汽车电子装置可靠性设计

汽车电子研究室规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院哈尔滨工业大学罗念宁[e-mail]2007.8HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第2页汽车电子装置可靠性设计汽车电子装置的应用环境可归为三大类：-大气物理环境-机械物理环境-电磁物理环境本章旨在分析汽车电于装置的应用环境及其可靠性设计和试验。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第3页1汽车电子装置的应用环境影响汽车电子装置工作性能的大气物理环境主要有：-温度、湿度、浸水、结冰、盐雾、尘沙及大气压等其中最普遍、危害最大且无法回避的是温度、湿度环境。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第4页1.1温度、湿度环境-汽车电子装置的温度、湿度既受车外大自然的气候影响，也因其在汽车内所处的工作部位不同而存在极大的差异。其最低温度就是外部的自然温度，而最高温度则因其工作部位及工作状态的不同而不同。-自然界的温度，因季节和地城的不同有很大的差别。我国的自然温度最高为50℃，最低为-40℃；世界上有记录的自然温度最高为57℃，最低达-83℃。-在汽车内部，由于发动机工作时的热排放、触点电火花、机械接触件的热磨擦、电子的热运动等诸多因素，使得车内电子装置的工作温度总是高于车外的自然温度，且外部温度越高，散热越困难，车内的温度也就越高。-汽车内各部位的温度还与车型及车况有关。例如，汽车爬坡或加速时，温度升高；汽车怠速时，温度降低。若汽车停车时发动机仍以怠速运转，如果冷却系工作不良，发动机室的温度将迅速上升到比行车时还要高。车内温度变化最快的是汽车刚起动的一段时间(约十几分钟)，温度急剧上升。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第5页1.1温度、湿度环境-显然汽车内各部位的温度和湿度是个随机变量，各类车的车内最高温度也没有统一的标准。但是，为了规范汽车电子装置的温度和湿度环境，作为耐环境设计和试验标准，各行业都颁布有相应的标准。表9-1日本JASO提供的汽车各不同工作部位最高测试温度极限值位置温度位置温度仪表板上部110仪表板表面650行李架上部110排气歧管表面140发动机冷却水120交流发电机进气流130发动机机油150分电路表面135变速器阔沿油150盘式制动器衬垫500进气歧管表面120JASO(日本汽车标准组织)HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第6页表9-2美国SAE汽车各不同工作部位最高测试温度极限值发动机室阻风门壳体240车外通常133排气歧管649车内仪表板85进气歧管121车顶113机罩防火壁141地板85底盘绝缘部84后货台104热源附近121行李箱通常85最高温部位177SAE(美国汽车工程师协会)1.1温度、湿度环境HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第7页1.1温度、湿度环境-温度和湿度对电子产品的影响通常都不是独立的。其结果都是使得绝缘破坏、机件腐蚀和材料性能劣化，产品的工作可靠性降低，老化速度加快。•在一定的温度下，湿度越大，即水分子越多，对电于产品的浸蚀越严重；•在一定的湿度下，温度越高，水分子活化能量越大.对电子产品的渗透力越强。-对于不同活化能量的电子产品，温度引起名化速度可由阿尼斯(Arrhenius)动力学平衡方程式估算：)/exp(bTECtt——老化时间(h)；C——老化常数，C＝2.3x104;c——活化能量(电子伏特)；b——波尔兹曼常数，b=1.38x10-3(J／K)；T——绝对温度(K)HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第8页1.1温度、湿度环境电子产品的老化时间随温度T的升高而减小，即是说：温度越高，老化的速度越快。表给出的是在不同活化能量E下，温度由T0(此温下设定老化速度为1)上升到T1时，产品老化(以相对于T0时老化速度的倍数计)加速情况。由表可知，水分子活化能量越大，电子产品的工作温度越高，产品老化速度的加速倍数就越大。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第9页1.1温度、湿度环境表给出的是温度变化时，水分子几个主要特性参数变化情况，其中与产品老化有关的是内扩散系数。显然，温度越高，内扩散系数超大，产品老化速度越快。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第10页1.1温度、湿度环境汽车电子装置的温度、湿度试验分室内和室外两种方式。-室内试验是一种模拟环境试验，即根据产品工作的温度、湿度变化范围，在规定时间内连续工作于最高温度、湿度下和最低温度、湿度下，以测试产品的耐温度、湿度的性能。-汽车电子产品在装车前都必须按相关的标准和测试方法进行这项试验，-室外试验是电子装置装车后进行的工况环境适应性试验。这种环境适应性试验可根据汽车温湿度环境要求，选择相应的寒带、热带的野外进行。•为了规范测试，各国都建有专用的低温、高温试验场。例如美国通用汽车公司(GM)在加拿大的安大略省巴斯加市设置有低温试验场，而在美国亚利桑那州的麦塞市设置有高温沙漠试验场，能提供比较规范的野外工况试验。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第11页1.1温度、湿度环境图为美国SAE制定的一种室内试验方案，试验最低温度为-40℃，最高温依受试产品在汽车内工作部位按表9-2选取；湿度按相对湿度RH的百分比选取。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第12页1.1温度、湿度环境除温度、湿度环境外，下列环境对汽车电子装置也有明显的影响。-①浸水及结冰：汽车在雨天行驶或经过水洼地段时，各部位会不同程度地被水浸湿。若是寒冷的冬季，浸湿部位很容易产生结冰。为检验产品对浸水及结冰的承受能力，应进行浸水及冰冻室内模拟试验。-②盐雾：在沿海地带，海风中含有大量的盐雾。在积雪地方有时为了防止结冰，在道路上撒盐。汽车在这些地段行驶时，电子装置将会受到盐雾的侵蚀，为了检验电于装置受盐雾侵蚀而拒腐蚀能力，应在室内对汽车电子产品进行5％盐水喷雾试验。-③尘沙：灰尘及风沙会引起一些电器触点接触不良，沉积在元器件表面上的灰沙，吸湿后还会引起漏电现象。为检验电子装置对尘沙的承受能力，应按产品工作部位的尘沙环境作相应的风沙模拟试验。-④海拔高度：在高海拔地区，由于大气压降低，可能引起某些传感器工作性能变坏。因而对包含有与大气压相关的传感器的电子装置，应作高海拔试验或在产品设计时予以考虑。-③油污：汽车内的机油、汽油、黄油及大气中的有害化学分子对电子装置的侵蚀，会引起电子器件、导线、接插件腐蚀变质，加速老化，应在产品设计及安装时予以重视，采取一定的防范措施。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第13页1.2机械物理环境机械物理环境对汽车电子装置的影响主要表现在汽车行驶过程中，由于路面不平及汽车起动、加速、急刹车等原因，引起的振动和冲击。-汽车电子装置所承受的振动及冲击是随机的，可用加速度g的均方根值来描述。-汽车内各不同部位所产生的振动及冲击强度不一样，因而对不同部位的电子装置的振动试验条件也不一样。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第14页1.2机械物理环境表9-5是美国通用汽车公司推荐的振动试验条件，可供参考。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第15页1.2机械物理环境振动强度A越大，老化的速度越快，即振动试验所需的老化时间t越小。振动对汽车电于装置可靠性的影响，一般可用下式表示bACt/1t——老化时间：b——正常数；C——正温度系数；A——振动强度或电压值。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第16页1.3电磁物理环境电磁物理环境是对汽车电子装置最具威胁的工作环境，其主要原因是汽车电系存在着不稳定的电源电压、各种形式的电路瞬变过电压及强辐射的电磁波等，对工态下的汽车电子装置产生干扰。⑴电源电压异常-工态下，汽车足靠蓄电池与发电机并联供电，以标称电压为12V的汽车电系为例，正常电压一般为10~16V，但是电源常出现超过此电压范围的异常电压。•当部分亏电的蓄电池在低温下起动时，其端电压可能降到7V左右。•当发电机调节器发生故障，激磁电流不经过调节器而直接加到激磁绕组上时，可使发电机输出电压上升至18V。若此18V电压对蓄电池充电，可能导致蓄电池电解液沸腾，蓄电池端电压可能上升到70V以上。•汽车在修理过程中，若误将蓄电池极性接反，致使电路承受-12V电压等。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第17页1.3电磁物理环境-对于上述这些异常电压的出现，要求汽车电子装置不至被损坏，工作的可靠性不至受到严重影响。•为此一方面要在电路设计上采取相应措施，减少异常电压出现，并限制其电压波动幅度；•另一方面要提高电子装置耐异常电压能力，并在汽车电子装置装车前应作异常电压试验。-表9-6是美国SAE推荐的异常电压允许值。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第18页1.3电磁物理环境⑵电路瞬变过电压-汽车电系内由于存在大量的电感元件，在换路瞬间，这种储能元件所产生的电磁感应现象会在部分电路中出现瞬时高电压。•这种瞬时电压都具有脉冲性质，且能量较大，可能导致部分电路功能失常，甚至使某些元器件永久性损坏。-电路瞬变过电压的类型很多，但可规范为发电机抛负载、电感负载断路、激磁衰减及电磁耦合等四种方式，它们对电路形成的电压冲击亦具有式(9-2)所示的逆幂律性质。-表9-7是SAE推荐的汽车电子产品耐这类瞬变过电压的试验条件。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第19页1.3电磁物理环境⑶电磁干扰（EMI）-汽车电子装置工态下除受上述异常电压和瞬变电压的干扰之外，还面临看来自车内外的各种电磁波的辐射干扰，它们也在不同程度地影响着电子装置的正常工作。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第20页2汽车电磁干扰源分析现代汽车的车载电子装置越来越多，汽车电系已成为强电与弱电交叉、机械与电子一体化的典型产物，使得来自汽车内、外的电磁噪声对车载电子装置形成电磁干扰。相对而言，车内的电磁干扰源对车载电子装置工作的可取性影响较大，本节特论述车内几个主要的干扰源形成机理及其特征。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第21页汽车电系电磁干扰源-来自汽车外部的电磁噪声源主要有：雷电、雷达、电台用无线电发射机、高压输电线的电晕放电、荧光灯的辉光放电、探照灯的弧光放电及其它车辆、飞机、舰船发动机点火等，这些噪声源产生的电磁躁声以电磁波的形式对汽车电系形成辐射干扰。-来自汽车内的电磁噪声源主要有：发动机点火、各类开关触点之间的间隙放电、电路瞬变、电磁耦合及静电放电等，这些噪声源所产生的电磁噪声。-一部分在汽车电系内通过导体及器件传播，对车内敏感的电子器件形成传导干扰，另一部分向空间辐射，对车外的电磁环境产生污染。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第22页2.1供电系电磁干扰源汽车供电系存在着电源异常电压，电路瞬变过电压及开关触点间隙火花放电等电磁干扰源，其中电路瞬变过电压主要发生于发电机抛负载和发电机磁场突然衰减时。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY汽车电子研究室第23页图中发电机被等效为一个电感L和电动势E的串联电路，负载则等效为支路电阻R1和R2并联，发电机输出电流RL＝I1+I2。•设R2为被抛的大负载，即R2R1，I2I1。当开关K突然断开时，电路换路引起电流IL产生瞬变