通用汽車電氣組件環(huán)境試驗標準的說明與分析

張超

（阿爾派電子（中國）大連研發(fā)中心，大連 116600）

引言

隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，為了能保持自身的競爭力，世界各大公司在提升自身技術(shù)水平的同時，越來越關(guān)注消費者的需求。小到內(nèi)飾顏色款式的推陳出新，大到新能源人工智能的迭代，無一不是為了贏得消費者的青睞，從而能在汽車銷售領(lǐng)域占據(jù)更大的份額。而安全性和可靠性作為消費者購車的首要因素，自然也是車廠關(guān)注的重點。

環(huán)境試驗也即環(huán)境模擬試驗，通過模擬試驗對象工作狀態(tài)的環(huán)境，從而確認試驗對象在預(yù)估使用壽命內(nèi)表現(xiàn)與設(shè)計預(yù)期是否相符的一種試驗。主要通過增加溫度、濕度、應(yīng)力、化學(xué)腐蝕等因素，增加試驗嚴酷度，加速模擬試驗對象整個壽命周期內(nèi)的表現(xiàn)變化[1]。

歐美車企起步較早，在環(huán)境及可靠性試驗方面具有成熟的標準體系和豐富的經(jīng)驗。通過研究分析其標準，了解其起草思路，從而完善我國汽車工業(yè)體系，制定更為嚴謹行業(yè)標準，這對我國汽車工業(yè)發(fā)展具有深刻意義[2]。

美國通用公司作為老牌汽車制造企業(yè)，在環(huán)境可靠性方面進行了大量研究，其試驗標準也被各大車企廣泛借鑒。我國諸如廣汽集團（GAC），比亞迪公司（BYD）等在環(huán)境可靠性方面以此為基礎(chǔ)，結(jié)合我國實際情況，起草了自己的環(huán)境可靠性標準，對其發(fā)展也產(chǎn)生了積極的效應(yīng)。本文對通用汽車環(huán)境可靠性試驗標準進行了說明，并結(jié)合實例進行進一步分析。

1 通用公司環(huán)境試驗標準

1.1 試驗標準介紹

通用公司制定的GMW 3172 系列標準主要針對乘用車、商用車及卡車的電子電氣元件,按照其安裝位置和條件，定義了環(huán)境和耐久性的試驗要求及方法。

GMW 3172-2022 標準（其后稱標準）中首先對環(huán)境溫度進行了定義，如最低溫度（Tmin），最高溫度（Tmax），最高油漆修補及存儲溫度（TRPS）等，見表1。其次，對試驗參數(shù)允許偏差進行了規(guī)定。如溫度偏差±3 ℃，環(huán)境濕度應(yīng)保證在（30～70）%范圍內(nèi)。最后，對元件工作狀態(tài)進行了區(qū)分，并給出了功能狀態(tài)標準，以此作為試驗結(jié)果判斷依據(jù)，見表2。

表1 溫度負荷特征碼舉例

表2 試驗參數(shù)允許偏差舉例

標準中大量使用了特征碼，單個特征碼定義一種狀態(tài)，如溫度特征碼A：-40 ℃，高溫周期特征碼A:2 000 h。針對不同曝露條件，通過特征碼的組合，進行試驗條件的定義。

對于汽車電子產(chǎn)品來說，從出廠到安裝，再隨整車到達終端用戶使用的過程中，由于其工作環(huán)境不同，所以產(chǎn)品工作狀態(tài)也不同，自然其要求也有差異，見表3。針對各個工作環(huán)境定義各個工作狀態(tài)，對試驗的精確化有積極意義。

表3 電氣組件的工作狀態(tài)定義示例

GMW 3172-2022 標準通過各項參數(shù)的定義，以及各個場景的需求的明確，使試驗人員可以根據(jù)自身產(chǎn)品特性選擇相應(yīng)試驗內(nèi)容，這不僅簡化了試驗流程，降低了工作復(fù)雜程度，同時增加了其準確度。

1.2 評價標準介紹

不同試驗由于目的不同，方法不同，試驗后評價標準也不相同。GMW3172 系列標準中，對于試驗結(jié)果評價標準分為以下5 種等級。

等級A:要求樣品試驗中和試驗后的功能與性能參數(shù)全部滿足設(shè)計要求。也即試驗中和試驗后樣品不能出現(xiàn)任何異常。

等級B: 要求樣品試驗中和試驗后的功能與性能參數(shù)全部滿足設(shè)計要求，但是允許 1 個或多個參數(shù)超出標準范圍后，可以在試驗后自動復(fù)歸到標準范圍內(nèi)。

等級C: 允許樣品 1 個或多個功能在試驗中為滿足設(shè)計要求，但是在試驗后自動恢復(fù)至正常狀態(tài)。

等級D: 允許樣品 1 個或多個功能在試驗中為滿足設(shè)計要求，但是在試驗后可以通過重新啟動等操作恢復(fù)至正常狀態(tài)。

等級E: 允許樣品 1 個或多個功能在試驗中為滿足設(shè)計要求，但是在試驗后可以通過修理或更換零件恢復(fù)至正常狀態(tài)。

其中功能與性能參數(shù)還包括外觀,尺寸,亮度,有無異響等方面的內(nèi)容。這些內(nèi)容也在評價標準判定范圍內(nèi)。

大部分環(huán)境試驗的評價等級都是A，這是由樣品的工作狀態(tài)決定的。絕大部分環(huán)境試驗都要求樣品持續(xù)處于正常工作狀態(tài)，根據(jù)實際情況來說，這時對用戶使用方面影響最大，因此設(shè)計要求也就更為嚴格。

1.3 典型環(huán)境試驗

汽車電氣組件的工作環(huán)境具有很大的特殊性，由于其載體-汽車所處環(huán)境具有不確定性，其工作環(huán)境相對來說更為嚴酷。不僅要承受較高的溫差和高濕環(huán)境，還要承受車體共振和路面振動沖擊等惡劣因素的影響。高低溫、濕度、沙塵鹽霧腐蝕等，是不同工作環(huán)境下電氣組件經(jīng)受的典型環(huán)境應(yīng)力[3]。

1.3.1 高溫退化試驗（High Temperature Degradation）

高溫退化試驗主要用于考察樣品對于高溫產(chǎn)生的降解的抗擾度。GMW 3172-2022 標準中，高溫退化試驗方法參照了國際標準ISO 16750-4 中高溫試驗的內(nèi)容。首先根據(jù)組件的安裝位置進行特征碼定義，然后以特征碼區(qū)分此試驗的嚴酷等級。其中，駕乘倉內(nèi)彈性組件試驗時長要求為500 h，其它部位安裝組件的要求為1 000 h或2 000 h 不等。其次，定義了試驗箱內(nèi)溫度上升與下降時間，樣品高溫曝露時間。

高溫曝露的過程中，為了模擬實車環(huán)境還設(shè)定了電氣組件啟動與休眠的循環(huán)，各圖1 所示。電氣組件在不同工作電壓下，其工作狀態(tài)也不相同。標準中根據(jù)實際情況，對各個電壓下樣品的曝露時間按照正常電壓80 %，低電壓10 %，高電壓10 %進行了區(qū)分。并且，要求對樣品的性能進行一定間隔內(nèi)的確認，從而在問題發(fā)生時，可以獲得準確的數(shù)據(jù)用以修正。

圖1 高溫退化試驗循環(huán)曲線示例

高溫應(yīng)力對電氣組件結(jié)構(gòu)方面的影響主要體現(xiàn)在材料變形和失效，如樹脂件膨脹縮小，塑料件軟化等。這些失效對于整車組裝的時候會由于定位偏移產(chǎn)生很大影響。因此，試驗初期，對樣品施加最高油漆修補及存儲溫度（TRPS）來考察樣品的結(jié)構(gòu)變形影響是十分必要的。

1.3.2 冷熱沖擊試驗（Thermal Shock Air-To-Air）

冷熱沖擊試驗主要考察樣品是否不受熱疲勞影響，并且能抵抗由溫度快速變化引起的降解。GMW 3172-2022 標準中，冷熱沖擊試驗方法參照了國際標準ISO 16750-4 中溫度循環(huán)的內(nèi)容，規(guī)定了不同組件進行冷熱沖擊時間時的高低溫度與循環(huán)數(shù)。由于其工作環(huán)境不同，工作的極限溫度從（-40～140）℃不等，循環(huán)數(shù)也由234～664 次不等。

標準規(guī)定由常溫到高溫，高溫保持15 min 后，快速轉(zhuǎn)換至低溫，轉(zhuǎn)換時間一般小于3 min，低溫保持15 min后，轉(zhuǎn)換至常溫為一個循環(huán)。同時要求溫度轉(zhuǎn)換后要有足夠長的時間使試驗環(huán)境內(nèi)溫度穩(wěn)定至試驗要求。此后，再進行試驗要求時長的曝露。

一般來說，我國大部分試驗箱都是通過空氣循環(huán)進行溫度調(diào)節(jié)。如果溫度轉(zhuǎn)換速度過快，由于空氣循環(huán)的局限性，很難做到樣品內(nèi)部溫度隨外部調(diào)節(jié)而快速變化。因此，標準中提出了溫度穩(wěn)定時間的概念，以此增加試驗的準確性，更加貼合實際情況，各圖2所示。

圖2 冷熱沖擊試驗循環(huán)曲線示例

1.3.3 電力溫度循環(huán)試驗（Power Temperature Cycle）

本試驗與冷熱沖擊試驗相結(jié)合，用于考察樣品是否能夠抵抗由于溫度變化或材料問題產(chǎn)生的熱疲勞與退化。試驗中，要求對工作狀態(tài)樣品持續(xù)測量，確認其電氣性能是否正常。

電力溫度循環(huán)試驗方法參照了國際標準IEC 60068-2-14 中溫度變化的內(nèi)容，對試驗最低溫度到最高溫度的轉(zhuǎn)換時間進行了規(guī)定。同時結(jié)合實際情況規(guī)定了樣品在升降溫過程中的工作狀態(tài)，即升溫與高溫曝露時，樣品處于正常通電工作狀態(tài)；降溫與低溫曝露時，制品處于不通電休眠狀態(tài)。特別的，低溫曝露的最后一分鐘，標準規(guī)定樣品應(yīng)從不通電休眠狀態(tài)啟動，轉(zhuǎn)換至正常工作狀態(tài)。

針對電氣組件的工作特性，同高溫退化試驗一樣，標準規(guī)定了試驗過程中按照正常電壓80 %，低電壓10 %，高電壓10 %進行循環(huán)，各圖3 所示。

圖3 電力溫度循環(huán)試驗曲線示例

1.3.4 濕熱循環(huán)試驗（Humid Heat Cyclic）

該試驗用于驗證電氣組件對于外界溫濕度變化引起的內(nèi)部冷凝的抵抗能力，以及濕熱環(huán)境下功能和材料退化的抵抗力。在高濕環(huán)境中，溫度的快速變化會引起樣品內(nèi)部細小縫隙內(nèi)水珠的凝結(jié)，在零下的溫度時還會產(chǎn)生凍結(jié)。附著在樣品內(nèi)部電子元件的導(dǎo)電部分時，會因為短路造成樣品功能異常。這是濕熱循環(huán)試驗的主要應(yīng)力因素。

標準中的試驗方法主要參照了IEC 60068-2-38 標準中溫度濕度循環(huán)的內(nèi)容，考慮到高濕環(huán)境下凝結(jié)水的流動性，樣品的擺放角度要與實際情況相符，并且注明不要出現(xiàn)試驗箱內(nèi)水滴直接滴淋到樣品的情況。試驗的單個溫度循環(huán)變化曲線如圖4 所示，除高溫降至常溫過程中濕度應(yīng)保持在80 %且溫度低于25 ℃不進行濕度控制外，濕度應(yīng)保持在（93±3）%。試驗周期為5 個循環(huán)。

圖4 濕熱循環(huán)試驗溫度曲線示例

2 通用汽車電氣組件環(huán)境試驗標準應(yīng)用實例

針對通用汽車電氣類組件環(huán)境體系的應(yīng)用一般按以下步驟進行：

1）通過安裝位置工作環(huán)境等確定樣品的專門標準，確定試驗的流程。

2）查找相對應(yīng)的試驗標準，如各個特征碼對應(yīng)的試驗參數(shù)。

3）根據(jù)試驗標準中的評價標準對試驗結(jié)果進行評價。

以下以通用汽車某型號車載顯示器為例，對試驗標準應(yīng)用進行說明。

2.1 確定試驗標準

根據(jù)GMW 3172-2018 標準，車載顯示器屬于駕乘倉內(nèi)彈性電氣組件。標準中給出了其溫度特征碼為C，環(huán)境特征碼為D，電氣特征碼為D。

溫度特征碼C 規(guī)定其試驗的高溫為85 ℃，低溫為-40 ℃，最大貯存溫度為95 ℃。環(huán)境特征碼規(guī)定其環(huán)境試驗中應(yīng)包含高溫退化試驗，且試驗周期為500 h，還應(yīng)包含濕熱循環(huán)試驗和持續(xù)濕熱試驗。電氣特征碼規(guī)定了樣品試驗的最低電壓為9 V，最高電壓為18 V，并且正常工作電壓為14 V，電池供電電壓為12 V。

2.2 確定試驗流程

根據(jù)GMW3172 系列標準中規(guī)定的試驗流程，對適用試驗進行選取，組合完成試驗計劃。圖5 為典型流程的舉例說明。

圖5 通用環(huán)境體系典型試驗流程示例

2.3 確定評價標準

根據(jù)GMW3172 系列標準中規(guī)定的評價標準，除冷熱沖擊試驗為等級C 以外，上圖示例中環(huán)境試驗評價等級均為A，即試驗中試驗后所有功能性能均需要滿足設(shè)計要求，以此為標準對試驗結(jié)果進行判定。

3 結(jié)論

通用汽車針對電氣組件的環(huán)境試驗體系具有科學(xué)性，易操作性，先進性和實用性等特點。其中易操作性為標準的推廣和評價效率的提升作出了貢獻。通用汽車電氣組件環(huán)境試驗標準是多年汽車工業(yè)實踐的經(jīng)驗總結(jié)，具有其先進性，為我國汽車行業(yè)環(huán)境可靠性方面的標準制定提供了可借鑒的新思路。

通用體系十分注重試驗中樣品狀態(tài)的監(jiān)控，并且標準的制定十分注重試驗理論與實際情況相結(jié)合，體現(xiàn)了通用體系標準的實用性。這為我國建立和完善自己的環(huán)境試驗標準體系提供了重要理論指導(dǎo)和實踐支持。