一種汽車空調壓縮機故障的測試分析

劉暢

摘 要：對一種汽車空調壓縮機的故障進行測試，分析故障產生的原因。對類似產品質量司法鑒定具有一定借鑒意義。

關鍵詞：壓縮機；驅動器；MCU；CAN；PCB

一、前言

2016年某壓縮機廠聯合某電子研究所，共同開發汽車空調壓縮機。電子研究所負責研制壓縮機中的驅動器部分。2017年4月，壓縮機廠家向汽車廠家交付產品后壓縮機出現批量不轉現象，因不良率高，已安裝的39臺壓縮機及尚未裝車的三千臺壓縮機被一并退回。壓縮機廠和電子研究所因故障原因分歧引發訴訟。2018年5月法院委托我司對壓縮機故障原因進行鑒定。

我司對壓縮機進行了勘查取樣。從退回的39臺壓縮機中隨機抽取5臺（機殼標識編號T1～T5），帶回公司測試分析。

二、樣品測試與技術分析

涉案壓縮機為一體式直流無刷變頻電動渦旋空調壓縮機。由電機壓縮機總成和驅動器組成。電機壓縮機總成由壓縮機廠家制造；驅動器總成中的PCB電路板由電子研究所制造，驅動器的其它零件由電子研究所供圖，壓縮機廠家制造。為便于描述下文將帶有驅動器的電機壓縮機總成表述為壓縮機總成，拆除驅動器的電機壓縮機總成表述為壓縮機。

1.T1～T5測試分析

1）外觀

壓縮機總成外觀完整，未見異常。驅動器與壓縮機之間結合緊密。

2）CAN通訊

T1、T2、T3、T4 CAN通訊正常；T5 通訊無反應。

3）運轉測試

T1運轉正常；T2、T3和T4不轉；T5因CAN通訊故障無法運轉。T2、T3和T4故障現象相同，在松開驅動器與壓縮機之間的固定螺釘后可運轉，緊固螺釘之后壓縮機停轉。

互換驅動器與壓縮機的組合，仍有以上現象。顯然擰緊螺釘前后壓縮機或驅動器的工作狀態發生了變化。

將T5壓縮機總成的驅動器更換為T2驅動器（不擰緊螺釘）測試，運轉正常。

4）故障判別

擰緊螺釘時因受力可能發生形變的零部件包括壓縮機殼體、驅動器外殼和驅動器與壓縮機接觸的驅動器底板（MOSFET散熱板）。三者比較，驅動器底板僅靠三條固定臂與驅動器蓋板連接，強度明顯弱于壓縮機殼體和驅動器蓋板。擰緊螺釘時變形最大的應是驅動器底板。

為了證實上述判斷，將螺釘擰緊之后不轉的壓縮機總成的驅動器與壓縮機之間的聯線斷開并引出，在不松開螺釘的條件下與另一臺壓縮機和另一臺驅動器進行交叉互換試驗，測試結果見表1。

測試證實是驅動器不能驅動壓縮機。

5）驅動器受力后狀態

取出壓縮機與驅動器間的密封墊圈，將驅動器與壓縮機緊密貼合但是不上螺釘，驅動器蓋板與壓縮機殼體之間的間隙在靠壓縮機冷媒接口側的間隙在0.6mm左右，另一側無明顯間隙。因旋松螺釘之前沒有間隙，可認為這是由驅動器底板在緊固力消除后的回彈造成，旋緊螺釘時驅動器底板受力產生了形變。

驅動器底板為近似正方形，三條邊各有一條支撐臂固定在驅動器蓋板上，另一條邊沒有支撐臂。三條支撐臂中兩條縱向臂較長，位于驅動器底板中心線附近；橫向支撐臂較短，當驅動器底板受力時，驅動器底板較短支撐臂變形最小，縱向分布的較長臂變形較大。驅動器底板在沒有固定臂的一側產生較大位移。驅動器底板有另外三條固定臂用來固定PCB。由于PCB的強度比驅動器底板低，當驅動器底板發生變形時，三條固定臂將力傳遞給PCB，使PCB變形，安裝在PCB上的元器件焊點上產生應力，應力超過焊點強度時會使元器件脫焊，造成驅動器故障。

6）通過電路分析和檢測確定電路故障

根據驅動器電氣原理圖，驅動器主要由電源變換、MCU、CAN通訊和三路功率輸出部分構成。逐漸擰緊螺釘，直至驅動器不能驅動電機轉動時，電機瞬間停轉，無異常聲響或振動，VB（108V外部供電）電流為零，驅動器的CAN通訊顯示信息正常。這說明此時功率驅動電路輸出中斷，MCU與CAN電路相關的供電VCC3V3、VCC5V_O正常。由于三路功率驅動電路同時發生故障的概率極小，很可能是它們共用的VCC15V_H電源出現故障。由原理圖知，MCU工作所需的VCC3V3的供電源自VCC5V和VCC5V_H的“或”。其中VCC5V源自外部12V電源；VCC5V_H源自VCC15V_H，VCC15V_H又源自外部VB電源。測試先斷開12V供電，即切斷VCC5V，發現壓縮機停轉時MCU停止工作，證實是VCC15V_H故障導致電機停轉。

7）確定VCC15V_H故障在PCB板上的位置

查看PCB布局圖，VCC15V_H電源相關元器件位于驅動器底板中一條固定臂的下方。該處PCB開有分隔槽，且與臂端部有一個結合點。當該結合點的PCB受到固定 臂作用力產生形變時，分隔槽會阻斷PCB變形的傳遞，分隔槽兩側之間距離發生變化。當力大小超出表面貼裝元器件焊點所能承受的拉力，將導致跨焊在分隔槽上的二極管或線圈脫焊，引起VCC15V_H電源故障。松開螺釘后，外力消除，斷開的焊點在回彈力的作用下重新貼合，VCC15V_H電源恢復正常。為了驗證上述判斷的正確性，進行以下試驗。試驗結果證實了上述判斷。

對T2、T3和T4，在VCC15V_H電源上方固定臂與PCB的結合點施加壓力，均重復故障現象。

切斷T3驅動器底板的VCC15V_H電源上方固定臂，阻斷力的傳遞，T3壓縮機總成的故障即消除，不論螺釘處于松開或緊固狀態，T3壓縮機總成都不再出現停轉。

8）T5 CAN通訊故障分析

CAN通訊電路的主要器件是CAN總線收發器和光耦。它們都用到VCC5V_O；光耦還要用到VCC3V3。正常的驅動器連接CAN-12V插頭之后LED會發出閃光，MCU工作指示燈亮起。觀察T5驅動器LED，連接CAN-12V插頭后不發光。但是連接VB之后LED正常單次閃爍。由于MCU使用的VCC3V3來自VCC5V和VCC5V_H的“或”，上述現象說明VCC5V_H（來自VB）正常，VCC5V（來自12V）異常。檢查VCC5V有關電路元器件，發現VCC5V輸入端有明顯燒灼痕跡。測量輸入端端電壓為12V，輸出端端電壓（VCC5V）為0V。

2.檢測結果歸納分析

1）壓縮機總成T1可以轉動，被列為故障壓縮機原因不明。

2）壓縮機總成T2、T3和T4在驅動器固定螺釘松開前不轉，松開后轉。原因是驅動器底板與壓縮機之間的配合尺寸和結構設計缺陷導致PCB上的元器件受力脫焊。

3）壓縮機總成T5不轉的原因是驅動器VCC5V電路輸入端元件燒壞。原因難以明確判斷。

三、測試結論

壓縮機與驅動器底板之間的過盈配合產生的應力和控制器底板結構缺陷共同作用使PCB產生形變，導致PCB上的元器件脫焊。驅動器底板移位對PCB產生的影響不局限于上述測試過程中已發現的故障元器件，在應力的長期作用下還可能導致PCB板上的其它元件脫焊；同時驅動器底板移位還可能加大其與壓縮機之間的熱阻，影響MOSFET的散熱。總之該壓縮機控制器存在故障隱患。

參考文獻：

[1] 渦旋壓縮機理論機構模型[J].劉振全，杜桂榮.機械工程學報.1999（02）

[2] 汽車空調壓縮機及控制系統常見故障檢修[J].羅禮培.汽車維修.2012（12）

（作者單位：南京海天檢測有限公司）