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大型步入式恒温恒湿试验室在整车可靠性验证中的技术实践

更新时间:2025-07-25      浏览次数:14

汽车作为复杂的机电一体化产品,其可靠性与环境适应性直接关系到用户体验与行车安全。在全球气候多样化的背景下,车辆需要应对从极寒到酷热、从干燥到潮湿的多种环境挑战。大型步入式恒温恒湿试验室凭借其强大的环境模拟能力,成为汽车研发过程中验证整车性能的核心设备。它能够在可控空间内精准复现各类苛刻环境气候条件,通过加速试验的方式,在短时间内评估车辆在长期使用过程中可能出现的性能衰减与故障隐患,为汽车产品的迭代升级提供科学依据。

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一、试验室结构设计与核心技术参数
(一)主体结构与材料选择
大型步入式恒温恒湿试验室的主体结构采用模块化设计,以 Q235 钢结构为框架基础,框架截面尺寸达 100mm×100mm,确保在 - 70℃至 150℃的温度循环中保持结构稳定性。外部围护结构采用厚度为 1.5mm 的冷轧钢板,经磷化处理后喷涂环氧树脂防腐涂层,涂层厚度≥60μm,有效抵御高湿环境下的锈蚀。内部工作舱体选用 2mm 厚 SUS304 不锈钢板,通过激光焊接工艺实现整体密封,焊缝平整度≤0.5mm,避免温湿度泄漏。保温层填充密度为 48kg/m³ 的离心玻璃棉,厚度达 150mm,导热系数≤0.038W/(m・K),使舱体热损失降低至 15W/(㎡・K) 以下。(二)温湿度控制系统架构

温度控制采用三级调节模式:初级调节通过 4 组 6kW 镍铬合金加热管实现功率调节,次级调节依靠 2 台 3HP 螺杆式压缩机进行阶梯式制冷,精密调节则由电子膨胀阀控制制冷剂流量,实现 ±0.1℃的控制精度。湿度调节系统包含 2 套超声波加湿器(单套加湿量 3kg/h)和 3 组低温冷凝蒸发器,配合露点传感器实现 10%-98% RH 范围内 ±1% RH 的控制精度。系统响应速度达到 5℃/min 的温变速率和 10% RH/min 的湿变速率,可在 30 分钟内完成从 - 40℃到 80℃的极限温度转换。
(三)空气循环与均布技术
空气循环系统采用 "顶送下回" 的气流组织方式,顶部布置 8 组轴流风机(单台风量 5000m³/h),配合静压箱和蜂窝式气流分布器,使舱内风速均匀控制在 0.8-1.2m/s。通过计算流体动力学(CFD)模拟优化风道设计,确保舱内温度梯度≤±1℃/m,湿度梯度≤±2% RH/m。观察窗采用 4 层中空 Low-E 钢化玻璃(总厚度 50mm),内置 0.1mm 厚 ITO 导电膜加热,在 - 40℃工况下可保持玻璃表面温度≥15℃,消除结霜结雾现象。
二、整车测试实施规范与技术要点
      测试方案制定依据
测试方案需严格遵循 ISO 16750-4(气候负荷)、GB/T 28046.4-2011 等标准,根据车辆目标市场的气候特征确定关键参数:
  • 寒带地区测试:-40℃/30% RH,持续 96h,包含 - 30℃冷启动循环(每天 8 次)

  • 热带地区测试:60℃/95% RH,持续 168h,同步施加 800W/m² 红外辐射模拟太阳直射

  • 高原气候模拟:结合海拔 4000m 气压环境(61.3kPa),进行 - 20℃至 40℃的温度循环

测试负载通过电力测功机模拟,可实现 0-120km/h 的车速闭环控制,配合底盘测功机施加 0-5000N 的行驶阻力,精准复现实际道路行驶工况。

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    全流程测试实施步骤
  1. 样品准备阶段:测试车辆需完成 1500km 磨合行驶,按技术规范进行轮胎动平衡(残留不平衡量≤5g)和四轮定位(主销后倾角 ±0.5°)。在 25℃/50% RH 环境中静置 4h,测量初始状态参数:包括各部位漆膜厚度(80-120μm)、内饰件间隙(0.3-0.8mm)、电池 SOC 值(80%±2%)等基础数据。

  1. 环境循环测试:以典型 "三高" 循环测试为例,每个循环周期 24h,包含:

  • 高温高湿阶段(8h):60℃/90% RH,模拟热带正午,车辆以 80km/h 匀速行驶 4h 后静置 4h

  • 温度转换阶段(6h):从 60℃线性降温至 - 30℃,降温速率 3℃/min,车辆处于熄火状态

  • 低温阶段(10h):-30℃/30% RH,模拟寒带深夜,每 2h 进行 1 次 - 25℃冷启动并怠速 30min

  1. 数据采集与分析:全车布置 42 个测试点:其中 16 个铂电阻温度传感器(精度 A 级)分布在发动机舱、驾驶舱及底盘关键部位;8 个电容式湿度传感器监测车内不同区域湿度;12 个应变片测量车身关键连接点的应力变化;6 个振动加速度传感器采集悬架系统振动数据。数据通过 8 通道同步采集仪(采样率 10kHz)记录,生成三维性能衰减曲线。

(三)关键性能评估指标
测试结束后需进行 28 项性能评估,核心指标包括:
  • 动力性能:-30℃冷启动成功率(≥99%)、60℃高温下最大功率衰减率(≤8%)

  • 电子系统:ECU 工作稳定性、雷达探测距离偏差(≤5%)

  • 车身附件:车门密封条压缩量变化(≤0.5mm)、玻璃升降器工作电流波动(≤10%)

  • 内饰件:PVC 表皮耐迁移性(灰度卡评级≥4 级)、织物面料抗起球性(≥3 级)

     新能源汽车电池系统测试
在电池包专项测试中,通过 - 20℃至 55℃的温度循环(每循环 12h,共 30 循环),监测不同 SOC 状态下的性能变化:
  • 充电性能:-10℃环境下,采用 3C 快充时电池温升需控制在 25K 以内,充电效率≥85%

  • 放电性能:45℃高温下,1C 放电容量保持率应≥90%,循环 200 次后容量衰减≤20%

  • 安全性能:经历 10 次 - 40℃至 60℃的冷热冲击后,进行针刺试验应无明火爆炸

某车企通过该测试发现,电池包底部保温层在 - 30℃下会出现 0.3mm 收缩,导致电芯温度分布不均。改进采用硅橡胶发泡材料后,温度一致性提升 40%,低温续航里程增加 12km。
    智能驾驶系统环境适应性验证

针对毫米波雷达和摄像头等关键部件,进行复合环境测试:在 60℃/90% RH 环境下,持续施加 2000lux 强光干扰,监测目标识别准确率。测试数据显示:未优化的摄像头在高温高湿环境下识别准确率下降至 78%,通过加装疏水涂层和温控模块后,准确率提升至 97%。同时验证了激光雷达在 - 25℃结霜条件下的除霜性能,要求加热系统能在 5 分钟内清除 90% 表面积霜。

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(三)车身密封与隔音性能测试
采用烟雾发生器和麦克风阵列进行密封性能评估:在 500Pa 正压下,舱内烟雾泄漏量≤0.5m³/h;60km/h 风速下,驾驶舱内噪音值(A 计权)应≤62dB。某车型通过测试发现前门密封条在 - 30℃下硬度增加 35%,导致密封性能下降。改用三元乙丙橡胶(EPDM)与硅橡胶复合结构后,低温密封性能提升 50%。
四、技术发展趋势与行业价值
当前试验室正朝着 "多场耦合" 方向发展,最新一代设备已实现温湿度 - 振动 - 辐射 - 气压四因素协同模拟:
  • 引入 300-2500nm 全光谱模拟系统(辐照度 0-1200W/m² 可调),更真实模拟太阳辐射

  • 集成六自由度振动台(频率范围 1-2000Hz,最大加速度 20g),复现路面颠簸激励

  • 结合数字孪生技术,构建虚拟测试场景,使物理测试周期缩短 40%,测试成本降低 35%

这种先进测试能力推动汽车研发模式变革:从传统的 "试制 - 路试" 模式转变为 "虚拟仿真 - 试验室验证 - 目标路试" 的新模式,将新车环境适应性开发周期从 18 个月压缩至 12 个月,同时使路试里程减少 60%,显著提升研发效率。
大型步入式恒温恒湿试验室已成为汽车产业向智能化、电动化转型的关键支撑设施,其技术进步将持续推动汽车产品环境适应性的边界突破,为用户提供更可靠、更安全的出行体验。

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