車載電控模塊的硬件可靠性驗證方法

劉永春，宋衛(wèi)萍，王秋花，郭慶波

（中國重汽集團技術發(fā)展中心，山東 濟南 250000）

1 引言

隨著汽車電子技術的發(fā)展，車載電控模塊日趨增多，使得車輛電控系統愈趨復雜，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行的可靠性。為了確保電控模塊在復雜的工作環(huán)境下運行正常，使產品滿足使用要求和汽車電子行業(yè)標準要求，在開發(fā)階段對其進行測試驗證和評估必不可少。通過對電控模塊的原理設計、樣品進行驗證，能夠快速地找到設計的弱點和缺陷并加以改進，使模塊的設計在盡可能短的時間內趨向成熟，以滿足量產化的需要。

電控模塊的測試項目與開發(fā)流程息息相關，不同的開發(fā)階段測試項目也有所不同。一般來說，車載電控模塊的可靠性驗證主要分為兩部分：一是硬件級別的驗證，主要包括電控模塊的功能測試、電氣試驗、環(huán)境試驗和電磁兼容試驗；二是系統級別的測試，主要包括系統功能測試、系統耐久性測試和系統可靠性測試。本文主要針對硬件級別的驗證，闡述各個測試項的測試內容、測試意義及實施方法，這對于合理制定測試方案和計劃、有效執(zhí)行測試意義重大。

2 測試流程

汽車電子產品的可靠性測試依據的行業(yè)標準主要有QC／T 413-2002《汽車電氣設備基本技術條件》、GB／T 2423《電工電子產品環(huán)境試驗》、ISO16750《汽車電子電氣性能測試項目及方法》、ISO11452《道路車輛.窄帶輻射的電磁能量產生的電子干擾的車輛試驗方法》、ISO7637《道路車輛.由傳導和耦合引起的電干擾》、ISO10605《道路車輛.靜電放電產生的電干擾的測試方法》。

圖1是一種基本的測試驗證流程方案。首先需要進行初始功能試驗，檢測電控單元各控制功能是否正常，保證待測電控模塊在進行后續(xù)系列試驗前，模塊本身是性能正常的合格品。試驗可使用多個樣品分組分別進行電磁兼容試驗、環(huán)境性能試驗和電氣性能試驗，試驗后再檢測各項控制功能是否正常，并根據定義的A、B、C、D、E五個功能狀態(tài)等級判斷是否達到要求。功能狀態(tài)A：樣件試驗中和試驗后都能保持原來的設定功能；功能狀態(tài)B：樣件試驗中能夠保持原來的設定功能，但是有一個或多個功能會超出規(guī)定的公差范圍，試驗后能夠自動恢復到規(guī)定的公差范圍內；功能狀態(tài)C：樣件試驗中有一個或多個功能不能正常工作，但是試驗后能夠自動恢復并正常工作；功能狀態(tài)D：樣件試驗中有一個或多個功能不能正常工作，但是試驗后仍不能恢復正常工作，需要對其重新啟動；功能狀態(tài)E：樣件試驗中有一個或多個功能不能正常工作，但是試驗后仍不能恢復正常工作，需要對樣品進行維修或更換。

3 電控模塊的環(huán)境試驗

圖1 驗證流程方案

環(huán)境試驗是為了模擬電控模塊在各種環(huán)境下系統的耐受性和可靠性，即考察電控模塊在不斷經受自身及外界環(huán)境的情況下，能否在一定的壽命時間內正常工作。它可以被認為是一種基于硬件性能的可靠性測試。環(huán)境試驗的具體項目主要包括機械試驗 （如：振動、沖擊、自由跌落等）、溫度試驗、濕度試驗、鹽霧腐蝕試驗、耐工業(yè)試劑試驗、防護等級試驗等，不同的電控單元因使用環(huán)境等因素的不同所需的試驗項目及要求都不盡相同。下面參照GB／T 2423標準要求以某款發(fā)動機電控單元的設計驗證樣件為對象，說明溫度試驗的整體過程。具體測試項目詳見表1。

表1 溫度試驗的測試項目

1）低溫存儲實驗：該實驗是在低溫環(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在設定的最低溫度下持續(xù)存儲24 h，要求測試結束后滿足功能狀態(tài)C。由于低溫下空氣中的水分會凝結，該實驗檢驗EUT承受霜凍的能力。

3）高溫存儲實驗：該實驗是在高溫環(huán)境中、模塊不帶電的狀態(tài)下，考核EUT運行期間承受高溫環(huán)境的能力。按GB／T 2423.2在設定的最高溫度下持續(xù)存儲48 h，要求測試結束后滿足功能狀態(tài)C。由于高溫時許多元件會發(fā)生熱退化，該實驗檢驗EUT是否會在高溫環(huán)境下發(fā)生電氣故障。

4）高溫運行實驗：該實驗在高溫環(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)運行能力。按GB／T 2423.2在設定的最高溫度下持續(xù)帶電運行96 h，要求滿足功能狀態(tài)A。該實驗檢驗EUT是否會在高溫下發(fā)生電氣故障，因為元器件在高溫條件下會發(fā)生一定的熱退化，屬于在汽車電子領域不得不考慮的熱問題，應當引起關注。

5）溫度梯度實驗：用于檢查EUT在一定的局部工作溫度范圍可能出現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相關要求，實驗的具體溫度參數如圖2所示。在順序實驗的初始和末尾進行溫度梯度測試比較，能反映出EUT在經過一系列實驗后的前后性能變化，充分考核在不同溫度下溫度相關性給EUT帶來的影響。

圖2 溫度梯度實驗

6）溫度循環(huán)實驗：該實驗的主要目的是模擬EUT在帶電工作時隨著溫度快速變化的情況。此實驗按GB／T 2423.22的相關要求進行，在整個裝置達到設定的最低溫度后EUT通電工作，用盡可能短的時間檢查裝置的功能。

7）熱沖擊實驗：該實驗是由惡劣條件組成的加速實驗，用來模擬大量的慢溫度循環(huán)對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進行試驗，單次熱沖擊實驗從設定的最低溫度升到最高溫度，溫度轉換時間不超過10 s，EUT在每個溫度點保持60 min，循環(huán)次數為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導致的材料裂化或密封失效，將會導致機械缺陷，對焊接的地方考驗也比較多。此實驗將會給電子芯片帶來直接影響，因此在模塊設計過程中熱問題應當充分考慮。

4 電控模塊的電氣性能試驗

電氣試驗主要驗證電控模塊硬件電路的功能是否達到設計要求的規(guī)格，依據標準要求以某款發(fā)動機電控單元的設計驗證樣件為對象，說明其測試項目 （表2）。

表2 電氣性能試驗的測試項目

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

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

2）過電壓：模擬發(fā)電機調節(jié)器失效引起的發(fā)電機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EUT的有效輸入端按下列規(guī)定進行試驗。

供電電壓USmax（圖4）：32V；a.c.電壓 （正弦）：UPP=10V；電源內阻：50～100 mΩ；頻率范圍 （圖5）：50 Hz～20 kHz；掃頻類型 （圖5）：三角形，對數；掃頻持續(xù)時間 （圖5）：120 s；掃頻次數：5（連續(xù)）。

圖3 試驗裝置

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，同時對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：模擬另一電路內的常規(guī)熔斷器元件熔化時造成的影響。將試驗脈沖同時加到EUT的有效輸入端。上升和下降時間應不超過10 ms。

6）降壓重置：檢驗在不同的電壓驟降時EUT的復位性能。對EUT的有效輸入端同時施加試驗脈沖，檢查EUT的復位性能。

7）電壓啟動曲線：檢驗EUT在啟動時和啟動后的特性。按照標準啟動特性參數同時加到EUT的有效輸入端，共進行10次。建議啟動循環(huán)之間間隔1～2 s。

8）反接：檢驗EUT對蓄電池反向連接的抵御能力。

9）搭鐵補償和電源補償：如存在2條或多條供電線路時，本試驗用于檢驗組件的可靠運轉情況，比如一個組件的電源搭鐵與信號搭鐵的參考點可能不一致。

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：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

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

表3 電磁兼容試驗的測試項目

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

2）電源線和信號線瞬態(tài)抗擾度：將干擾信號通過直流電源線或信號線直接注入，查看被測電控單元抗擾能力。其試驗參數及要求見表4和表5。

表4 沿電源線的電瞬態(tài)傳導試驗參數

表5 沿信號線的電瞬態(tài)傳導試驗參數

3）電場輻射敏感度：檢驗被測電控單元對窄帶輻射電磁能的抗干擾性能，按ISO 11452-2規(guī)定的試驗方法進行試驗。

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

5）傳導發(fā)射：該項目測量的是ECU通過電源線的騷擾電壓，衡量電控單元從電源端口直接傳導向外耦合的騷擾。一般采用電壓法使用人工電源網絡進行電源和負載的隔離，測試結果應滿足標準規(guī)定的限值要求。

6 結束語

本文幾乎涵蓋了電控單元開發(fā)過程中硬件可靠性的測試流程和測試項目，各項測試活動的目的雖然不盡相同，但測試方法卻可相互借鑒。我們若能知其意義、明其方法，在開發(fā)立項之初，充分評估各項測試活動所有資源，制定合理的測試方案及測試計劃并有效實施，對于保證產品品質及整車品質必是大有益處。

（編輯 凌 波）