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(tǒng)的實際應(yīng)用中，不同的環(huán)境因素會對ECU的各項使用參數(shù)帶來不同的影響，例如導(dǎo)致ECU的使用壽命縮短，影響到ECU正常使用功能，在某些嚴(yán)酷的環(huán)境下甚至?xí)?dǎo)致ECU失效造成嚴(yán)重后果。因此，在電控單元的設(shè)計驗證過程中，環(huán)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(huán)境可靠性試驗的設(shè)計方案，以及針對不同失效案例的試驗改進(jìn)措施。

1 環(huán)境可靠性試驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

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

國際上各標(biāo)準(zhǔn)組織根據(jù)大多數(shù)用戶的使用工況，發(fā)布了一系列的汽車電子設(shè)備的可靠性試驗參考標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 21437系列、GB/T 28046系列等。同時，大多數(shù)車企都基于基礎(chǔ)規(guī)范結(jié)合企業(yè)獨特需求形成了自己特有的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如通用的GM3172、大眾的VM80101等，這些標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)酷等級一般比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更高一些。

因此，在可靠性試驗設(shè)計過程中，我們通常根據(jù)各類造成影響的環(huán)境情況來設(shè)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(huán)境來考察ECU的高低溫、振動、鹽霧腐蝕等試驗；針對電氣環(huán)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(huán)境的輻射抗擾、傳導(dǎo)抗擾、靜電放電等試驗。

2 環(huán)境可靠性試驗設(shè)計步驟

通常我們在設(shè)計可靠性試驗時會分為4個步驟。1）根據(jù)環(huán)境剖面確定試驗項目。

從ECU設(shè)計到生產(chǎn)再到使用的過程中，所受的環(huán)境影響各不相同，在可靠性試驗設(shè)計的過程中，我們會收集各類環(huán)境下的參數(shù)指標(biāo)，如：外部溫度變化趨勢、振動強(qiáng)度等參數(shù)，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)計算溫度變化率及其持續(xù)時間等相關(guān)數(shù)據(jù)，制作試驗剖面圖，根據(jù)得到的剖面圖來確定需要的試驗項目和試驗內(nèi)容。

2）根據(jù)所要求的失效率指標(biāo)、置信度等計算試驗樣件的數(shù)量。

式中：——樣件數(shù)量；——置信度；——可靠度。

3）基于應(yīng)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(yīng)著不同的壽命計算方法。

Arrhenius模型：應(yīng)用于加速壽命試驗，利用高應(yīng)力下產(chǎn)品的壽命特征去推動正常應(yīng)力下的壽命特征，反映試驗溫度與產(chǎn)品壽命關(guān)系，是溫度應(yīng)力試驗時最典型、應(yīng)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(shù)；——反應(yīng)時間；/——失效機(jī)理激活能，以eV為單位，對同一類產(chǎn)品的同一種失效模式為常數(shù)。

Coffin-Manson模型：反映溫度循環(huán)與壽命關(guān)系的物理模型。

式中：Δε——應(yīng)變范圍；ε'——應(yīng)變幅值；——疲勞壽命。

逆冪率模型：反映振動強(qiáng)度與壽命的關(guān)系的模型，表示產(chǎn)品的壽命特征是應(yīng)力的負(fù)冪次函數(shù)。

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）基于環(huán)境積聚效應(yīng)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(jìn)措施

雖然行業(yè)內(nèi)在不斷地完善各類可靠性試驗規(guī)范，也有新的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在不斷出臺，但是在實際應(yīng)用中，我們?nèi)詴龅礁魇礁鳂拥膯栴}，因此我們需要對實際應(yīng)用中出現(xiàn)的失效進(jìn)行分析，根據(jù)失效機(jī)理來對我們的試驗方案采取相關(guān)的改進(jìn)措施。失效機(jī)理流程如圖1所示。

圖1 失效機(jī)理流程

在實際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)ECU有發(fā)生T15下電后無法上電的情況，經(jīng)過拆除外殼觀察電路板發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有燒毀現(xiàn)象，根據(jù)電路圖判斷燒毀的是T15針腳處的濾波電容，隨后復(fù)現(xiàn)問題，在實車上實際采集T15下電后的波形，采集到的數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 T15下電采集波形

根據(jù)采集到的波形來看，在T15下電的瞬間，反向電壓峰值達(dá)到了-800V左右，對整車環(huán)境進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)該車T15同時給感性負(fù)載空調(diào)壓縮機(jī)繼電器供電，當(dāng)T15繼電器斷開后電感負(fù)載的續(xù)流會在T15引腳產(chǎn)生負(fù)脈沖，脈沖值超過了GB/T 21437.2中脈沖1規(guī)定的最嚴(yán)酷的-600V。

對比GB/T 21437.2中的試驗可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)中的試驗方法為對所有電源相關(guān)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(chǎn)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(jìn)如圖4所示，由原先的只按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗a，改進(jìn)為試驗a和試驗b同時進(jìn)行，以模擬車輛真實電氣環(huán)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(jìn)后的試驗方案

4 結(jié)論

通過對市場反饋的電控單元故障現(xiàn)象進(jìn)行研究，總結(jié)電控單元失效的使用環(huán)境，分析電控單元的失效機(jī)理，完善和改進(jìn)試驗方案/方法，形成滿足企業(yè)需求的標(biāo)準(zhǔn)，有助于逐步提高電控單元的可靠性。