ECU的车规级试验：DV试验（三：电气负荷标准及测试）

前言：

前两篇纯标准介绍的文章估计大家读的都很枯燥，干货太干，就会难以下咽。基于以上考虑，本篇会结合测试标准要求，同步介绍为什么标准这么规定？深层次的考量是什么？同时顺便介绍一些车载电气、电磁环境的基础知识，让大家知其然也知其所以然，这样对标准的理解和认识也可以更加深刻。

本文目录如下：

1.检测机构及测试报告

2.一般规定

3.供电电压范围

4.过电压

5.叠加交流电压

6.供电电压缓降和缓升

7.供电电压瞬时下降

8.复位特性

9.启动特性

10.抛负载

11.反向电压

12.参考接地和供电偏移

13.开路特性

14.短路特性

15.耐电压

16.绝缘电阻

#01

检测机构及测试报告

有一点可能一直没讲，对于DV测试，较大的OEM通常都会指定检测机构，也就是我们常说的指定试验室。对于一般OEM的国内项目来讲，试验室满足CNAS（中国合格评定国家认可委员会）是基本要求，有些较大的企业也会自建CNAS试验室，如果OEM认可，自家试验室出报告也是可以的。如果零部件有出口要求，那么试验室还需要有国际认证。   

汽车行业的三方试验室很多，比如国内大家熟悉的中汽研、CVC威凯、襄阳达安等，外资的比如TUV、SGS、BV等，还有就是各地的计量院也都能做三方测试。另外，国内较大的检测机构通常也都会参与国家标准和行业标准的起草和制定，以CVC威凯为例，是国字头中国电研旗下集基础研究、标准化、检测、认证、检验、计量、能力验证及质量提升延伸服务（实验室技术服务、培训等）于一体的机构，也是全国汽标委电子电器与电磁兼容分标委委员，还建有国家智能汽车零部件质量监督检验中心。也就是说，国家要对汽车零部件进行抽检，就可以委托他们去检测，另外还有我们熟悉的CCC检测及认证等（汽车零部件有很多都是需要3C认证的，最常见的比如玻璃、轮胎等）。

汽车行业的检测认证项目非常多，ECU的DV测试其实只是其中很少一部分。这里还以CVC威凯为例，提供的测试项目包括：车身电子电器、信息娱乐系统、安全舒适系统、新能源汽车部件、线束及连接器、自动驾驶系统、内外饰材料、智能网联系统、无线通信系统、ADAS场景模拟与评价、动力电池、驱动电机、充电设施的安全与可靠性、充电系统互操作性等，项目非常之多。

真实的DV报告如下图所示，首页会注明样品名称、委托单位、检测类别，同时会加盖检测机构印章。 

电气及环境DV测试报告（来源：孚乔图、CVC威凯）

报告中还会对测试样品进行详细的拍照记录，同时注明功能等级要求、工作模式、试验参数等，如下图所示（因DUT为24V系统产品，故图中电压范围为16～32V）：   

电气及环境DV测试报告（来源：孚乔图、CVC威凯）

#02

一般规定

规定了试验中的电压等测试条件，要求所有电压为在受试装置(DUT)的有效输入端子上进行测试的电压，而非电源电压，这一点很重要，考虑到了线压降导致的偏差。同时强调了电压曲线是在空载条件下形成的。

标准对试验中允差要求规定如下：

• 频率和时间：±5%；

• 电压：±0.2V；

• 电阻：±10%。

#03

供电电压范围 

按照GB/T 28046.2-2019的规定，车辆的供电电压范围如下表所示。具体代码根据客户要求，12V系统通常为C，24V系统通常为F。   

供电电压范围（来源：左成钢《广义车规级》）

供电电压范围测试Setup及测试波形如下图所示：

供电电压范围测试（来源：孚乔图、CVC威凯）

在此顺便介绍一下车载电子零部件在电压要求方面的特殊性。车载电子电气设备不同于采用稳定电源供电的消费类设备或工业设备，也不同于纯粹采用电池供电的移动设备，车载电子电气设备的供电电压波动范围要大的多。各种应用的电压范围对比参见下表，由表中参数对比可见车载应用的电压变化范围相对而言要大的多，这也就意味着车载电子设备要应对的电源环境要复杂的多，设计要求也要高的多。

各种应用电压范围对比（来源：左成钢《广义车规级》）

关于电压范围变化及对系统的影响，具体可参考作者新书《广义车规级》4.3小节内容。在此仅简单介绍一下车辆电源电压的一些基础知识。 

为什么车辆的供电电压范围这么宽，电压波动这么大？这就需要先了解车辆的电气系统。无论是采用内燃机的传统车辆，还是采用混合动力或纯电动力的新能源车辆，其本质上都采用了双电源供电系统：

典型的汽车供电回路（来源：左成钢《广义车规级》）

#04

按照GB/T 28046.2-2019的规定，过电压试验分两种情况：

1) 为了模拟发电机调节器失效引起的发电机输出电压上升到高于正常电压，在下施加18V（24V系统为36V）的电压并保持60min。在试验过程中，DUT的功能状态等级至少应达到C级，必要时可要求达到更严酷的A级。

2) 针对12V系统，模拟辅助起动时向DUT输入的过高电压（即跳线启动Jump Start）在室温下施加24V的电压并保持（60±6）s。在试验过程中，DUT的功能状态等级至少应达到D级，必要时可要求达到更严酷的B级。

过电压测试Setup及测试电压、温度如下图所示（该DUT的为85，所以测试温度为65）：   

过电压测试（来源：孚乔图、CVC威凯）

通常来讲，在一定转速及负载条件下，发电机的输出电压随温度升高呈下降趋势。对于12V系统，在-40℃时，发电机的输出电压达到最高值16V。因为发电机的输出电流随转速及温度变化较大，加上整车电气系统的用电需求也是不断变化的，这就导致整车电气系统的电压将随着车辆发动机的转速、发电机的温度及整车负载情况不停的波动，这会带来很多问题。  

交流发电机输出电压温度特性曲线（来源：左成钢《广义车规级》）

另外一个典型的可能导致过电压的场景是12V系统的跳线启动。车辆的跳线启动，也叫辅助启动、搭线启动、搭电启动，俗称搭电。搭电是指对于一辆蓄电池电量完全耗尽无法自主启动的车，将另一台车辆的电池或其他外部电源连接到电池耗尽的车辆上，从而使电池耗尽的车辆得以启动的方法，如下图所示。在车辆启动后，如果发电机可以正常工作，蓄电池就可以充电，这时候就可以移除辅助电源。  

12V乘用的跳线启动（来源：左成钢《广义车规级》）

对于12V乘用车来讲，通常会用12V辅助电源为电池耗尽的车辆进行跳线启动操作，但在某些极端情况下，比如不清楚车辆的电压等级，或野外条件下没有可用的12V辅助电源时，则可以采用商用车的24V电源系统进行跳线启动操作，从设计上来讲，这种操作也是被允许的。具体这个电压最高可以允许多高，跳线启动时间持续多长，则取决于OEM设计，但通常可以认为是24V，时间为1 min（在不考虑低温启动的情况下，1分钟对于车辆启动来讲通常是足够的），这也是ISO 16750-2:2012规定的短时过电压参数，不过也有认为这个参数是28V/2 min的，具体的产品测试要求取决于OEM。

#05

此试验是为了模拟直流供电下出现的纹波电压，按照GB/T 28046.2-2019的规定，叠加的交流正弦电压如下图所示。在试验过程中，DUT的功能状态等级应达到A级。   

叠加的交流正弦电压（来源：左成钢《广义车规级》）

叠加的交流电测试Setup及测试波形如下图所示：

叠加的交流电测试（来源：孚乔图、CVC威凯）

汽车交流发电机与整流器（来源：左成钢《广义车规级》）

整流器将交流电转换成直流电供整车使用，这个纹波电压便是在引入调压器后产生的。在某些情况下比如发电机满载时，整车系统电压的波动就在所难免。以12V系统为例，电压波动的波形如图4-14所示，波动的频率根据各OEM的规定有所不同，通常在1kHz～20kHz之间，波动电压的峰峰值可达3V甚至更高，如下图所示。

#06

供电电压缓降和缓升  

此试验是为了模拟蓄电池逐渐放电和充电时的电压变化。按照GB/T 28046.2-2019的规定，试验时对DUT有效输入端同时进行下列试验：以(0.5±0.1)V/min 的线性变化率或以不大于25 mV的步长，将供电电压由降到0V，然后从0V升到。

在试验过程中，DUT的功能状态等级至少应达到D级，必要时可要求达到更严酷的C级。

供电电压缓降和缓升测试Setup及测试波形如下图所示：

供电电压缓降和缓升测试（来源：孚乔图、CVC威凯）

#07

此试验是为了模拟其他电路内的常规熔断器熔断时引起的电压瞬时下降，按照GB/T 28046.2-2019的规定，测试电压波形如下图所示。   

瞬时电压下降波形（来源：左成钢《广义车规级》）

对电压瞬降的具体规定取决于OEM，标准规定的参数可以汇总如下表所示。对于12V系统，标准要求的最低瞬降电压为4.5V，时间为100ms。

ISO 16750-2:2012对电压瞬降的规定（来源：左成钢《广义车规级》）

在试验过程中，DUT的功能状态至少应达到B级，是否允许复位可根据客户要求。

供电电压瞬时下降测试Setup及测试波形如下图所示：

供电电压瞬时下降测试（来源：孚乔图、CVC威凯）

负载或用电器的电压瞬降通常由两个原因导致，一是熔断器后级对地短路，二是大功率负载启动，两者的原理其实是一致的。如下图所示，负载1和负载2从发动机舱接线盒取电，负载1为大功率，负载2则功率较小，如果负载1启动或者发生对地短路，巨大的冲击电流会导致负载2的电压瞬时被拉低，这个拉低的幅度取决于负载1对地短路电流的峰值及持续时间。

负载电压瞬降（来源：左成钢《广义车规级》）

车速、行驶距离与延时的关系（来源：左成钢）

#08

复位特性

此试验是为了检验DUT在不同的电压骤降下的复位性能。该试验适用于具有复位功能的设备(例如装有一个或多个MCU的设备)。按照GB/T 28046.2-2019的规定，测试时按下图对DUT有效输入端同时施加试验脉冲电压，检查DUT的复位性能。

复位试验供电电压（来源：左成钢《广义车规级》）

图中，供电电压以5%步长从最低电压降到，保持5s后再上升到，至少保持10s，并进行功能试验。然后将电压降低到等等。按图5-7以的5%梯度继续进行直到降到0V，然后再将电压升到。在试验过程中，DUT的功能状态应达到C级。

复位特性测试Setup及测试波形如下图所示： 

复位特性测试（来源：孚乔图、CVC威凯）

#09

启动特性

此试验的目的是为了检验DUT在车辆启动时的性能。依据GB/T 28046.2-2019标准，按下图及下表给出的特性参数，将电压施加到DUT的有效输入端，共进行10次，每个循环之间间隔1s～2s。

启动电压曲线（来源：左成钢《广义车规级》）

启动电压系统参数及等级如下表所示：   

启动电压系统参数及等级（来源：左成钢《广义车规级》）

在车辆启动期间工作的有关DUT的功能状态应达到A级，其他功能按上表确定。

启动特性测试Setup及测试波形如下图所示：

启动特性测试（来源：孚乔图、CVC威凯）

车辆的启动波形也就是通常所说的starting profile，这部分内容在作者新书4.3.1蓄电池低电压部分也有描述。对传统燃油车来讲。发动机启动过程中带来的蓄电池的瞬态低电压及电压抖动会影响某些对低电压状态较敏感的设备及电子器件，比如瞬态低电压会导致智能高边芯片自动进入欠压关断状态，也可能导致MCU欠压复位。

为了尽量降低发动机启动对系统电压的影响，设计中通常采用三种方式：

• 一是在启动过程中将重要等级较低的大功率负载（IGN2负载）暂时切断，以降低蓄电池输出电流；

• 二是在电子电气设备前端设计储能电容，稳定系统电压；   

• 三是选用电压范围更宽的电子元器件。

#10

抛负载 

此试验的目的是为了检验DUT在车辆发生抛负载时的抗干扰性能。按照GB/T 28046.2-2019的规定，抛负载波形模拟了发生抛负载现象时产生的瞬态，即在断开电池的同时，交流发电机正在产生充电电流，而其电路上仍有其他负载时产生的瞬态。

在抛负载过程中，DUT的功能状态等级应达到C级。

根据现行标准，抛负载脉冲试验被放在了ISO 16750-2:2012（国标是GB/T 21437.2-2021）中，5a变成了试验脉冲A(Pluse A)-无集中抛负载抑制，5b变成了试验脉冲B(Pluse B)-具有集中抛负载抑制。

抛负载测试Setup及测试波形如下图所示：

抛负载测试（来源：孚乔图、CVC威凯）

抛负载这个词不能顾名思义，这个抛的负载实际上是蓄电池，而非一个用电器。抛负载是指发电机正在发电，且在为蓄电池进行充电，并同时为系统进行供电时，蓄电池的接线柱突然断开连接的一种现象。蓄电池实际上是一个大电容，这个电容可以稳定系统的电压，如果这个大电容突然断开，就会带来类似于系统的感性负载突然增大的效果。同样的道理，如果系统突然有一个大电流的感性负载进行切换，也会产生抛负载。  

如下图所示，一旦蓄电池断开连接，系统就会变的不稳定，电压就会快速升高，直到发电机整流器的低边管子发生雪崩击穿，将电压限制在，过电压和时间的规定具体取决于OEM。

电气系统抛负载的原理（来源：左成钢《广义车规级》）

关于抛负载的成因、抛负载波形的特性及对系统的影响，在作者新书4.3.2小节有详细描述。

对于抛负载测试，设计中的应对方法通常是在电源端加入一个TVS来进行抑制，如下图所示即为采用不同TVS设计时的测试波形，从波形来看，波峰已经被削掉的很平了。   

12V系统采用TVS进行集中抛负载抑制的测试波形（来源：Vishay）

24V系统的测试波形如下图所示，可见和实际DV测试的波形是一致的。 

24V系统采用TVS进行集中抛负载抑制的测试波形（来源：Vishay）

需要顺便提一下的是，随着车辆电气技术的发展，尤其是发电机技术的发展，整车电气环境也越来越稳定了（这一点有点类似于现在的国家电网和我们小时候家里的电网，电视机还需要加调压器（暴露年龄了）），乘用车行业在10年前就已经基本不太要求抛负载5a（也就是脉冲A）测试了，这个趋势是从外资OEM逐步到合资OEM再到国内OEM，目前乘用车行业已基本没有5a了，但是在商用车行业5a还是一个非常普遍的要求。

在这里也能看到一种技术或者说行业测试标准的发展趋势（毕竟5a都从ISO 7637调到了ISO 16750了，具体标准变化会在后续EMC测试标准介绍中详述）。以前趋势是由外资OEM引领的，因为他们历史悠久，对标准理解和应用的研究也更深入，知其然且知其所以然，所以Tier 1在和他们进行DVP谈判时，有很大的讨论空间，而国内的OEM则普遍不接受谈判和让步，标准提的非常之高，问就是这是规定，底层原因其实就是因为不懂，不知道是否可以让步？是否可以不做？有哪些风险？既然都不清楚，那干脆把标准提到最高总没有错吧。   

不过相信随着新能源及自动驾驶技术的发展，随着国内OEM的崛起，对标准的理解和运用也能领先于行业，而非像以前那样，一味地抱着标准，提高标准，且不容讨论。

#11

反向电压 

此试验的目的是为了模拟车辆辅助启动/跳线启动时对蓄电池的反向连接。根据GB/T 28046.2-2019的规定，测试电压及时间按下表进行。

反向电压试验参数（来源：左成钢《广义车规级》）

恢复正常连接后，DUT的功能状态应达到A级。

实际上在车辆的正常使用过程中，车载电子电气件是不会承受反压的，导致出现反压的情况，除了标准所讲的跳线启动时接错线以外，车辆在维修时，蓄电池也有一定的可能性接错电源线，这个场景实际上和跳线启动是类似的。

当然，对于专业维修人员来讲这种概率很低，而对于普通用户可就不好说了。感谢中国制造让车辆应急启动电源价格低到了可以随车常备，但这也大幅提高了普通用户犯错的概率。你一定无法想象，某天你的车显示蓄电池亏电无法启动，你跳线启动时一不小心接错线，然后BMS烧了，导致动力电池包需要维修。所以，感谢这个测试标准吧，为了防止接错线时导致ECU等控制器损坏，标准特别规定了DUT必须能够承受1分钟的反压而不发生损坏。目前普通家用轿车的ECU数量可达50个以上，如果没有这个要求，一旦接错线，损失可就太大了，尤其是对于新能源车辆来讲，因为三电部分的控制器（包括VCU及BMS）供电电压也是低压的12V/24V。   

车辆应急启动电源（来源：淘宝）

这里再顺便提一下，绝大多数采用直流电压供电的设备都是不支持电源反接的，比如你常用的手机，一旦电源接反，轻则烧保险，重则直接损坏，而车载ECU能承受反压则是一个基本要求。

#12

参考接地和供电偏移 

此试验的目的是为了检验在DUT存在两条或多条供电线路时组件的可靠性，比如对电源接地与信号接地的参考点不一致的组件就需要进行此试验。根据GB/T 28046.2-2019的规定，所有DUT的偏移电压被定义为（1±0.1）V。试验过程中DUT的功能状态应达到A级。

这里顺便提一下，按照ISO 11898-3-2006(道路车辆,控制器局域网络（Controller Area Network，CAN），第3部分：容错CAN) 标准，这个电压则被定义为±1.5V。

关于地漂移的成因及对系统的影响，具体可参考作者新书《广义车规级》4.1.3小节内容。在此仅简单介绍一下车辆电气系统中负极搭铁的一些基础知识。

对于负极搭铁的电气系统，蓄电池负极作为电源的初始零电位，在负极搭铁后，从整车电气系统来讲，整车搭铁（车身钣金、底盘或者发动机零部件等）是互相导通的，都可以看做是电源的“地”，也就是电气原理图中的GND。如图4-6所示，左图为蓄电池搭铁设计，右图为车身位置的搭铁设计，可见一个搭铁点通常有多根电线接入，共用一个搭铁点，以降低成本。   

蓄电池搭铁及车身搭铁（来源：左成钢《广义车规级》）

具体的偏移电压及测试方法可能根据不同的OEM要求会有所不同，例如根据福特的FMC1278试验标准，地漂移被放到了抗干扰测试中去，测试项目的编号为CI 250。标准要求地漂的电压为正弦波，频率范围从2kHz到100kHz，电压脉冲的幅值最高可达±5V。CI 250标准如图5-9所示（原标准为英文，为便于理解，图中的内容经过了翻译）。  

福特CI 250试验标准要求-部分（来源：左成钢《广义车规级》）

地漂移电压对用电设备的工作本身是没有影响及危害的，毕竟车辆的电压本来就是随车辆的运行工况而不断波动的。但是这个电压对于开关信号检测、传感器应用及车载通信来讲却会带来一些麻烦，尤其是采用模拟信号的传感器应用。

以下图为例，三个搭铁点与蓄电池负极均存在压差，ECU1的参考地为G1，ECU2的参考地为G2。如果ECU1去检测一个接在G2搭铁点的开关信号，在开关闭合时，ECU1检测到的电压通常并不是0V，比如可能是1V，这1V的电压就可能会导致ECU1判断错误，所以在设计信号检测电路时就必须考虑这个地漂电压的影响。对于乘用车12V系统来讲，最低电压通常被认为是9V，如果这时候再叠加地漂的影响，对电路设计及软件检测就提出了一定的要求。   

多点搭铁带来的地漂移（来源：左成钢《广义车规级》）

#13

开路特性

开路测试分为单线断开和多线断开两种，此试验的目的是为了检验DUT在一条或多条线路突然断路情况下的性能。根据GB/T 28046.2-2019的规定，断开时间为（10±1）s，开路阻抗大于等于10MΩ。

测试方法是断开DUT系统接口的一条或多条电路，然后恢复连接，观察DUT在断路期间和断路后的状态。试验需要对系统接口的每条电路分别重复进行测试，如果是有多个连接器的DUT，应对每一种可能的连接分别进行测试。试验过程中DUT的功能状态应达到C级。   

#14

短路特性

此试验的目的是为了检验DUT在输入或输出端发生短路时的性能。按照GB/T 28046.2-2019的规定，DUT的所有有效输入和输出端应分别依次连接到系统最高电压及地，信号线持续时间为（60±6）s，负载电路持续时间根据客户要求，其他输入和输出端保持开路或根据客户要求。

试验要求：

1) 所有信号线功能等级达到C级。

2) 所有电子保护输出端应确保能承受短路电流且在切断短路电流后能恢复到正常工作(最低达到C级)。

3) 所有常规熔断器保护输出端应能承受短路电流且在熔断器替换后能恢复到正常工作(最低达到D级)。

4) 如果 DUT 材料能满足UL 94的可燃性试验,所有无保护输出端可以被试验电流烧坏(功能状态为 E级)。

在这里顺便提一下要求2中的电子保护输出端，也就是通常我们所说的电子保险eFuse（实际上目前车载应用最多的是HSD高边驱动芯片），等级是达到C级，也就是试验后自动恢复到正常运次，而常规熔断器（也就是通常所说的保险丝）要求是D级，也就是试验后要进行操作才能重新激活。

GB/T 28046.2-2019对短路特性测试的具体测试方法和Setup并没有详细规定，对于传统保险的短路测试其实比较简单，也容易理解，但是电子保险eFuse的短路测试实际上是需要满足一些特定的测试要求的，这方面可以参考：AEC-Q100-012 Rev-12V系统智能功率设备的短路可靠性描述，其中对智能功率设备的短路测试有明确规定，如下图所示（下图为HSD高边，标准中对LSD低边也有规定）： 

AEC-Q100-012 Rev-中对HSD短路测试的描述（来源：AEC-Q100-012 Rev-）

同时，AEC-Q100-012 Rev-对短路测试的特性阻抗参数也有详细的规定，如下表所示：

AEC-Q100-012 Rev-中对HSD短路特性阻抗定义（来源：AEC-Q100-012 Rev-）

#15

耐电压

此试验的目的是为了检验DUT中电介质的绝缘耐压能力。按照GB/T 28046.2-2019的规定，此试验仅对含有电感元件(例如,继电器、电机、线圈)或连接到电感负载电路的系统/组件有要求。此试验可能对大部分电子零部件产品并不适用，具体可根据客户试验要求或双方协商。

测试项包括：

• 在带有电绝缘的端子间；

• 在带有电绝缘的端子和带有电传导面的壳体间；

• 塑料外壳情况下,在端子和包裹外壳的电极(例如金属箔)间。

#16

此试验的目的是为了检验DUT系统和材料的绝缘特性。按照GB/T 28046.2-2019的规定，此试验的测试方法同耐电压试验。

绝缘电阻测试仪如下图所示：

绝缘电阻测试仪（来源：CVC威凯）

需要注意的是，GB/T 28046.2-2019并未规定此试验的适用范围，此试验从原理上来讲并不适用于大多数电子零部件（因为各端子间并不绝缘也无必要绝缘），但对于新能源车辆如三电系统涉及高压的控制器就需要考虑DUT的绝缘特性，所以具体需根据客户试验要求或双方协商。   

限于篇幅，本文初步介绍了ECU的电气负荷标准及测试，包括测试项目、标准要求、测试方法等，并同步介绍了为什么标准这么规定？深层次的考量是什么？还顺便介绍一些车载电气、电磁环境的基础知识等，关于机械、气候、化学的测试标准介绍及测试方法将在接下来的文章中进行介绍，敬请期待。

文章转载自公众号：汽车电子与软件

作者：左成钢

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/imrlDLmCqeeJsN8K3kMdYQ