能要求的初始样件。


在第三阶段的开发过程中,根据第二阶段输出,完成第三阶段输出,流程如图4所示。在该过程中,PFMEA(Process Failure Mode and Effects A-nalysis)作为关键交付及管理手段,考虑传感器生产过程可能遇到的失效问题,确保按照相关设备及工艺参数生产的产品满足产品要求。在第三阶段过程中的输出为PFMEA、有效生产、测量系统分析(MSA)、统计过程控制(SPC)、试验确认、包装评价、试生产控制计划、设备需求等。 
氢传感器过程设计与开发阶段流程图  
图4 氢传感器过程设计与开发阶段流程图 
 
2.5 产品和过程确认
在产品和过程的设计与开发过程中,要不断地对氢传感器产品和过程设计进行确认,并按照前一阶的过程流程图和试生产控制计划来实际生产,在第四阶段有重要的产品及过程设计变化需要进行工程更改,以确保最终产品质量的一致性,同时核实项目的设计及开发成本。


氢传感器的产品和过程确认阶段目的是为了进行小批量生产,从而检查该产品是否满足整车参数要求。在产品和过程确认阶段完成测量系统分析和统计过程控制,将生产件的批准(PPAP)提交顾客,本阶段流程如图5所示。 
氢传感器产品和过程确认阶段流程图  
图5 氢传感器产品和过程确认阶段流程图 
 
第三阶段输出为第四阶段输入,第四阶段具体主要输出物为有效生产、测量系统评价、生产控制计划、生产件批准等。产品质量管理遵循所有的项目控制计划和所有的过程流程图。


2.6 反馈评价和纠正措施
反馈评价和纠正措施虽然作为本文介绍的第五阶段,但它在整个氢传感器研发过程都是存在的。从项目一阶段策划阶段到量产交付阶段,如出现任何的质量变化,应该及时与整车厂进行反第三阶段输出为第四阶段输入,第四阶段具体主要输出物为有效生产、测量系统评价、生产控制计划、生产件批准等。产品质量管理遵循所有的项目控制计划和所有的过程流程图。


2.6 反馈评价和纠正措施
反馈评价和纠正措施虽然作为本文介绍的第五阶段,但它在整个氢传感器研发过程都是存在的。从项目一阶段策划阶段到量产交付阶段,如出现任何的质量变化,应该及时与整车厂进行反馈、评定并给出纠正措施。本阶段主要输出为有效的经验总结、实时的检测报告以及最终客户的满意。表1为研发出的某车用氢传感器性能参数,图6(a)为第二阶段所完成的外观三维效果罔与内部结构设计图,图6(b)为第三、四阶段完成的生产实物。 
某车用传感器总成性能参数表  
 
车用氢传感器图  
图6 车用氢传感器图 
 
APQP管理方法在整个传感器产品开发过程中起到了资源引导的作用,以客户的要求为导向,在开发过程中促进对所有变更的早期识别,从而降低开发成本,最终生产出客户满意的产品。


3 结语
APQP是以产品质量为目标,为发现和规避产品开发的问题为目的,将APQP质量工具应用在氢传感器的研发过程中,尤其是在氢传感器产品设计与开发过程中,充分利用DFMEA工具,针对探头、电路板、壳体之间所有的界面,对其潜在失效模式进行预测,分析制定预防控制措施,对质量过程进行全面控制,以提高传感器的可靠性,使得研发流程更加规范,降低了开发过程中的风险。与此同时,结合ISO/TS 16949流程中FMEA、SPC、MAS、PPAP等工具以及PDCA循环等方法,提升产品的合格率以及各个开发阶段的成功率,从而确保在最短的开发周期中达到项目指标,降低项目开发成本,实现客户满意。 




  • 2019-10-25 16:45
  • 我要分享:
声明:文章"车用氢气传感器研发APQP解决方案"为上海御云信息科技有限公司原创文章,转载请注明出处,谢谢合作!您所在位置:质量管理软件 > 质量管理系统资讯 > APQP资讯 >

联系清泰代表

热门文章
热门标签