汽車發(fā)動機ECU環(huán)境耐久性測試原理與實現(xiàn)*

余 淼，帥 璐，劉勝龍，浮 潔

(重慶大學光電工程學院，智能結(jié)構(gòu)研究中心，重慶 400044)

前言

發(fā)動機電子控制單元(ECU)是汽車的控制中樞，其主要功能是接受發(fā)動機的節(jié)氣門和曲軸位置等傳感器信號，按照控制策略，精確控制燃油供給量、點火提前角和怠速空氣流量等，會極大地提高汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性，并可有效地降低尾氣排放。由于ECU的工作環(huán)境十分惡劣，因此要求其具有非常高的可靠性和環(huán)境耐久性［1］。ECU生產(chǎn)廠商須通過設計驗證測試證明其ECU產(chǎn)品符合客戶的要求，通過生產(chǎn)驗證證明其生產(chǎn)工藝可以保證產(chǎn)品合格，因此在ECU的開發(fā)和生產(chǎn)過程中，必須應用相關測試設備對其進行測試［2］。目前國內(nèi)一些企業(yè)和高等院校針對ECU設計出一些仿真測試系統(tǒng)，用于ECU的環(huán)境耐久性測試，如江蘇大學針對發(fā)動機ECU開發(fā)一套自動測控系統(tǒng)［3］;北京理工大學開發(fā)一套ECU硬件在環(huán)柴油機控制仿真平臺［4］。針對現(xiàn)階段ECU耐久性測試設備通用性差，不夠靈活的問題，本文中開發(fā)了一套ECU環(huán)境耐久性測試系統(tǒng)，它具有高度開放、可擴展和智能等特點，能為不同汽車發(fā)動機ECU提供特定的工作環(huán)境，實時監(jiān)測ECU的運行狀態(tài)，以測試該ECU的耐久性是否達到相關標準。

1 ECU環(huán)境耐久性測試原理與規(guī)范

環(huán)境耐久性測試是汽車ECU產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。以ECU為測試對象，最快地激發(fā)ECU內(nèi)部缺陷，縮短試驗周期，排除各種故障和修改設計缺陷，以提高產(chǎn)品的可靠性水平。ECU環(huán)境耐久性測試系統(tǒng)(EDTS)對ECU進行耐久性測試的原理如圖1所示。在ECU環(huán)境耐久性測試中，EDTS提供ECU所需的各種傳感器信號和各種執(zhí)行負載［5］，并能夠?qū)崿F(xiàn)主機與ECU的總線通信，實時監(jiān)控ECU的運行狀況，且能對ECU樣品在試驗過程中發(fā)生的各種故障類型和故障時間進行記錄。模塊耐久性測試代碼(MDTC)運行在ECU之中，用于ECU產(chǎn)品的工程開發(fā)、設計驗證和生產(chǎn)驗證等項目測試，主要監(jiān)控在正常和特定工作條件下，ECU模塊的動態(tài)與靜態(tài)輸入信號和ECU輸出執(zhí)行負載的信號。同時，在ECU的環(huán)境耐久性測試規(guī)范中，需要對ECU進行各種工況測試。在每種工況下，模塊的執(zhí)行負載和環(huán)境參數(shù)都是特定的，因此需要EDTS對ECU的測試進行統(tǒng)一管理。ECU的實際工作環(huán)境包括電氣環(huán)境和物理環(huán)境，通過配置MDTC和EDTS來模擬ECU工作時所處的電氣環(huán)境;通過把ECU放進環(huán)境箱或振動系統(tǒng)中進行測試，來模擬ECU運行時所處的物理環(huán)境。

耐久性測試規(guī)范是ECU耐久性測試的依據(jù)，為提高ECU正常運行時的可靠性和耐久性，必須建立能最大限度激發(fā)ECU失效的測試規(guī)范。由于耐久性試驗(模擬性試驗)需要較長時間，生產(chǎn)廠家難以接受，因此采用加速壽命試驗方法，主要通過增加對試驗影響因素量度的方法，加快產(chǎn)品失效，以縮短試驗周期［6－7］。

在耐久性試驗中，把溫度和電壓同時作為加速應力(將濕度設為定值)，即雙應力加速壽命試驗方法，也即在規(guī)定ECU運行的時間內(nèi)向ECU同時施加有一定變化的電壓和溫度，該雙應力加速壽命試驗服從加速模型(廣義艾林模型)［8］:

式中:θ為測試ECU的壽命特征;A、B、C、D為模型參數(shù);T為施加的溫度，－55℃≤T≤100℃;U為施加的電壓，0≤U≤17V;φ1(T)=1/T;φ2(U)=U。

由于在該雙應力加速壽命試驗中，溫度T與電壓U之間無交互作用，則式(1)簡化得

根據(jù)氣象記載，我國極端的最低氣溫或地溫幾乎沒有低于－55℃，故－55℃已滿足要求。同時，極端最高氣溫為47.6℃，加上一般電子設備本身有20℃左右的溫升，所以我國地面設備使用的電子元器件，溫度上限定為85℃。本次雙應力加速壽命試驗中，采用溫度循環(huán)試驗方法，其目的是考核電子器件在短期內(nèi)反復承受溫度的能力和不同結(jié)構(gòu)材料之間的熱匹配性能。結(jié)合低溫和高溫等級，按照ECU耐久性測試規(guī)范［9－13］，制定溫度值與時間的關系式為

式中:f(t)為循環(huán)溫度，℃;t為時間，min。

試驗中施加于ECU的溫度循環(huán)曲線見圖2。

在雙應力加速壽命試驗中，除溫度外的另一應力是隨機電壓應力，目的是考核電源電壓變化，包括發(fā)動機起動時產(chǎn)生的異常波動電壓和發(fā)動機電壓調(diào)節(jié)器故障時產(chǎn)生的過壓等對ECU的影響。通常，汽車發(fā)動機ECU正常工作電壓為14V。根據(jù)以往多次試驗經(jīng)驗，施加一定概率分布的電壓［11］，能更快地激發(fā)ECU內(nèi)部的缺陷。電壓參數(shù)與時間的關系式為

式中:ψ(t)為電壓參數(shù)，V。

試驗中施加于ECU的電壓參數(shù)曲線見圖3。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與硬件組成

ECU環(huán)境耐久性測試系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機、信號發(fā)生模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、模擬負載模塊、環(huán)境實驗箱和應用軟件等組成。該系統(tǒng)基于嵌入式技術和虛擬儀器技術建立。每一個測試單元由信號發(fā)生模塊、被測ECU模塊、模擬負載模塊和狀態(tài)監(jiān)測模塊組成。其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖4所示。

2.1 信號發(fā)生模塊

信號發(fā)生模塊以32位ARM微控制器LPC2294為核心，擴展 CPLD芯片 ispLSI1048E以增加LPC2294的片外資源，通過分配各個信號發(fā)生模塊不同的標識號(ID)，實現(xiàn)多模塊的信號發(fā)生模塊網(wǎng)絡。該模塊的主要功能是模擬產(chǎn)生汽車上的各種傳感器信號［2］。主要包括曲軸位置信號(CKP)和車速傳感器信號(VSS)等。

曲軸位置信號CKP是ECU控制點火系統(tǒng)中最主要的傳感器信號，它運用直接數(shù)字式頻率合成器(direct digital synthesizer，DDS)技術產(chǎn)生特殊的正弦波信號，即ARM單片機控制CPLD發(fā)地址信號周期性地查詢正弦波形數(shù)據(jù)表，再將所得的波形數(shù)據(jù)通過后面的D/A，濾波放大后得到所需波形，如36－1型CKP信號，其一個周期由34個T周期的正弦波再加1個2T周期的正弦波組成，其中2T周期的正弦波信號即為缺齒信號，以表征活塞的位置。圖5為信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的36－1型CKP信號。同時可以通過修改參數(shù)而改變所產(chǎn)生缺齒信號的個數(shù)和位置，進而產(chǎn)生其它型號的CKP信號，如36－2型、60－1型等。

2.2 狀態(tài)監(jiān)測模塊

狀態(tài)監(jiān)測模塊主要對被測ECU所輸出的噴油信號和點火信號等進行監(jiān)測，狀態(tài)監(jiān)測卡是基于ARM微控制器LPC2294和CPLD芯片ispLSI1048E為主要硬件框架的嵌入式計算機系統(tǒng)，并可通過現(xiàn)場總線進行系統(tǒng)擴展。

對于點火信號的監(jiān)測，CPLD的主要任務是判斷點火信號與CKP的同步關系，和2個或4個點火信號之間的時序關系，當尋找到點火信號與CKP同步的起始點后，根據(jù)輸入的PIP_IN信號，對各點火信號進行計數(shù)。每當一個點火周期完成后，在下一個點火周期向ARM產(chǎn)生一個中斷信號，進入中斷處理程序，由ARM讀入對各點火信號的計數(shù)值，判斷點火信號的時序和周期，并設置點火信號正常與否的標志。

對ECU輸出的噴油信號監(jiān)測原理如圖6所示，將PIP_IN與ECU所輸出的噴油信號進行比較，以判斷噴油信號的相位。相位的比較在CPLD中通過硬件編程完成，當4個噴油信號中任何一個信號的下降沿到來時，CPLD都會檢測其它3個噴油信號的狀態(tài)，如果其它3個噴油信號的狀態(tài)正常，即給出噴油信號正常標志，反之則給出噴油信號異常標志。

2.3 現(xiàn)場總線通信模塊

不同型號的ECU產(chǎn)品采用不同的通信接口進行通信，如CAN、KLINE、USB和Flex Ray等，因此必須考慮EDTS與ECU之間通信接口的通用性，以便于實現(xiàn)各種協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

CAN總線具有突出的可靠性、實時性和靈活性，因而得到業(yè)界的廣泛認同和應用。CAN總線為主要通信總線，兼有K-LINE、GPIB和RS485總線，靈活組成多個通信子網(wǎng)，以滿足多模塊的測試要求［3］。上位機采用CAN通信卡PCI9840作為系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡的通信接口，下位機采用 ARM芯片LPC2294自帶的4路CAN控制器作為CAN節(jié)點通信控制器［7］，并增加CAN收發(fā)器實現(xiàn)CAN節(jié)點與總線的通信。系統(tǒng)采用多層CAN總線網(wǎng)絡通信技術，CAN通信網(wǎng)絡由3個CAN子網(wǎng)(CAN0、CAN1、CAN2)組成。下位機通過CAN1和CAN2子網(wǎng)分別與被測ECU模塊和狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)進行通信，并組成一個ECU測試單元;上位機則通過CAN0與各個下位機進行通信，并將各個測試單元集成起來。系統(tǒng)CAN通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.4 電源電壓控制模塊

上位機測試管理軟件(EDE)通過控制GPIB通信卡Contec GPIB(PCL)F對Agilent大功率電源設備進行參數(shù)控制，接收電源的響應消息以實現(xiàn)按一定規(guī)律變化的電壓曲線，根據(jù)ECU測試規(guī)范將該電壓曲線施加于被測ECU，加快ECU老化，提前暴露ECU的內(nèi)部故障。

電源電壓控制模塊主要處理過程有GPIB通信卡的啟動、電壓控制命令的發(fā)送和控制電源響應消息的接收，其流程圖如圖8所示。

2.5 環(huán)境試驗箱控制模塊

EDE通過控制485通信卡向環(huán)境試驗箱發(fā)送溫濕度設定命令，給ECU提供環(huán)境條件，其中濕度為一定值，溫度按一定的規(guī)律循環(huán)變化，同時監(jiān)控環(huán)境箱的運行狀態(tài)，在環(huán)境箱出現(xiàn)問題時及時報告。本模塊的主要處理流程有環(huán)境箱啟動流程、環(huán)境箱溫濕度設定流程和環(huán)境箱響應消息處理流程。

3 試驗結(jié)果與分析

在ECU樣品中任取n個進行雙應力加速壽命試驗，試驗進行到事先規(guī)定時間t0時刻停止，記錄ECU樣品失效的個數(shù)和時間，然后根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對平均壽命MTTF進行點估計和區(qū)間估計。在［0，t0］時間內(nèi)n個參加試驗樣品的總時間為［14］

式中:r為ECU樣品的失效個數(shù);t0為試驗時間;n為參加試驗樣品個數(shù);ti為每個失效ECU樣品失效前的工作時間。

由于壽命服從指數(shù)分布，則可求得ECU樣品的平均壽命MTTF的極大似然點估計為

然后對平均壽命MTTF進行區(qū)間估計，由于2T*/θ服從自由度為2r的χ2分布，則置信度為1－α的置信下限為

在某型號ECU中，任取20個樣品進行ECU環(huán)境耐久性試驗，試驗時間t0為240h(10天)。所得試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 第一次ECU環(huán)境耐久性試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)及式(6)和式(7)計算得到該批ECU樣品的平均壽命MTTF的極大似然點估計為θ^ =1 180h，置信水平為0.9的單側(cè)置信下限為θL= 706h?；谝陨戏治隹芍?，該批ECU可靠性水平較低，分析失效原因，在ECU電路設計方面存在問題，原設計中采用的曲軸位置傳感器(CPS)信號是單端輸入，抗干擾性能較差，故對CPS信號處理電路進行改進，將單端信號改為差分信號，提高其抗干擾能力，有效抑制電磁干擾(EMI);部分失效ECU樣品內(nèi)部點火電路被燒毀，原因是點火脈沖產(chǎn)生高溫所致，對其增加泄放二極管，以釋放一部分點火脈沖產(chǎn)生的能量;部分失效ECU的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)燒壞，原因是IGBT為不合格產(chǎn)品，更換IGBT后問題解決。

改進設計后，按照新設計重新制作一批ECU樣品，然后從該批ECU樣品中任取20個，按照相同的工況進行第二次ECU環(huán)境耐久性試驗。結(jié)果如表2所示。

表2 第二次ECU環(huán)境耐久性試驗數(shù)據(jù)

同樣根據(jù)式(6)和式(7)計算得到該批ECU樣品平均壽命MTTF的極大似然點估計為θ^=4 752h，置信水平為0.9的單側(cè)置信下限為θL=2 064h。表3為兩次試驗后所得的該型ECU平均壽命MTTF的點估計值及區(qū)間估計值。從試驗數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過EDTS系統(tǒng)測試的ECU產(chǎn)品，其平均壽命MTTF得到較大幅度的增長，環(huán)境耐久性和可靠性等水平都得到顯著提高［15］。

表3 兩次試驗后ECU的MTTF估計值

4 結(jié)論

根據(jù)電子產(chǎn)品可靠性測試理論，制定的汽車發(fā)動機ECU環(huán)境耐久性測試規(guī)范切實可行。在此基礎上設計的測試系統(tǒng)可為汽車發(fā)動機ECU提供仿真環(huán)境，進行在線環(huán)境耐久性試驗。該測試系統(tǒng)能夠最大限度地激發(fā)ECU內(nèi)部缺陷，定位故障部位，縮短試驗周期，提高產(chǎn)品可靠性。

［1］ 徐濤，龔元明，王波濤，等.電控柴油機控制器硬件檢測系統(tǒng)的開發(fā)［J］.柴油機，2007，29(4):6－10.

［2］ 石順超.ECU可靠性試驗方法及設備的研究開發(fā)［D］.天津:天津大學，2005.

［3］ 孔峰，湯莎莎，曾潔，等.基于CAN總線的ECU自動測控系統(tǒng)的研發(fā)［J］.內(nèi)燃機工程，2007，28(4):36－39.

［4］ 李長文，張宏波，趙長祿，等.ECU硬件在環(huán)柴油機控制仿真平臺研究［J］.北京理工大學學報，2004，24(5):407－410.

［5］ 趙亞男，趙福堂，靖蘇銅.基于虛擬儀器的ECU激勵信號發(fā)生系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2007，38(6):156－160.

［6］ 賈廣輝.基于ECU測試平臺的電噴汽油機控制系統(tǒng)研究［D］.西安:長安大學，2009.

［7］ 曹云鵬.雙燃料發(fā)動機ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2005.

［8］ 茆詩松，王玲玲.加速壽命試驗［M］.北京:科學出版社，1997.

［9］ GB/T 2424.1—2005電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗高溫低溫試驗導則［S］.國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2005.

［10］ GB/T 19055—2003發(fā)動機可靠性試驗［S］.國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2003.

［11］ 劉明治.可靠性試驗［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［12］ 梅文化.可行性增長試驗［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.

［13］ 勇剛.電子產(chǎn)品可靠性試驗方案各參數(shù)定義和關系［J］.電子質(zhì)量，2006(12):23－24.

［14］ 余淼，劉勝龍，朱李晰，等.汽車發(fā)動機ECU的可靠性試驗研究［J］.內(nèi)燃機工程，2010，31(3):90－94.

［15］ 陽紅成，蘇小光.電子產(chǎn)品研制階段可靠性增長試驗研究［J］.現(xiàn)代電子技術，2007，30(3):140－142.