ECU的车规级试验：DV试验（二：电气环境标准简介）

#01

前言

书接前文，ECU的车规级试验：DV试验（一：标准概述），上篇文章初步介绍了ECU的车规级试验标准，包括什么是DV测试，DV与PV的关系，同时初步介绍了主要的相关试验标准如电气环境、EMC等，但是ECU作为电子零部件，测试标准众多，一篇文章很难详细介绍。根据测试类型的不同，标准大体可以分为环境（电气、机械、气候、防护等）及EMC（干扰及抗干扰）两方面，本文将详细介绍电气环境测试标准，其余DV测试项目及测试方法将在接下来的几篇文章中详细介绍，敬请期待。

注：本文部分内容节选自作者新书《广义车规级电子可靠性设计与开发实践》，由机械工业出版社于2024年6月份出版，节选时进行了改编。

本文内容较多，且几乎都是干货，加之标准类内容阅读难度本身较大，但又都是我们工作过程中离不开的，建议大家收藏阅读，在后续工作需要时可以随时查阅。目录如下：

1.环境相关试验标准概述

2.安装位置代码

3.温度代码

4.环境试验标准的局限性

4.1代码字母的局限性

4.2对制造商责任的适用性

4.3对线束、电缆和电气连接器的适用性

4.4对设备部件或总成的适用性

4.5对系统集成和验证的适用性

5.基本术语和定义

6.工作模式

7.通用实验条件

8.功能状态分级

#02

环境相关试验标准概述

环境相关试验又可以细分为电气、机械、气候、防护相关类试验，如下表所示：

电子零部件环境相关试验标准（来源：左成钢《广义车规级》）

GB/T 28046是道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验，标准一共分为5部分，标准采用了ISO 16750国际标准，但需要注意的是，ISO 16750的5个标准（1-5）已全部升级为ISO 16750-1/2/3/4/5:2023，发布时间为2023年7月，对应的国标则尚未更新，故上表仍沿用上一版本。

GB/T 28046采标情况（来源：国标公开系统，工标网）

同时GB/T 28046标准还引用了《GB/T 2423电工电子产品环境试验》系列标准，如温湿度、温度变化、盐雾、碰撞、跌落、振动等标准，同时考虑了以下环境因素:

1)世界地理和气候：车辆几乎在世界所有陆地区域使用和运行，由于外界气候，包括可以预测的天气和季节的变化，使车辆环境条件有重大变化。标准需要在世界范围内考虑温度、湿度、降水和大气条件，还包括灰尘、污染和海拔高度等。

2)车辆类型：车辆的设计特征决定了车辆内(和车辆上)的环境条件，如发动机类型带来的供电电压的差异等。

3)车辆使用条件和工作模式：由道路质量、路面类型、道路地形、车辆使用和驾驶习惯引起的车辆环境条件的变化。车辆的工作模式如储存、运输、启动行驶及停车等都予以考虑。

4)零部件的生命周期：在制造、运输、装卸、储存、车辆装配、车辆保养和维修过程中，电气电子设备耐受的环境条件。

5)车辆供电电压：车辆使用、工作模式、电气分布系统设计、甚至气候条件会导致供电电压变化，引起车辆电气系统的故障，如可能发生的交流发电机过电压和连接系统的开路等。

6)在车辆内的安装位置：在目前或未来的车辆中，零部件可能安装在车辆的任何位置，每一特定应用的环境要求通常取决于安装位置。车辆的每个位置都有特定的环境负荷。例如，发动机舱的温度范围不同于乘客舱，振动负荷也是如此。此时不仅振动的量级不同，振动的类型也不同。安装在底盘上的组件承受的是典型的随机振动，而安装在发动机上的系统/组件，还应考虑来自于发动机的正弦振动和随机振动。又如，安装在门上的零部件因受门的撞击要经受大量的机械冲击。

#03

安装位置代码

GB/T 28046.1标准给出了所有零部件可能安装在车辆的位置，如发动机舱内的车架上，乘客舱内等。同时在GB/T 28046.3中，标准又给出了试验和要求代码，然后结合振动试验要求，根据零部件的安装位置即可知道零部所需要进行的测试项目，如下表所示：

GB/T 28046.3-2011对安装位置及振动试验要求代码的规定（表格整理：左成钢）

举例来讲，如果一个乘用车ECU安装在发动机舱中的车架上，那么查上表可知试验代码为K和L。再通过下表查询可知：

代码K试验项目为：商用车弹性体+自由跌落（加工过程中）

代码L试验项目为：商用车弹性体+机械冲击（变速器内/上）+自由跌落（加工过程中）

试验和要求代码如下表所示：

GB/T 28046.3-2011对振动试验和要求代码规定（表格整理：左成钢）

另外，需要注意的是，GB/T 28046.3-2011的振动代码关于商用车部分是空的，这部分在ISO 16750-3:2023中已经得到了更新，但对应的国标则尚未更新。ISO 16750-3:2023中对振动试验要求代码如下表所示，从表中可见，标准根据汽车行业新能源技术的快速发展给出了更新，发动机舱增加了电动机部分。

ISO 16750-3:2023对安装位置及振动试验要求代码的规定（表格整理：左成钢）

#04

温度代码

GB/T 28046.4标准给出了所有零部件可能的工作温度范围，如下表所示：

GB/T 28046.4-2011对工作温度范围代码的规定（表格整理：左成钢）

上表代码中的A和B对应的最低工作温度只有-20℃和-30℃，最高只有65℃，目前已无法满足车载环境要求，这个标准是基于ISO 16750-4:2006，已经比较老了。不过ISO 16750-4:2023已经对此部分做了更新，删除了代码A和B，最低温度全部调整为-40℃，最高温度下限直接提高到了65℃，同时增加了U、V、W、X四个等级，温度从原来的160度升高到165℃～180℃，如下表所示：

ISO 16750-4:2023对工作温度范围代码的规定（表格整理：左成钢）

#05

环境试验标准的局限性

车辆制造商OEM期望将不同的环境负荷类型和级别按标准要求进行合理的组合，然后就有可能将某一车辆上的系统/组件扩展到其他车辆。但是精确的量级要求常常在设计未来车型的组件时是未知的，预期的环境负荷往往来自于其他车型的类似条件。通常根据安装位置进行组合，由于有限的几个等级难以满足多样化的实际需求，因此定义不同安装位置及各自负荷特性的合理数值是困难的。

环境负荷并不是由安装位置一个因素确定的，还有其他影响系统/组件应力量级的因素，例如，车身的流线、动力系统或紧凑程度对安装在不同车内几乎相同位置的装置能形成完全不同的量级要求。

环境系列标准对几种负荷类型定义了要求等级，分别有电气、机械、热、气候和化学负荷。对每一种负荷类型又定义了若干要求等级，每一要求等级用一特定字母代码表示，全部环境要求由被定义的代码字母组合表示，例如温度和安装位置代码及试验要求在上面章节已进行了描述。

1. 代码字母的局限性

代码字母部分的定义通常在每个标准的附录表内，包括常规的安装位置和它们各自代码字母的定义示例。对一般应用，这些代码是适用的。如有特殊应用且这些代码组合无法表达时，可创建新的代码组合。当新的要求量级没有适用的代码时，可以用代码“Z”创建。在此情况下，特殊要求需单独定义但不应改变试验方法。

环境标准对几种负荷类型定义了要求等级，分别有电气、机械、热、气候和化学负荷（对应标准的2/3/4/5部分）。对每一种负荷类型定义若干要求等级，每一要求等级用一特定字母代码表示，全部环境要求由被定义的代码字母组合表示。对一般应用，这些代码是适用的。如有特殊应用且这些代码组合无法表达时，可创建新的代码组合。当新的要求量级没有适用的代码时，可以用代码“Z”创建。在此情况下，特殊要求需单独定义但不应改变试验方法。

标准的使用者应注意受试装置(DUT)试验时安装位置所处的热、机械、气候和化学负荷情况。

2. 对制造商责任的适用性

在设计阶段由于技术限制或变化，车辆制造商要求将组件放置在不能承受环境标准环境条件的位置，制造商有责任提供必要的环境防护。举例来讲，传统配电盒因受制于需要更换保险丝及继电器的要求，结构部分的防护等级通常无法做到IP67，而其安装位置又位于发动机舱的蓄电池附近，那么为了达到较高的防护等级，OEM就需要专门为配电盒设计一个防护壳体，比如一个单独的塑料外壳体。

3. 对线束、电缆和电气连接器的适用性

尽管环境标准的一些环境条件和试验与车辆的线束、电缆和电气连接器有关，但将其作为完整标准来使用其范围是不够的，因此不推荐环境标准直接适于这些装置和设备，标准的使用者应考虑采用其他适用的标准。

4. 对设备部件或总成的适用性

环境标准描述了直接安装在车辆内/上的电气和电子设备的环境条件和试验，不直接用于构成设备的部件或总成。例如环境标准不直接用于嵌入设备的集成电路(ICs)或分立元件、电气连接器、印刷电路板(PCBs)、量表、显示器、控制器等等。这些部件或总成的电气、机械、气候和化学负荷与环境标准的描述可能是完全不同的。此外，对打算用于车辆设备的部件和总成可借鉴环境标准得到预期的环境条件和试验要求。例如，设备温度范围为-40℃~+70℃，内装件总成定义的温度范围为-40℃~+90℃，有20℃温升，这个思想和我们估算PCBA上的器件装在壳体里的温度要比裸露情况下要高20度左右的概念是一致的。

环境标准是适用于零部件总成的，而非组成零部件的子总成或下级部件/元器件。比如一个ECU用到的一颗MCU芯片，那么MCU的测试就不能适用电子零部件的环境标准，而是要采用AEC标准。

在此顺便普及一下总成、零部件的概念。零部件这个概念其实是相对于总成来讲的。对于一个可拆分的零部件，它可以由非常多个子零部件组成，从Tier 1角度来讲，他是一个可以向OEM进行供货的总成，而从OEM角度来讲，这就是组成整车的一个零部件，整车才是一个总成。对于一个较大的零部件产品，业内也通常称之为某某总成，比如发动机总成，变速箱总成等。

5. 对系统集成和验证的适用性

环境标准的使用者应注意标准的范围在条件和试验上有局限，不能反映车辆系统所有认证和验证所需的条件和试验，设备部件和车辆系统可能需要进行其他环境和可靠性试验。例如，环境标准不直接对焊接、非焊连接、集成电路等规定环境和可靠性要求，但是这些项目应由零部件、材料或集成阶段的验证来保证。在车辆上使用的装置需在整车和系统级进行验证。

#06

基本术语和定义

了解标准前，我们还需要普及一些关于电气环境试验的基本术语和定义。

DUT：被测设备(Device Under Test)

标称电压UN：用于描述车辆电气系统的电压值。

供电电压Us：随系统负荷和发电机的运行条件而变化的车辆电气系统电压。

最低供电电压USmin：在规定的供电电压范围内DUT达到A级的最小供电电压。

最高供电电压USmax：在规定的供电电压范围内DUT达到A级的最大供电电压。

试验电压：在试验期间施加到DUT上的电压。例如:UA和UB。

工作模式3试验电压UA：发电机供电时的试验电压。

工作模式2试验电压UB：蓄电池供电时的试验电压。

最低工作温度Tmin：系统/组件能够工作的周围环境温度的最低值。

最高工作温度Tmax：系统/组件能连续工作的周围环境温度的最高值。

热浸透温度TmaxHS：在车辆停止且发动机关闭后，发动机舱内可能短时出现的环境温度最高值。

油漆修补温度TmaxPR：在车辆油漆修补过程中可能出现的最高温度。

#07

工作模式

环境标准对DUT工作模式共分为三种，如下：

1. 工作模式1：不向DUT供电。

工作模式1.1：DUT未连接到线束。

工作模式1.2：DUT模拟在车辆上的安装位置,连接到线束。

2. 工作模式2：蓄电池供电

当车辆发动机关闭,且所有电气连接完好，DUT以电压UB带电运行。

工作模式2.1：系统/组件功能不被激活(如休眠模式)。

工作模式2.2：系统/组件带电运行并控制在典型运行模式。

3. 工作模式3：发电机供电

所有电气连接完好，DUT以电压UA带电运行。

工作模式3.1：系统/组件功能不被激活。

工作模式3.2：系统/组件带电运行并控制在典型运行模式。

#08

通用试验条件

对电子零部件来讲，参考GB/T 28046.1-2011标准要求，通用试验条件如下：

除非另有规定,所有试验应在（23±5）℃和相对湿度25%～75%的室温(Room Temperature，RT)条件下进行。除非在其他部分另有规定，试验电压应按下表的规定。

试验电压（来源：左成钢《广义车规级》）

#09

功能状态分级

按照GB/T 28046.1-2011标准规定，功能状态分为A、B、C、D、E共5个等级：

1) A级：试验中和试验后，装置/系统所有功能满足设计要求。

2) B级：试验中装置/系统所有功能满足设计要求，但允许有一个或多个超出规定允差。试验后所有功能应自动恢复到规定限值。存储器功能应符合A级。

3) C级：试验中装置/系统一个或多个功能不满足设计要求，但试验后所有功能能自动恢复到正常运行。

4) D级：试验中装置/系统一个或多个功能不满足设计要求且试验后不能自动恢复到正常运行，需要对装置/系统通过简单操作重新激活。

5) E级：试验中装置/系统一个或多个功能不满足设计要求且试验后不能自动恢复到正常运行，需要对装置/系统进行修理或更换。

在一个新产品开发时，客户都会提出针对该产品的DV测试计划，其中每项测试也都会详细规定测试条件及测试方法，其中最核心的就是功能状态等级要求，这是判定DUT是否通过测试的判定标准，如下图所示：

DV测试计划-部分（来源：左成钢）

限于篇幅，本文初步介绍了ECU的车规级零部件环境试验标准相关的基础知识，包括标准概述、零部件的安装位置、温度代码、标准的局限性、基本术语、通用试验条件、功能状态分级等，详细的电气环境测试标准介绍及测试方法将在接下来的几篇文章中进行介绍，敬请期待。

本文转载自公众号：汽车电子与软件
作者：左成钢
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/7EGRQS3iDmXZV04wtQQ26Q