浅谈汽车电子产品的高加速寿命试验设计

2023-10-25曲岚峰王秀鑫杨宸宁

汽车电器 2023年10期

曲岚峰，王秀鑫，王涛，杨宸宁

（潍柴动力股份有限公司，潍坊山东 261000）

随着先进柴油技术的愈加完善，柴油车已摆脱体积过大、易污染环境等一系列问题的困扰。与此同时，其又因油耗低、动力强的特点深受人们的喜爱，市场占有率逐年提高。从道路、非道路的简单区分到轻重卡、农机以及工程机械等方面的专项应用，多样的场景为相关研发提出了更高的要求。在如今开发周期缩短以及多产品并行的高速研发阶段，高要求也意味着在设计、生产等方面不可避免地会存在一些影响产品可靠性的缺陷。对于这些潜在的可靠性缺陷，绝大部分的企业会在产品量产前进行相应的环境可靠性试验。

常规的环境可靠性试验基于传统试验方案进行，如高低温运行试验、振动试验以及湿热试验等。此类传统试验方案目前已较为成熟，并形成了通用的试验标准，如ISO 16750-3、ISO 16750-4以及GJB 150.16 A-2009等。同时，一些车企会根据自身产品的独特性，设计形成内部独有的企业特色标准，如GM 3172、VM 80101等[1]。通常情况下，企业的内部标准相较于通用标准会更为严苛，这也意味着通过试验的产品往往具备更高的可靠性。

传统的可靠性试验大多基于不同类型的环境应力分别展开，如：工作环境的温湿度阈值、温度变化的速率以及振动强度等。之后，根据产品需求的失效率、置信度等一系列可靠性参数进行试验方案设计，包括产品的样件数量、各类试验的周期等。就目前而言，一款产品的可靠性试验通常需要几十块的样件并进行长达至少4个月的试验周期才能够全部完成。因此，无论在研发时间成本或是样件成本上，生产的每一款成熟可靠的产品都意味着一笔巨大的开销。除此之外，在如今多产品并行的研发阶段下，有时也会存在一定的试验资源冲突。

对此，为适应高速研发现状以及降低可靠性试验时间及样件成本，Hobbs博士在20世纪80年代末至90年代初提出了一种高加速寿命试验方法[2]。

1 高加速寿命试验介绍

高加速寿命试验（Highly Accelerated Life Testing，HALT）是一种通过施加大幅值应力来快速激发暴露产品内部缺陷的可靠性试验[3]，这种大幅值的应力一般会远高于产品所规定的技术规范上下限值。其中，技术规范限值被定义为生产厂家对产品工作环境应力所限定的阈值[4]。

作为一种新兴的可靠性试验方法，高加速寿命试验采用应力-强度干涉模型作为方案的理论基础，用于揭示产品因可靠性问题而出现失效故障的原因。在应力-强度干涉模型中，主要是描述“应力”和“强度”的概率分布以及彼此间的相互联系。其中，应力可以视为一种使产品失效的作用力，如：外界的温度、湿度以及振动等。而强度则是产品自身用于抵御应力并保证自身工作正常的“反作用力”。

如图1所示，产品所受到的“应力”与其自身的“强度”在一定程度上会有所干涉。每一种产品在设计时都会存在这样的一种干涉区域，也就是其发生失效或故障的概率。这种干涉存在的原因有很多，如：“产品的工作寿命累计到一定程度而出现的自身强度下降”、“产品某一时刻工作在超出技术规范应力的环境”以及“产品内部零件不匹配造成强度降低”等。

图1 应力-强度干涉模型

在高加速寿命试验过程中，绝大多数的失效故障都会被视为疲劳损伤。通常情况下，这种疲劳损伤是由于产品当前时刻的“强度”小于所处环境的“应力”导致。故障物理学认为任何可靠性试验所施加的外界应力在产品内部都会转化为机械应力，而当产品受到同样量值的机械应力时，相对薄弱的环节要远比正常环节的损坏时间早得多，具体的疲劳损伤计算如下：

式中：D——产品累积受到的疲劳损伤；N——产品所受到的应力循环数；S——产品内部的机械应力；β——材料指数（大部分为8～12）。

相关的文献表明[5]，内部存在缺陷的薄弱环节在同样外界环境下，其自身所受到的机械应力约为正常环节的2～3倍，所以，当产品进行高加速寿命试验时，薄弱环节的疲劳损伤能够快速地累积，直至失效故障阈值暴露出来，而此时，正常环节仍保留着至少99.9%的强度。

因而，高加速寿命试验基于应力-强度干涉模型，不断地整改产品所存在的设计缺陷来提高自身强度。通过一次次将“强度”的概率分布模型“向右移动”，达到使失效故障的概率缩小乃至消失的目的。

2 高加速寿命试验设计

高加速寿命试验的理论标准近年来也正在不断增加，如GB/T 29309、GB/T 34986等。GB/T 29309是一种定义高加速寿命试验流程方法的理论标准，将试验顺序依次设定为5个环节：步进低温、步进高温、快速温变、振动以及综合试验。其中，振动试验是高加速寿命试验中发现缺陷最多的一个环节，故障检出比率大概为45%；排名第2的是综合试验，故障检出比率仅为20%[6]。

步进低温试验因其对于产品的破坏性最小，通常作为试验方案中的第1项。在步进距离的选取上，室温至-40℃（ISO 16750-4规定参数）范围内，基于相似产品的可靠性结果，可以选择设置较大的步进距离，如15℃。为防止产品因密封胶或其它隔热材料导致温箱与产品内部的温差较大，应以产品内部的热电偶温度采样值为准。在每个步进阶梯处，应当停留15min以确保产品在该阶梯处无失效故障出现时才可进行下一梯度的试验。达到技术规范后，需要适当地缩小步进距离，如10℃，直至确定产品的工作极限以及破坏极限。同理，故步进高温试验不再过多赘述。

快速温变试验是通过快速升高或降低产品外部环境温度，进而分析温变速率对产品运行状态有无影响的一种可靠性试验。一次完整的高加速寿命试验，至少包含着5轮快速温变试验。通常情况下，温变速率视所选择的三综合试验箱参数而定。

振动类试验是高加速寿命试验中缺陷检出最为有效的一种方式，以ISO 16750-3的商用车发动机随机振动参数为例，根据标准给出的PSD与频率的关系，计算该振动的加速度均方根Grms为177m/s2。首先，需确认产品在1Grms下运行状态正常且无外壳损坏。之后，步进增加或降低振动强度，以每次2～3Grms的步进距离逐步增加或递减[7]。

综合试验是高加速寿命试验的最后一步，需将前期所进行的所有环境应力结合在一起。各个环境应力剖面在设计时需根据试验时间的差异进行匹配，进而保证在综合试验过程中，每一个应力剖面都是在不断变化的。

3 失效分析与改进措施

作为汽车电子系统中最为核心的部分之一，电子控制单元ECU负责发动机控制系统的管理与控制，如：传感器信号的采集、执行器的驱动以及系统间的信号通信等。

近年来，因电子产品种类的不断增加，ECU所需要处理计算的信号也随之增多，其内部电路的复杂度自然也不断增加。在ECU内部的PCB结构上焊接着大量的电容、电阻以及控制芯片等。如此密集的结构，一旦出现可靠性问题，发生短路、断路等故障，则很容易发生事故。ECU内部电路示意如图2所示。

图2 ECU内部电路示意图

在一次实际试验过程中，发现ECU的上位机监控软件报出一路PWM驱动发生断路故障，进行连接导通性检查未发现异常，此时，判断为ECU内部电路存在失效故障。将试验暂停后，目视ECU控制器外部没有可视的损坏或形变。晃动控制器，发现内部存在元器件脱落。拆除ECU外壳并观察电路板，发现为电容炸裂导致上端部分分离。电容炸毁示意如图3所示。

图3 电容炸毁示意图

对此，查阅该电容参数手册，发现该电容的技术规范上限为在85℃的温度应力下运行20000h。结合故障出现的试验时间以及S-N图模型，在130℃的温度应力下，试验时间已超出该电容的承受极限，所以，确定该PWM驱动断路故障由电容的温度耐受缺陷导致。对此，临时将其替换为温度技术规范上限更高的电容元器件，并在试验结束后进行更加细致的电容选型。