發(fā)動(dòng)機(jī)用主電子水泵電容失效問題分析及解決方案

王曉麗，夏朝輝，羅華建，尹建東，王瑞平，2

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利動(dòng)力總成有限公司，浙江 寧波 315800）

1 引言

隨著國(guó)VI法規(guī)的執(zhí)行，排放和油耗的壓力日益嚴(yán)格，熱管理的重要性日益突出，這就要求合理組織能量的分布，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率；而傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理簡(jiǎn)單粗暴，不能合理利用發(fā)動(dòng)機(jī)能量，往往存在很大的浪費(fèi)，特別是在冬季發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)工況，客戶往往有強(qiáng)烈的采暖需求，同時(shí)需要應(yīng)對(duì)苛刻的油耗和排放要求，因此對(duì)機(jī)械產(chǎn)品智能化要求越來越迫切。機(jī)械產(chǎn)品電子化趨勢(shì)需求日益明顯，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)主電子水泵由此應(yīng)運(yùn)而生，電容器作為電子水泵控制器的組成元器件，在整個(gè)電子水泵的使用過程中起到舉足輕重的作用。

電容器是三大無源元件（電阻、電容器、電感器）之一，在電子電器裝置中幾乎無處不在，電容器看起來比較簡(jiǎn)單，僅由兩個(gè)極板構(gòu)成，但在實(shí)際應(yīng)用中很多問題都是出現(xiàn)在電容器的選擇與安裝上。如果對(duì)電容器沒有比較深刻的理解，選擇不當(dāng)，所設(shè)計(jì)制造的電子線路、電器元件就會(huì)出現(xiàn)各種各樣的由于電容器引起的問題或故障，因此需要根據(jù)應(yīng)用的要求來選擇電容器。

大量電子電器的應(yīng)用帶來了嚴(yán)重的電磁干擾，電容器承擔(dān)了抑制電磁干擾的重任，因此很多應(yīng)用下電容器濾波功能要求電容器具備極低的寄生電感和極好的頻率特性；同時(shí)電容器在電路中還需要具備儲(chǔ)能、耦合、旁路、諧振、移相和保持等功能，在抑制電源電磁干擾的同時(shí)，還要準(zhǔn)備承受嚴(yán)酷的浪涌電壓和過電壓的沖擊，同時(shí)還要確保電氣安全和人身安全。

電容器的種類較多，在此不一一列舉。目前汽車用低壓電子水泵用電容多為軸向引線和立式貼片鋁電解電容器兩種。鋁電解電容器由陽(yáng)極鋁箔、隔離紙和陰極鋁箔相交迭卷繞成型，如圖1所示，再浸 透液體電解液，使真實(shí)的負(fù)極嚴(yán)密附在正極的氧化鋁介質(zhì)與電解液的負(fù)極嚴(yán)密接觸；用引出端的引線（或螺栓）連接，安裝在密閉容器中。

圖1 鋁電解電容器組成

某電子水泵使用的電容器為軸向引線電解電容器，在某些惡劣應(yīng)用環(huán)境下尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷工況，振動(dòng)加速度較大時(shí)，如果軸向引線結(jié)構(gòu)及其輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)引起軸向引線電容器的疲勞失效，從而導(dǎo)致整個(gè)電子元器件的失效。比如應(yīng)用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，由于振動(dòng)及耐久導(dǎo)致電容器引線疲勞斷裂，導(dǎo)致整個(gè)電子水泵失效問題。針對(duì)這一問題，就電容器引線疲勞斷裂進(jìn)行分析并制定優(yōu)化方案，以供后續(xù)其他發(fā)動(dòng)機(jī)電子水泵開發(fā)做參考并解決此類問題。

2 故障現(xiàn)象及分析

某發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)負(fù)荷耐久試驗(yàn)運(yùn)行至97h，突然出現(xiàn)水溫高報(bào)警且無法控制的情況，而在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)間水泵能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。檢查發(fā)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖工況至額定轉(zhuǎn)速，突然出現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速?gòu)念~定轉(zhuǎn)速降低至0且故障可復(fù)現(xiàn)。

拆解下故障水泵后進(jìn)行無負(fù)載測(cè)試，水泵能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，故障問題無復(fù)現(xiàn)。接下來拆解水泵后蓋控制器腔，檢查各電路的通斷問題，目視明顯發(fā)現(xiàn)軸向引線電容器外部針腳斷裂，如圖2所示。

圖2 電容外部引腳斷裂

因此鎖定故障原因?yàn)殡娙萜麽樐_斷裂。在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速振動(dòng)的情況下，電容器針腳斷裂處斷開，電子水泵從高轉(zhuǎn)速掉落到0；而在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)由于振動(dòng)不大，電容針腳處于接觸的狀態(tài)，因此水泵能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。拆解下控制器兩電容，對(duì)引腳斷裂處進(jìn)行金相顯微儀斷口分析，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)失效斷面（圖3），確認(rèn)針腳斷面為疲勞斷裂。

圖3 引腳斷面金相分析

分析電容器引線結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)電容外部引線以一個(gè)直線結(jié)構(gòu)與簧片焊接在一起，在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行過程中，電容器引線與簧片直接形成一個(gè)相互作用力。由于簧片設(shè)計(jì)有緩沖結(jié)構(gòu)，能在相互作用過程中起到有效的緩沖作用，如圖4所示，高載荷持續(xù)循環(huán)后，直線引線結(jié)構(gòu)由于受力疲勞產(chǎn)生斷裂。

圖4 電容引腳外部結(jié)構(gòu)

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

1）電容器兩端依靠2個(gè)外部針腳與固定簧片之間的焊接支撐，發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)的情況下，電容器會(huì)整體晃動(dòng)，使兩端針腳受循環(huán)負(fù)荷作用，從而引起疲勞斷裂。因此將電容器兩端針腳結(jié)構(gòu)由原來的直線結(jié)構(gòu)優(yōu)化為波浪形結(jié)構(gòu)（圖5），以波浪結(jié)構(gòu)的形式有效緩沖來自簧片端的作用力。

圖5 電容引腳波浪結(jié)構(gòu)

2）電容針腳優(yōu)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在電容固定支架與電容間增加一定量的固定用結(jié)構(gòu)膠，避免電容與支架的剛性接觸，同時(shí)可以起到固定電容，防止由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起的電容竄動(dòng)，以達(dá)到增強(qiáng)電容抗振效果（圖6）。

圖6 支架與電容間增加固定膠

通過上述整改措施及優(yōu)化項(xiàng)的落實(shí)，后期經(jīng)電子水泵單體耐久和模擬發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架振動(dòng)情況的振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證以及發(fā)動(dòng)機(jī)總成800h循環(huán)負(fù)荷耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，措施有效且量產(chǎn)后均未發(fā)生電容器針腳疲勞斷裂失效，有效解決了電容外部引腳由于相互作用力而產(chǎn)生的失效。

4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

軸向引線電解電容器失效常見于兩端失效，上述失效為兩端針腳由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不合理，故受循環(huán)載荷后疲勞斷裂，另外一種失效模式為電容器正負(fù)兩極的焊接脫焊失效（圖7）。

圖7 電容正負(fù)極脫焊失效

軸向引線電解電容器正負(fù)兩極一般采用焊接形式，不同的應(yīng)用環(huán)境對(duì)焊點(diǎn)的焊接強(qiáng)度要求也不同，如果焊點(diǎn)強(qiáng)度不夠，在振動(dòng)較大的應(yīng)用環(huán)境中容易產(chǎn)生脫焊的情況，因此在選擇電容器時(shí)，需要特別注意應(yīng)用環(huán)境及應(yīng)用邊界的影響。同時(shí)軸向引線電容的安裝方式需要特別注意，盡量避免使用額外支架的形式進(jìn)行固定，盡量將電容安裝在本體上。

另一種立式貼片鋁電解電容器在電子元器件的控制器中應(yīng)用也比較廣泛。正負(fù)極引線由一端引出，其針腳也采用焊接形式，使用塑料基座進(jìn)行輔助固定（圖8）。由于發(fā)動(dòng)機(jī)及整車在運(yùn)行過程中尤其是比較惡劣的運(yùn)行工況，產(chǎn)生的振動(dòng)較大，因此需要基座具有足夠的輔助支撐強(qiáng)度以確保立式貼片電容器的焊接（圖9），避免因振動(dòng)導(dǎo)致的焊接脫焊問題。

圖8 塑料輔助固定基座

圖9 加強(qiáng)輔助固定基座

因此電子水泵控制器設(shè)計(jì)過程中，無論選擇的是軸向引線電容器還是立式貼片電容器，在電容器的選型上要充分了解其應(yīng)用環(huán)境及使用邊界并進(jìn)行充分的驗(yàn)證確保設(shè)計(jì)的可靠性。