動車組客室座椅控制系統失效研究及優化策略

梁士國 賈 旭 董濤濤 侯達明 馬 玄

(1.中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心， 130062， 長春; 2. 中車長春軌道客車股份有限公司科技管理部， 130062， 長春∥第一作者， 高級工程師)

1 客室座椅失效原因分析

動車組客室座椅是乘客乘坐安全性和舒適性的最為直接相關的設備[1-3]，其功能的穩定性是提供各項服務的前提。2019年12月，某動車組客室座椅在其使用過程中經常出現“通風/加熱”和“腰托/按摩”按鈕(以下簡為“電控-舒適性系統”)失效的現象。具體表現為：操作控制面板時舒適性系統沒有任何動作執行，指示燈不亮，但此時坐姿調節系統動作正常。座椅斷電后再上電重啟，大部分座椅舒適性系統功能可恢復，但故障仍會不定時重現；小部分座椅重啟后仍失效，此部分座椅控制板指示燈不亮。某動車組客室失效座椅及其控制系統如圖1所示。

圖1 失效座椅及其控制系統Fig.1 Invalid seat and the control system

該動車組客室座椅各功能按鍵如圖2所示。

圖2 客室座椅控制面板Fig.2 Control panel of passenger compartment seat

經調查，該款座椅此批次共裝車16套，出現失效座椅14套。其故障原因主要為兩類：一類為座椅斷電重啟后故障消失，但后續還會復現，該故障座椅共12套；一種是座椅斷電重啟后仍失效，該故障座椅共2套。

1.1 客室座椅控制原理

座椅電控-舒適性系統部分模塊沿用了既有座椅的控制設計思路，其CAN(控制單元局域網)總線通信方式具有良好的可擴展性。DC 110 V直流電在MCU(管理控制單元)內部經濾波轉為DC 24 V直流電到主控板上，為控制單元、電機和控制面板的驅動及控制提供電源。座椅新增加的“通風/加熱”和“腰托/按摩”2個模塊的電源由MCU中的電源模塊(110 V轉24 V)經轉接板變壓(24 V轉12 V)后提供。座椅電控-舒適性系統拓撲結構見圖3。

注:VEU為視頻娛樂單元。圖3 電控-舒適性系統拓撲結構Fig.3 Electronic control-comfort system topology

1.2 客室座椅故障分析

根據故障的表現形式，主要分為控制電路板故障和控制面板故障。

1.2.1 控制電路板故障分析

依據座椅電控-舒適性系統拓撲結構初步分析，“通風/加熱”、“腰托/按摩”2個模塊是經過轉接板掛接在原電控系統下面的2個獨立的子系統，且2個子系統的電力供應、工作控制及狀態反饋均由轉接板完成。2個子系統自身同時失效的概率很低，故模塊失效的主要原因很可能是由于轉接板電源或者控制信號的異常導致的。

分別對座椅電控-舒適性系統零部件和現車座椅進行測試。使用外接電源在車廂外分別對“通風/加熱”、“腰托/按摩”2個模塊進行反復測試，發現故障無法重現；在現車車廂內對座椅電控-舒適性系統進行反復操作，發現故障重現。此時對電控-舒適性系統進行測試，發現其12 V的供電電壓降至0，模塊失電。因此，可判定轉接板電源異常是故障產生的直接原因。

進一步分別對“通風/加熱”、“腰托/按摩”2個模塊的啟動電流進行測試。

“通風/加熱”模塊工作中的電壓和電流見圖4。由圖4可見，該模塊的工作電壓實測值為12.00 V，工作電流實測值為3.97 A；在該模塊加熱啟動瞬間，電流未發生變化，負載為電阻負載，無電流過沖。

圖4 “通風/加熱”模塊工作過程中的電壓和電流Fig.4 Voltage and current during the operation of “ventilation/heating” module

“腰托/按摩”模塊工作中的電壓和電流如圖5所示。由圖5可見，該模塊的工作電壓實測值為12.0 V，穩態工作電流實測值為0.8 A；但其啟動電流波動較大，最大值為2 A，并在30 ms內衰減至穩定電流，在此過程中存在電流過沖。

圖5 “腰托/按摩”模塊工作過程中的電壓和電流Fig.5 Voltage and current during the operation of “lumbar support/massage” module

轉接板內置12 V電源芯片，其型號為MP8675，最大工作電流為6 A。而“通風/加熱”、“腰托/按摩”2個模塊同時啟動瞬間的電流最大值可達6.07 A，即在“通風/加熱”模塊工作時再啟動“腰托/按摩”模塊的工況下的電流會超過芯片保護上限。特別是該電源芯片在外部電源不穩定的工作環境中使用時，其相應功能開啟瞬間更可能會發生芯片因過流自保護而停止電壓輸出的現象，表現為座椅電控-舒適性系統停止工作，而對座椅其他動作無影響。

綜上，座椅電控-舒適性系統故障是由轉接板的電源功率余量不足導致的，其產生的瞬時電流引起電源模塊自動保護。因此，為電控-舒適性系統提供電源的MCU內部電源模塊必須能提供大于72 W(6.07 A)的功率，并有一定的冗余。

1.2.2 控制面板故障分析

控制面板結構為塑料按鍵殼體，按壓電路板上開關按鍵時，按鍵殼體與電路板之間無其他隔絕零部件。

控制面板輸入電壓為3.3 V，電壓較低，理論上不會損壞LED。初步判斷可能是靜電導致的過流，當靜電過大時反向漏電明顯增加[4]。

靜電主要來源于人體，通過人體觸碰按鍵傳遞到電路板上。人體靜電泄放時間極短,瞬時脈沖高,平均功率可達到千瓦以上，足以擊穿元器件,導致電子設備或系統失靈。元器件的電擊穿分為軟擊穿和硬擊穿,軟擊穿不但會造成設備工作失誤,更重要的是可能會造成毫無規律可行的潛在性失效,導致電子產品工作故障[5-6]。

對控制面板進行拆解后發現其損壞表現為2種現象：一種為其中一半(9個)白色LED(發光二極管)亮度降低，見圖6；另一種為燈不亮，所有功能失效，見圖7。

圖6 LED亮度降低的電路板Fig.6 Circuit board with reduced LED brightness

圖7 燈不亮的電路板Fig.7 Unlit circuit board

控制面板上有2個MP1528芯片(LED驅動芯片)，且2個芯片的負載和外圍電路一致，但發生損壞的均為靠右側的芯片。

對按鍵指示燈不亮的控制面板進行測試(見圖8)，發現不發光損壞的LED電流為6 mA，而正常發光的LED電流約為1 mA,說明右側已被擊穿。

圖8 控制面板測試Fig.8 Control panel test

根據MP1528芯片的控制原理，分析故障原因有兩種：一種是芯片燒斷，芯片失去升壓作用，導致一半(9個)白色LED亮度較低；一種是芯片擊穿，保險絲起效，導致整個電路板完全失去供電。

為衡量控制面板的抗靜電能力，根據GB∕T 17626.2—2006《電磁兼容 試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗》，使用靜電槍模擬±8 kV空氣放電與±6 kV接觸放電。在模擬過程中未見電弧，控制面板處于正常狀態，滿足標準要求。繼續加大電壓至16 kV時有放電的電弧，但未見LED損壞。在極端條件下人體最大可產生20 kV的靜電[7]，超過標準規定的試驗工況，使用靜電槍模擬20 kV時有放電電弧，LED損壞。

綜上，控制面板故障主要是由新增的舒適性控制模塊功率匹配不當，以及由靜電導致的控制面板電路過流損壞引起的。

2 電控-舒適性系統優化措施

2.1 功率匹配優化

2.1.1 臨時方案

轉接板使用MP8675電源芯片，其默認工作頻率為420 kHz。可通過修改單片機程序，以PWM(脈寬調制)方式輸出650 kHz同步信號來提高開關頻率。更高的開關頻率，可讓DC-DC轉化系統耐受更大的瞬間過沖，但提升空間有限，在10%左右，這可在一定程度上降低故障，但不能消除故障。系統經臨時處理后故障有所降低，但仍時常出現，不能徹底解決。因此，對于提升開關頻率后的故障仍需復位重啟。

2.1.2 最終方案

對轉接板進行優化，取消轉接板的電源轉換功能。對MCU進行更改，增加獨立電源模塊(能承受8.5 A、100 W)為舒適性系統供電。

原電控-舒適性系統的電源來自MCU內電源模塊，考慮到增加功率不對MCU造成影響，故取消原轉接板中的24 V轉12 V模塊，在MCU中單獨集成110 V轉12 V電源模塊(能承受8.5 A、100 W)，為該系統提供電源。新增模塊以MCU濾波模塊濾波后的電源作為輸入，以保證電源品質。優化后的電控-舒適性系統拓撲結構如圖9所示。

圖9 電控-舒適性系統拓撲優化結構Fig.9 Electronic control-comfort system topology

該系統優化后故障再未出現，故能完全解決此處問題。

2.2 控制面板優化

2.2.1 臨時方案

在控制面板上，通過附著絕緣膠布，以降低芯片MP1582和LED損壞的概率。控制面板臨時方案如圖10所示。

圖10 控制面板臨時方案Fig.10 Temporary solution for the control panel

對控制面板進行靜電釋放試驗驗證，效果良好，能有效解決靜電問題。

2.2.2 最終方案

改進塑料外殼與電路板之間的連接，類似于臨時處理方案，增加硅膠墊，形成一個完整的中間絕緣層，使其有較強的抗靜電性能。經優化后裝車驗證，此處故障再未出現。

3 結論

1) 控制系統的故障主要來源于新增的舒適性控制模塊和控制面板。

2) 控制電路板問題源于電控-舒適性系統啟動電流瞬間過沖造成的電路保護，電路保護切斷了電源，防止電路燒損。模塊功率匹配需要考慮啟動電流的影響。

3) 控制面板失效為靜電過流造成的燒斷或擊穿失效。控制面板中間的隔離膠墊膜防靜電方案，有效提升了座椅控制的穩定性。

4) 座椅控制面板上的按鈕抗靜電級別遠比其試驗指標要高，但仍發生損壞。因此，控制面板按鍵類設計需要有覆膜隔絕靜電或能夠導走靜電，以提升其抗靜電性能。