車載電控模塊的硬件可靠性驗(yàn)證方法

劉永春，宋衛(wèi)萍，王秋花，郭慶波

（中國(guó)重汽集團(tuán)技術(shù)發(fā)展中心，山東 濟(jì)南 250000）

1 引言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，車載電控模塊日趨增多，使得車輛電控系統(tǒng)愈趨復(fù)雜，因此，車載電控模塊的可靠性變得尤為重要，它直接決定著車輛安全及運(yùn)行的可靠性。為了確保電控模塊在復(fù)雜的工作環(huán)境下運(yùn)行正常，使產(chǎn)品滿足使用要求和汽車電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，在開發(fā)階段對(duì)其進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證和評(píng)估必不可少。通過(guò)對(duì)電控模塊的原理設(shè)計(jì)、樣品進(jìn)行驗(yàn)證，能夠快速地找到設(shè)計(jì)的弱點(diǎn)和缺陷并加以改進(jìn)，使模塊的設(shè)計(jì)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)趨向成熟，以滿足量產(chǎn)化的需要。

電控模塊的測(cè)試項(xiàng)目與開發(fā)流程息息相關(guān)，不同的開發(fā)階段測(cè)試項(xiàng)目也有所不同。一般來(lái)說(shuō)，車載電控模塊的可靠性驗(yàn)證主要分為兩部分：一是硬件級(jí)別的驗(yàn)證，主要包括電控模塊的功能測(cè)試、電氣試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)和電磁兼容試驗(yàn)；二是系統(tǒng)級(jí)別的測(cè)試，主要包括系統(tǒng)功能測(cè)試、系統(tǒng)耐久性測(cè)試和系統(tǒng)可靠性測(cè)試。本文主要針對(duì)硬件級(jí)別的驗(yàn)證，闡述各個(gè)測(cè)試項(xiàng)的測(cè)試內(nèi)容、測(cè)試意義及實(shí)施方法，這對(duì)于合理制定測(cè)試方案和計(jì)劃、有效執(zhí)行測(cè)試意義重大。

2 測(cè)試流程

汽車電子產(chǎn)品的可靠性測(cè)試依據(jù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要有QC／T 413-2002《汽車電氣設(shè)備基本技術(shù)條件》、GB／T 2423《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)》、ISO16750《汽車電子電氣性能測(cè)試項(xiàng)目及方法》、ISO11452《道路車輛.窄帶輻射的電磁能量產(chǎn)生的電子干擾的車輛試驗(yàn)方法》、ISO7637《道路車輛.由傳導(dǎo)和耦合引起的電干擾》、ISO10605《道路車輛.靜電放電產(chǎn)生的電干擾的測(cè)試方法》。

圖1是一種基本的測(cè)試驗(yàn)證流程方案。首先需要進(jìn)行初始功能試驗(yàn)，檢測(cè)電控單元各控制功能是否正常，保證待測(cè)電控模塊在進(jìn)行后續(xù)系列試驗(yàn)前，模塊本身是性能正常的合格品。試驗(yàn)可使用多個(gè)樣品分組分別進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)、環(huán)境性能試驗(yàn)和電氣性能試驗(yàn)，試驗(yàn)后再檢測(cè)各項(xiàng)控制功能是否正常，并根據(jù)定義的A、B、C、D、E五個(gè)功能狀態(tài)等級(jí)判斷是否達(dá)到要求。功能狀態(tài)A：樣件試驗(yàn)中和試驗(yàn)后都能保持原來(lái)的設(shè)定功能；功能狀態(tài)B：樣件試驗(yàn)中能夠保持原來(lái)的設(shè)定功能，但是有一個(gè)或多個(gè)功能會(huì)超出規(guī)定的公差范圍，試驗(yàn)后能夠自動(dòng)恢復(fù)到規(guī)定的公差范圍內(nèi)；功能狀態(tài)C：樣件試驗(yàn)中有一個(gè)或多個(gè)功能不能正常工作，但是試驗(yàn)后能夠自動(dòng)恢復(fù)并正常工作；功能狀態(tài)D：樣件試驗(yàn)中有一個(gè)或多個(gè)功能不能正常工作，但是試驗(yàn)后仍不能恢復(fù)正常工作，需要對(duì)其重新啟動(dòng)；功能狀態(tài)E：樣件試驗(yàn)中有一個(gè)或多個(gè)功能不能正常工作，但是試驗(yàn)后仍不能恢復(fù)正常工作，需要對(duì)樣品進(jìn)行維修或更換。

3 電控模塊的環(huán)境試驗(yàn)

圖1 驗(yàn)證流程方案

環(huán)境試驗(yàn)是為了模擬電控模塊在各種環(huán)境下系統(tǒng)的耐受性和可靠性，即考察電控模塊在不斷經(jīng)受自身及外界環(huán)境的情況下，能否在一定的壽命時(shí)間內(nèi)正常工作。它可以被認(rèn)為是一種基于硬件性能的可靠性測(cè)試。環(huán)境試驗(yàn)的具體項(xiàng)目主要包括機(jī)械試驗(yàn) （如：振動(dòng)、沖擊、自由跌落等）、溫度試驗(yàn)、濕度試驗(yàn)、鹽霧腐蝕試驗(yàn)、耐工業(yè)試劑試驗(yàn)、防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)等，不同的電控單元因使用環(huán)境等因素的不同所需的試驗(yàn)項(xiàng)目及要求都不盡相同。下面參照GB／T 2423標(biāo)準(zhǔn)要求以某款發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元的設(shè)計(jì)驗(yàn)證樣件為對(duì)象，說(shuō)明溫度試驗(yàn)的整體過(guò)程。具體測(cè)試項(xiàng)目詳見(jiàn)表1。

表1 溫度試驗(yàn)的測(cè)試項(xiàng)目

1）低溫存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)是在低溫環(huán)境中、模塊不帶電的狀態(tài)下，考核EUT在工作期間承受低溫環(huán)境的能力。按GB／T 2423.1在設(shè)定的最低溫度下持續(xù)存儲(chǔ)24 h，要求測(cè)試結(jié)束后滿足功能狀態(tài)C。由于低溫下空氣中的水分會(huì)凝結(jié)，該實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)EUT承受霜凍的能力。

3）高溫存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)是在高溫環(huán)境中、模塊不帶電的狀態(tài)下，考核EUT運(yùn)行期間承受高溫環(huán)境的能力。按GB／T 2423.2在設(shè)定的最高溫度下持續(xù)存儲(chǔ)48 h，要求測(cè)試結(jié)束后滿足功能狀態(tài)C。由于高溫時(shí)許多元件會(huì)發(fā)生熱退化，該實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)EUT是否會(huì)在高溫環(huán)境下發(fā)生電氣故障。

4）高溫運(yùn)行實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)在高溫環(huán)境中、模塊帶電的狀態(tài)下，考核EUT高溫工作期間的持續(xù)運(yùn)行能力。按GB／T 2423.2在設(shè)定的最高溫度下持續(xù)帶電運(yùn)行96 h，要求滿足功能狀態(tài)A。該實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)EUT是否會(huì)在高溫下發(fā)生電氣故障，因?yàn)樵骷诟邷貤l件下會(huì)發(fā)生一定的熱退化，屬于在汽車電子領(lǐng)域不得不考慮的熱問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)引起關(guān)注。

5）溫度梯度實(shí)驗(yàn)：用于檢查EUT在一定的局部工作溫度范圍可能出現(xiàn)的功能故障或性能下降，它接近于一種緩變型的溫度變化。按GB／T 2423.22相關(guān)要求，實(shí)驗(yàn)的具體溫度參數(shù)如圖2所示。在順序?qū)嶒?yàn)的初始和末尾進(jìn)行溫度梯度測(cè)試比較，能反映出EUT在經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)后的前后性能變化，充分考核在不同溫度下溫度相關(guān)性給EUT帶來(lái)的影響。

圖2 溫度梯度實(shí)驗(yàn)

6）溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)的主要目的是模擬EUT在帶電工作時(shí)隨著溫度快速變化的情況。此實(shí)驗(yàn)按GB／T 2423.22的相關(guān)要求進(jìn)行，在整個(gè)裝置達(dá)到設(shè)定的最低溫度后EUT通電工作，用盡可能短的時(shí)間檢查裝置的功能。

7）熱沖擊實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)是由惡劣條件組成的加速實(shí)驗(yàn)，用來(lái)模擬大量的慢溫度循環(huán)對(duì)EUT的作用，采用較快的溫度變化率和更寬的溫度變化范圍。按GB／T 2423.22 Na進(jìn)行試驗(yàn)，單次熱沖擊實(shí)驗(yàn)從設(shè)定的最低溫度升到最高溫度，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過(guò)10 s，EUT在每個(gè)溫度點(diǎn)保持60 min，循環(huán)次數(shù)為250次，要求滿足功能狀態(tài)C，不要求帶電工作。

熱沖擊的失效模式主要是由材料老化和不同溫度膨脹系數(shù)導(dǎo)致的材料裂化或密封失效，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)械缺陷，對(duì)焊接的地方考驗(yàn)也比較多。此實(shí)驗(yàn)將會(huì)給電子芯片帶來(lái)直接影響，因此在模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中熱問(wèn)題應(yīng)當(dāng)充分考慮。

4 電控模塊的電氣性能試驗(yàn)

電氣試驗(yàn)主要驗(yàn)證電控模塊硬件電路的功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的規(guī)格，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求以某款發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元的設(shè)計(jì)驗(yàn)證樣件為對(duì)象，說(shuō)明其測(cè)試項(xiàng)目 （表2）。

表2 電氣性能試驗(yàn)的測(cè)試項(xiàng)目

1）直流供電電壓：檢驗(yàn)電控模塊在最低和最高供電電壓范圍內(nèi)的功能。按供電電壓的最小值和最大值試驗(yàn)時(shí)，檢查模塊功能是否達(dá)到測(cè)試要求，樣件的供電電壓范圍16～32 V。

當(dāng)前基層宣傳大多采取大水漫灌式的方式開展，沒(méi)有綜合受眾的文化層次、年齡差異、理解能力、職業(yè)特點(diǎn)等具體情況開展宣傳工作。有的組織者甚至自身都沒(méi)有吃透上面精神，宣傳的重點(diǎn)和需要不清晰，導(dǎo)致在開展實(shí)際宣傳工作時(shí)，無(wú)論是宣傳的內(nèi)容還是宣傳的形式，都缺乏針對(duì)性、角度性，蘿卜白菜“一鍋煮”，最終宣傳效果不盡理想。

2）過(guò)電壓：模擬發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器失效引起的發(fā)電機(jī)輸出電壓上升到高于正常電壓。在85℃的環(huán)境溫度下，給樣件施加36 V的供電電壓持續(xù)60 min。

3）疊加交流電壓：檢查直流供電下的紋波電壓。按圖3所示連接EUT，對(duì)EUT的有效輸入端按下列規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。

供電電壓USmax（圖4）：32V；a.c.電壓 （正弦）：UPP=10V；電源內(nèi)阻：50～100 mΩ；頻率范圍 （圖5）：50 Hz～20 kHz；掃頻類型 （圖5）：三角形，對(duì)數(shù)；掃頻持續(xù)時(shí)間 （圖5）：120 s；掃頻次數(shù)：5（連續(xù)）。

圖3 試驗(yàn)裝置

圖4 施加電壓

圖5 掃頻

4）供電電壓緩慢上升和下降：模擬蓄電池逐漸放電和充電，同時(shí)對(duì)EUT有效輸入端以 （0.5±0.1）V／min速率將供電電壓由32 V降到0 V，然后從0 V升到32 V。

5）供電電壓跌落：模擬另一電路內(nèi)的常規(guī)熔斷器元件熔化時(shí)造成的影響。將試驗(yàn)脈沖同時(shí)加到EUT的有效輸入端。上升和下降時(shí)間應(yīng)不超過(guò)10 ms。

6）降壓重置：檢驗(yàn)在不同的電壓驟降時(shí)EUT的復(fù)位性能。對(duì)EUT的有效輸入端同時(shí)施加試驗(yàn)脈沖，檢查EUT的復(fù)位性能。

7）電壓?jiǎn)?dòng)曲線：檢驗(yàn)EUT在啟動(dòng)時(shí)和啟動(dòng)后的特性。按照標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)特性參數(shù)同時(shí)加到EUT的有效輸入端，共進(jìn)行10次。建議啟動(dòng)循環(huán)之間間隔1～2 s。

8）反接：檢驗(yàn)EUT對(duì)蓄電池反向連接的抵御能力。

9）搭鐵補(bǔ)償和電源補(bǔ)償：如存在2條或多條供電線路時(shí)，本試驗(yàn)用于檢驗(yàn)組件的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)情況，比如一個(gè)組件的電源搭鐵與信號(hào)搭鐵的參考點(diǎn)可能不一致。

10）單線中斷和多線中斷：模擬連接斷開的電路條件。

11）短路保護(hù)：模擬裝置輸入或輸出端電路短路。

5 電控模塊的電磁兼容試驗(yàn)

電磁兼容試驗(yàn)即測(cè)試電控單元在電磁環(huán)境下能否正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物造成不能承受的電磁騷擾，主要驗(yàn)證電磁干擾和電磁抗擾兩部分，電磁干擾是指產(chǎn)品本身對(duì)外界的電磁干擾水平，電磁抗擾是指產(chǎn)品本身抵抗外界輻射干擾的能力。汽車電子行業(yè)電磁兼容試驗(yàn)主要進(jìn)行以下測(cè)試項(xiàng)目，詳見(jiàn)表3。

表3 電磁兼容試驗(yàn)的測(cè)試項(xiàng)目

1）靜電放電抗擾度試驗(yàn)是模擬干燥的環(huán)境下，通過(guò)摩擦帶電的人體在存儲(chǔ)、使用和維修期間對(duì)汽車電控單元產(chǎn)生的放電，來(lái)驗(yàn)證汽車電控單元的耐靜電能力。電控單元的測(cè)試分別在供電和不供電兩種狀態(tài)下進(jìn)行，在供電狀態(tài)下進(jìn)行接觸放電、間接放電和空氣放電三種模式的測(cè)試，在不供電狀態(tài)下進(jìn)行接觸放電和空氣放電兩種模式的測(cè)試。

2）電源線和信號(hào)線瞬態(tài)抗擾度：將干擾信號(hào)通過(guò)直流電源線或信號(hào)線直接注入，查看被測(cè)電控單元抗擾能力。其試驗(yàn)參數(shù)及要求見(jiàn)表4和表5。

表4 沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)試驗(yàn)參數(shù)

表5 沿信號(hào)線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)試驗(yàn)參數(shù)

3）電場(chǎng)輻射敏感度：檢驗(yàn)被測(cè)電控單元對(duì)窄帶輻射電磁能的抗干擾性能，按ISO 11452-2規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

4）大電流注入BCI：使用電流注入探頭將騷擾信號(hào)直接感應(yīng)到線束上進(jìn)行抗擾度試驗(yàn)的方法，按ISO11452-4規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，考核被測(cè)電控單元是否有敏感性現(xiàn)象。

5）傳導(dǎo)發(fā)射：該項(xiàng)目測(cè)量的是ECU通過(guò)電源線的騷擾電壓，衡量電控單元從電源端口直接傳導(dǎo)向外耦合的騷擾。一般采用電壓法使用人工電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電源和負(fù)載的隔離，測(cè)試結(jié)果應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文幾乎涵蓋了電控單元開發(fā)過(guò)程中硬件可靠性的測(cè)試流程和測(cè)試項(xiàng)目，各項(xiàng)測(cè)試活動(dòng)的目的雖然不盡相同，但測(cè)試方法卻可相互借鑒。我們?nèi)裟苤湟饬x、明其方法，在開發(fā)立項(xiàng)之初，充分評(píng)估各項(xiàng)測(cè)試活動(dòng)所有資源，制定合理的測(cè)試方案及測(cè)試計(jì)劃并有效實(shí)施，對(duì)于保證產(chǎn)品品質(zhì)及整車品質(zhì)必是大有益處。

（編輯 凌 波）