ECU可靠性試驗方法與故障分析

王 濤，高 鑫，謝詩軒，王裕鵬

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

在電控系統的實際應用中，不同的環境因素會對ECU的各項使用參數帶來不同的影響，例如導致ECU的使用壽命縮短，影響到ECU正常使用功能，在某些嚴酷的環境下甚至會導致ECU失效造成嚴重后果。因此，在電控單元的設計驗證過程中，環境可靠性試驗是其不可或缺的重要部分。本文介紹了汽車電子環境可靠性試驗的設計方案，以及針對不同失效案例的試驗改進措施。

1 環境可靠性試驗相關標準

宏觀上，通常把會對ECU造成影響的應用環境分為物理環境（如：機械振動、高低溫、高原低氣壓、濕熱環境等）、電氣環境（如：蓄電池虧電、啟動電壓降、線束短路、繼電器開關干擾等）和電磁環境（如：信號塔干擾、高壓電磁場、雷達電壓等）三大類。

國際上各標準組織根據大多數用戶的使用工況，發布了一系列的汽車電子設備的可靠性試驗參考標準，如GB/T 21437系列、GB/T 28046系列等。同時，大多數車企都基于基礎規范結合企業獨特需求形成了自己特有的企業標準，如通用的GM3172、大眾的VM80101等，這些標準的嚴酷等級一般比行業標準更高一些。

因此，在可靠性試驗設計過程中，我們通常根據各類造成影響的環境情況來設計考驗各類工況的可靠性試驗。其中，較為典型的有針對物理環境來考察ECU的高低溫、振動、鹽霧腐蝕等試驗；針對電氣環境的過電壓、電壓緩升緩降、啟動波形等電性能試驗；以及針對電磁環境的輻射抗擾、傳導抗擾、靜電放電等試驗。

2 環境可靠性試驗設計步驟

通常我們在設計可靠性試驗時會分為4個步驟。1）根據環境剖面確定試驗項目。

從ECU設計到生產再到使用的過程中，所受的環境影響各不相同，在可靠性試驗設計的過程中，我們會收集各類環境下的參數指標，如：外部溫度變化趨勢、振動強度等參數，根據收集到的數據計算溫度變化率及其持續時間等相關數據，制作試驗剖面圖，根據得到的剖面圖來確定需要的試驗項目和試驗內容。

2）根據所要求的失效率指標、置信度等計算試驗樣件的數量。

式中：——樣件數量；——置信度；——可靠度。

3）基于應力物理模型來計算試驗所需的時間，通常用到的模型有3種，分別對應著不同的壽命計算方法。

Arrhenius模型：應用于加速壽命試驗，利用高應力下產品的壽命特征去推動正常應力下的壽命特征，反映試驗溫度與產品壽命關系，是溫度應力試驗時最典型、應用最廣的加速模型。

式中：——特性值的退化量；/——表示溫度在時的退化速率；——絕對溫度；——常數；——反應時間；/——失效機理激活能，以eV為單位，對同一類產品的同一種失效模式為常數。

Coffin-Manson模型：反映溫度循環與壽命關系的物理模型。

式中：Δε——應變范圍；ε'——應變幅值；——疲勞壽命。

逆冪率模型：反映振動強度與壽命的關系的模型，表示產品的壽命特征是應力的負冪次函數。

4

）基于環境積聚效應和試驗時間平衡試驗的先后順序。

3 失效案例分析與試驗方法改進措施

雖然行業內在不斷地完善各類可靠性試驗規范，也有新的國家標準、行業標準在不斷出臺，但是在實際應用中，我們仍會遇到各式各樣的問題，因此我們需要對實際應用中出現的失效進行分析，根據失效機理來對我們的試驗方案采取相關的改進措施。失效機理流程如圖1所示。

圖1 失效機理流程

在實際應用中，發現ECU有發生T15下電后無法上電的情況，經過拆除外殼觀察電路板發現內部有燒毀現象，根據電路圖判斷燒毀的是T15針腳處的濾波電容，隨后復現問題，在實車上實際采集T15下電后的波形，采集到的數據如圖2所示。

圖2 T15下電采集波形

根據采集到的波形來看，在T15下電的瞬間，反向電壓峰值達到了-800V左右，對整車環境進行分析后發現該車T15同時給感性負載空調壓縮機繼電器供電，當T15繼電器斷開后電感負載的續流會在T15引腳產生負脈沖，脈沖值超過了GB/T 21437.2中脈沖1規定的最嚴酷的-600V。

對比GB/T 21437.2中的試驗可以發現，標準中的試驗方法為對所有電源相關的端口同時注入如圖3的脈沖。

圖3 7637-2試驗波形

而此案例中僅對T15引腳產生電氣干擾，電源線上的濾波器件無法參與濾波動作。所以我們對ISO 7637-2中脈沖1的試驗方法改進如圖4所示，由原先的只按照標準進行試驗a，改進為試驗a和試驗b同時進行，以模擬車輛真實電氣環境，以保證電控單元在整車廠不按照指南使用時，也盡可能保證ECU可靠性。

圖4 改進后的試驗方案

4 結論

通過對市場反饋的電控單元故障現象進行研究，總結電控單元失效的使用環境，分析電控單元的失效機理，完善和改進試驗方案/方法，形成滿足企業需求的標準，有助于逐步提高電控單元的可靠性。