ECU可靠性试验方法与故障分析

王 涛，高 鑫，谢诗轩，王裕鹏

（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）

在电控系统的实际应用中，不同的环境因素会对ECU的各项使用参数带来不同的影响，例如导致ECU的使用寿命缩短，影响到ECU正常使用功能，在某些严酷的环境下甚至会导致ECU失效造成严重后果。因此，在电控单元的设计验证过程中，环境可靠性试验是其不可或缺的重要部分。本文介绍了汽车电子环境可靠性试验的设计方案，以及针对不同失效案例的试验改进措施。

1 环境可靠性试验相关标准

宏观上，通常把会对ECU造成影响的应用环境分为物理环境（如：机械振动、高低温、高原低气压、湿热环境等）、电气环境（如：蓄电池亏电、启动电压降、线束短路、继电器开关干扰等）和电磁环境（如：信号塔干扰、高压电磁场、雷达电压等）三大类。

国际上各标准组织根据大多数用户的使用工况，发布了一系列的汽车电子设备的可靠性试验参考标准，如GB/T 21437系列、GB/T 28046系列等。同时，大多数车企都基于基础规范结合企业独特需求形成了自己特有的企业标准，如通用的GM3172、大众的VM80101等，这些标准的严酷等级一般比行业标准更高一些。

因此，在可靠性试验设计过程中，我们通常根据各类造成影响的环境情况来设计考验各类工况的可靠性试验。其中，较为典型的有针对物理环境来考察ECU的高低温、振动、盐雾腐蚀等试验；针对电气环境的过电压、电压缓升缓降、启动波形等电性能试验；以及针对电磁环境的辐射抗扰、传导抗扰、静电放电等试验。

2 环境可靠性试验设计步骤

通常我们在设计可靠性试验时会分为4个步骤。1）根据环境剖面确定试验项目。

从ECU设计到生产再到使用的过程中，所受的环境影响各不相同，在可靠性试验设计的过程中，我们会收集各类环境下的参数指标，如：外部温度变化趋势、振动强度等参数，根据收集到的数据计算温度变化率及其持续时间等相关数据，制作试验剖面图，根据得到的剖面图来确定需要的试验项目和试验内容。

2）根据所要求的失效率指标、置信度等计算试验样件的数量。

式中：——样件数量；——置信度；——可靠度。

3）基于应力物理模型来计算试验所需的时间，通常用到的模型有3种，分别对应着不同的寿命计算方法。

Arrhenius模型：应用于加速寿命试验，利用高应力下产品的寿命特征去推动正常应力下的寿命特征，反映试验温度与产品寿命关系，是温度应力试验时最典型、应用最广的加速模型。

式中：——特性值的退化量；/——表示温度在时的退化速率；——绝对温度；——常数；——反应时间；/——失效机理激活能，以eV为单位，对同一类产品的同一种失效模式为常数。

Coffin-Manson模型：反映温度循环与寿命关系的物理模型。

式中：Δε——应变范围；ε'——应变幅值；——疲劳寿命。

逆幂率模型：反映振动强度与寿命的关系的模型，表示产品的寿命特征是应力的负幂次函数。

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）基于环境积聚效应和试验时间平衡试验的先后顺序。

3 失效案例分析与试验方法改进措施

虽然行业内在不断地完善各类可靠性试验规范，也有新的国家标准、行业标准在不断出台，但是在实际应用中，我们仍会遇到各式各样的问题，因此我们需要对实际应用中出现的失效进行分析，根据失效机理来对我们的试验方案采取相关的改进措施。失效机理流程如图1所示。

图1 失效机理流程

在实际应用中，发现ECU有发生T15下电后无法上电的情况，经过拆除外壳观察电路板发现内部有烧毁现象，根据电路图判断烧毁的是T15针脚处的滤波电容，随后复现问题，在实车上实际采集T15下电后的波形，采集到的数据如图2所示。

图2 T15下电采集波形

根据采集到的波形来看，在T15下电的瞬间，反向电压峰值达到了-800V左右，对整车环境进行分析后发现该车T15同时给感性负载空调压缩机继电器供电，当T15继电器断开后电感负载的续流会在T15引脚产生负脉冲，脉冲值超过了GB/T 21437.2中脉冲1规定的最严酷的-600V。

对比GB/T 21437.2中的试验可以发现，标准中的试验方法为对所有电源相关的端口同时注入如图3的脉冲。

图3 7637-2试验波形

而此案例中仅对T15引脚产生电气干扰，电源线上的滤波器件无法参与滤波动作。所以我们对ISO 7637-2中脉冲1的试验方法改进如图4所示，由原先的只按照标准进行试验a，改进为试验a和试验b同时进行，以模拟车辆真实电气环境，以保证电控单元在整车厂不按照指南使用时，也尽可能保证ECU可靠性。

图4 改进后的试验方案

4 结论

通过对市场反馈的电控单元故障现象进行研究，总结电控单元失效的使用环境，分析电控单元的失效机理，完善和改进试验方案/方法，形成满足企业需求的标准，有助于逐步提高电控单元的可靠性。