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2010 汽车发动机ECU的可靠性试验研究


第31卷第3期
2010年6月



内燃机工程
Chinese Internal Combustion Engine Engineering

V01.31 No.3

June.2010

文章编号:1000--0925(2010)03一0090—05

r />
310063

汽车发动机ECU的可靠性试验研究
余淼,刘胜龙,朱李晰,夏永强 (重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044)
Research on Reliability Test for

Automobile

Engine ECU

YU Miao,LIU Sheng-long,ZHU Li—xi,XIA Yong-qiang
(Key Laboratory for Optoelectronic Technology&Systems of Ministry of Education.School of Optoelectronic Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

Abstract:Aiming

at

the key technologies of research
on

an

independently developing domestic electronic control
test

U—

nit(ECU)of automobile engine,the

reliability

was carried out.Following the relevant

standards of reliability test and the characteristics of automobile engine ECU,the principles and testing flows of reliability
screen

test(RST),reliability growth test(RGT)and reliability qualification test(RQT)were


separately analyzed.And the ECU reliability testing system was designed and

comprehensive experimental

scheme was proposed.Results show that the design of the testing system is reasonable and the experimental scheme iS feasible.This system and scheme have been tried After
use to

be used in



domestic automobile engine ECU.

of these technical regulation,the ECU samples mean life(MTTF)is improved greatly and their

reliability is enhanced significantly.

摘要:针对国内某型汽车发动机电子控制单元(ECU)自主研发关键技术,开展了ECU可 靠性试验研究。根据相关可靠性试验标准及汽车发动机ECU的具体特性,研究了ECU可靠 性筛选试验、可靠性增长试验和可靠性鉴定试验的试验原理和实施流程,开发了ECU可靠性 试验系统,并制订出详细的ECU可靠性联合试验方案。在此基础上,对国内某型汽车发动机 ECU进行了现场试验。试验结果表明:试验系统平台设计合理,试验方案可行,经过试验的 ECU样品,其平均寿命MTTF得到较大幅度增长,可靠性水平得到显著提高。 关键词:内燃机;电子控制单元;可靠性试验;发动机;汽车
Key words:IC engine;electronic control unit(ECU);reliability test;engine;

automobile
中图分类号:TK417.13 文献标识码:A

0概述 汽车电喷发动机电子控制单元(ECU)是汽车电 喷系统的控制神经中枢,它对发动机的燃油和点火系 统进行闭环控制,提高了发动机动力性和燃油经济 性,并减少气体污染物排放。由于其工作环境十分恶 劣,ECU应该具备“三防”(防振、防水、防尘)能力,抗
收稿日期:2008-11-03

发动机点火产生的电磁辐射干扰,还能够承受温度湿 度变化和汽车电池电压波动。否则一旦ECU发生故 障,不仅影响发动机性能,而且危及车辆和人身安全。 因此在ECU的设计和生产过程中,需要通过一系列 的试验来测定和评价ECU产品的可靠性,从而为产 品的改进和定型提供依据。针对国内某型ECU的开 发过程,本文设计了发动机ECU可靠性试验系统和

基金项目:重庆市重点攻关项目(CSTC.2008AB6003);教育部新世纪优秀人才支持计划f 作者简介:余淼(1973一),男,教授?博士?主要研究方向为智能结构系统、汽车发动机ECU调试技术与装备,E-mail:yumlao@cqu.edu.cn。

万方数据

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?91?

试验方案,并对所开发的某型ECU进行了一系列可 靠性试验,旨在提高该型ECU的可靠性水平,同时明
确ECU可靠性试验的重要意义。

1汽车发动机ECU可靠性试验系统 由于发动机ECU可靠性试验必须对ECU产品 进行一系列试验和测试,如老化试验、振动试验、温 度试验和参数测试、功能测试等,因此必须给ECU 提供各种环境试验条件,对ECU的实际运行环境进 行模拟。根据ECU可靠性试验的具体要求,针对所 开发ECU的具体特性,本文开发了l套汽车发动机 ECU可靠性试验系统,该系统所包括的试验设备 为:(1)自主研发的ECU仿真运行测试平台,能够模 拟1个ECU在汽车上在线运行的环境,提供所需的 各种传感器信号和各种执行负载,实现主机与ECU 的总线通信,并实时监控ECU的运行状况,且能对 ECU样品在试验过程中发生的故障类型和故障时 间进行记录;(2)快速温变试验箱,能够提供温度快
速变化或渐变的环境条件,给ECU提供各种应力条 2试验方法 针对国内某型汽车发动机ECU的开发过程,主
图4某型ECU模块 图3快速温变试验箱

件;(3)可编程调温调湿试验箱,能够任意编程制定 温度湿度陷线以控制其运行,给ECU提供各种温度 湿度条件;(4)温度湿度振动综合试验箱,可编程控
制,能同时对ECU施加温度、湿度和振动环境条件,

要对ECU可靠性筛选试验、可靠性增长试验和可靠 性鉴定试验进行研究。依据相关标准H’21中关于可 靠性试验的规定和要求,并根据所开发ECU产品自 身的特点,以及所设计的可靠性试验系统,本文制定 了详细的试验方案,规定了各项可靠性试验的具体 试验项目及实施流程。ECU可靠性试验总体试验 框图及具体试验方案分别如图5和图6所示。
ECU可靠t 筛选试验
(HASSl ECU

模拟ECU实际运行环境;(5)高频振动试验台,对 ECU提供各种振动条件。 试验系统的部分试验设备分别如图1~图4所示。

温循环试

可靠性试验 ECU可靠件 鉴定试验 图1 ECU仿真测试平台及振动台控制平台 图5

定时截尾试验

ECU可靠性试验总体框图

可靠性筛选试验

{选前十爿。滓低温循怅亏址临低温循LJ振动U筛选后十
能检测n环试验r儆验广1环试验M试验一能检测

图2可编程调温调湿试验箱及振动台

一煺
图6 汽车发动机ECU可靠性试验方案

鐾避糟圃一避
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分析寻找蒯/试验若干周贿\l l篙娑兰罢答尝

?92?

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2.1

ECU可靠性筛选试验 ECU可靠性筛选试验主要用于对一批刚研制

加试验能够更快地激发ECU内部的缺陷,缩短试验 时间。试验方案中所制定的施加给ECU样品的电 压参数曲线和温湿度曲线分别如图7和图8所示。

完成的ECU产品进行筛选,以剔除其中具有潜在缺 陷的早期失效ECU,或从批产品中挑选出不可靠的 ECU产品,淘汰质量低劣的ECU产品。通常情况 下采用环境应力试验来对ECU进行可靠性筛选试 验,即通过对ECU施加合理的环境应力和电应力, 迫使其内部的潜在缺陷加速变成故障,然后对发生 故障的ECU进行剔除。ECU环境应力试验方法主 要有温度循环、随机振动和恒定高温等。通过大量
的实践结果表明:温度循环和随机振动可以达到


幽 脚

90%的筛选率[3]。为了缩短试验时间和提高试验效 率,采用高加速应力筛选试验(HASS)来进行ECU 可靠性筛选试验,主要用交替两次高低温循环试验 和随机振动试验来对ECU核样品进行筛选。
2.2

时间/min

图7电源参数曲线

ECU可靠性增长试验 ECU可靠性增长试验,即让ECU产品处于实

际环境、模拟环境或加速变化的环境中经受试验,使 得ECU产品设计(包括电路设计、结构设计和工艺 设计等)中的缺陷变为硬件故障(如电容元件失效、 电子元器件损坏等)而充分暴露。通过发现、分析和 纠正这些故障,改进相关设计,将ECU产品的平均 寿命MTTF提高到可以接受的值[4]。ECU可靠性 增长试验通常采用试验一分析一改进一再试验(TAAF
试验)的方法来逐步提高ECU产品的可靠性。为了



\ 越 赠

时间/min

图8温度参数曲线

缩短试验时间,采用双应力加速寿命试验的试验方 法,使ECU中的缺陷在较短时间内充分暴露。本次 加速寿命试验主要采用电应力老化试验和温湿度循 环试验,即向ECU同时施加一定变化的电压和温度 (试验中将湿度设为定值),然后将ECU运行规定的 时间,同时以电应力和温度应力作为双加速应力,则 该加速寿命试验服从广义艾林模型[3],即:
ln0=口+6妒l(V)+f92(T)+del(V)仇(T)
(1)

为了对所试验的ECU产品的相关指标进行估 计,通常采用无替换定时截尾试验方案En,t。]来进 行加速寿命试验[5],即从通过了可靠性筛选试验的 ECU样品中任取行个进行电应力老化试验和温湿 度循环试验,试验进行到预先规定时间t。时刻停止, 记录ECU样品失效的个数及时间,然后根据试验数 据对ECU样品的故障率A(f)或平均寿命MTTF进 行点估计和区间估计[6]。由于ECU产品主要由电 子元件构成,其寿命服从指数分布,则根据概率论可 以求得ECU样品的平均寿命MTTF的极大似然点 估计为:

式中,口为所测试ECU的寿命特征;口、b、f、d分别为 该模型的参数;鲫(V)一V,仇(丁)一1/丁,且V。≤V ≤VH,T。,≤T≤TH,即施加给ECU的双应力在 ECU所处的极限工况之间变化,V。,一0,VH=17V;
TL一一40℃,TH=100℃。其中,V。和、厂。分别为所

否:£


(2)

加电压的最低值和最高值;T。.和TH分别为所加温 度的最低值和最高值。电压y在V。.与VH之间按一 定的概率分布变化,产生随机电应力;而温度丁为 丁。与丁H之间循环变化,产生循环温度应力。这是 因为根据以往的多次试验经验。施加这样变化的电 应力和温度应力,相比双应力恒定试验或双应力恒

对其平均寿命MTTF进行区间估计,由于在定时截 尾试验中,2T?/o服从自由度为2r的Z 2分布,则置 信度为1一口的置信下限为:

研.。丽2T"

(3)

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T。=∑t。+(咒一,.)£。
l-1

(4)

截尾试验的试验截止时间t:等。 本次鉴定试验采用无替换定时截尾试验方案, 即当受试的产品累积试验时间达到规定的时间t:时 立即停止试验,将试验中ECU样品出现故障的个数
r与方案中的判别标准f相比,其判别规则为:

式中,T’为在Eo,t。]时间内行个参试样品的总试验 时间;r为ECU样品失效的个数;ti为每个失效
ECU样品失效前的工作时间。

电应力老化试验和温湿度循环试验结束后,根 据所记录的试验数据按照公式(2)、(3)对该批ECU 样品的MTTF进行估计,并根据所得的MTTF估 计值对该批ECU样品进行评估。同时,分析寻找失 效ECU样品的失效原因并进行相关改进:某些元件 的原因,则更换元件;设计的缺陷,则修改设计;生产 工艺方面的原因,则改进生产工艺等。将经过改进 的ECU样品再次进行可靠性筛选试验和可靠性增 长试验,使ECU的可靠性不断提高,直至其达到相 关标准为止。经过了可靠性增长试验的ECU样品, 很可能已带有较大的残余应力和耗损,因此原则上 不能再用于其他试验,例如接下来的可靠性鉴定试 验等。值得注意的是,如经过订购方同意,在可靠性 增长试验成功后,可以不再进行可靠性鉴定试验[5]。 可靠性增长试验的具体流程如图9所示。

r≤f,则认为该批产品合格,接收; r>c,则认为该批产品不合格。拒收。 定时截尾试验的试验方案制订准则[7]为:

1妻旦掣r等:1一口
一i=0

X÷掣P一等:p
,-!
--.d ..t
‘。 一 ‘

(5)

r.

(6)

、。’

;=0

式中,丁一为在Eo,t:]时间内咒个参试ECU样品的 总试验时间。 试验方案中生产方与使用方所共同确定的定时 截尾可靠性试验指标嘲为:MTTF检验的上限值岛 =10000h,下限值研=2000 h;生产方风险口一10%, 使用方风险p一10%;试验时间t:=1
000

h。

由试验指标可得鉴别比岛/el一5,t:/岛一1/lO, 则根据试验方案制订准则(5)、(6)和产品服从指数 分布时的定时截尾寿命抽样表(无替换)[7]可得出: 试验应抽取的ECU样品数r/=11,失效数判别标准

傀源参数曲缭
周期T--6 h,连l

儡度湿度曲缭

周期卜6h,连±

运行若干周为D

啦行若干周期>

l,‘H1m,。E¨口’I 时间f0 J 0

§计相关指标 U断ECU可靠 性是否达标 样品失效

c一3。

对于通过了可靠性鉴定试验的ECU样品,则可 对其进行定型,正式投入量产;如没有通过可靠性鉴 定试验,则拒收该ECU样品,并分析故障原因,改进 设计、制造工艺等,以迸一步提高其可靠性。在采用 定时截尾试验方案进行可靠性鉴定试验过程中,若 试验没有达到规定的试验时间t:,但失效ECU数r 已大于标准中规定的拒收判决标准c时,亦可以停 止试验,拒收该批ECU样品。

嘣篡睾羽震裴鎏藉调 ,型茌姜叁、l I(瘟12§lf魏叼
(老化试验)l
再次进行可靠 筛选试验和可 性增长试验 图9

I、温’罨璐嚣佣卅

分析寻找ECU失效 原因,排除故障, 改进设计

ECU可靠性增长试验流程图

2.3可靠性鉴定试验 可靠性鉴定试验是为了确定产品可靠性与设计 要求的一致性,而采用具有代表性的产品在规定条 件下所做的试验,其试验结果可作为判断该型ECU 产品能否定型的依据。可靠性鉴定试验是对产品的 定型,因此试验环境条件应该更接近产品实际运行 时的环境条件。为了对受试的ECU产品进行相关 评估,通常选择有替换或无替换定时截尾试验的具 体试验方案来进行ECU可靠性鉴定试验。在进行 试验之前,必须由生产厂家和使用厂家共同协商来 确定可靠性试验指标,如拒收合格产品的概率上限 (生产方风险)口和接收不合格产品概率上限(使用方 风险)口,MTTF或A(£)的上限值和下限值,以及定时 3试验结果和分析t 基于试验思想及试验方案,利用所设计的ECU 可靠性试验系统,对国内某型ECU在其开发过程中 分别进行了可靠性筛选试验、可靠性增长试验和可 靠性鉴定试验。 首先将刚研制完成的一批该型号ECU样品进 行筛选试验,试验结束后剔除了2个早期失效的 ECU。分析其失效原因可知:一个是贴片电容破裂, 应该是焊接不当而导致局部高温所至;另一个是因 为程序烧写错误所致。接着从通过了筛选试验的 ECU样品中任选20个进行增长试验,采用无替换 定时截尾的试验方案,试验截尾时间t。为10 d,试验

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结束后所得试验数据见表1。
表l 第一次可靠性筛选试验和增长试验数据 总试验时间
T’/h
4 635

裹3两次可靠性增长试验后MTTF估计值的对比 点估计值 增长试验
8/h

区间估计值
九/h
694 2 064

早期 样品容量 截尾时间 失效/个 n/个 to/d
2 20 10

失效ECU个数 r|令


第一次 第二次



159

4 752

根据试验数据及公式(2)、(3)可计算得到该批 ECU样品的平均寿命MTTF的极大似然点估计为
口=1 159

最后进行了可靠性鉴定试验,按照试验方案,任 取11个可靠性得到了增长的按照最新设计和制造 工艺制成的ECU样品,试验持续时间为1
000

h,置信水平为0.9的单侧置信下限为0L=

h。试

694h。很明显,该批ECU样品的可靠性水平很低, 需要对其进行改进。通过分析失效ECU样品的失 效原因发现:ECU电路设计方面存在问题,原设计 中采用的曲轴位置传感器(CPS)信号是单端信号输 入,抗干扰性能较差。针对ECU内部CPS信号处 理电路部分进行改进,将其改为差分CPS信号处理 电路,同时将ECU仿真测试平台模拟的CPS信号 输入由单端信号改为差分信号。同时还发现:部分 失效ECU样品内部点火电路被烧毁,这应该是由于 点火脉冲产生高温所致,则对其增加泄放二极管,以 释放一部分点火脉冲产生的能量。随后还对ECU
的制造工艺进行了改进,如提高焊接质量等。

验结果显示:仅有1个ECU失效,小于失效数判别 标准f一3,则接收该批ECU样品,对其设计定型,并 将该型ECU正式投入量产。 通过对国内某型汽车发动机ECU进行的ECU 可靠性试验,成功地改进了该型ECU的设计,极大 地提高了其可靠性水平并使之达到相关标准,取得 了良好的试验效果。
4结论

(1)对国内某型汽车发动机ECU进行可靠性 试验,暴露其潜在问题,通过改进设计后,使其平均 寿命MTTF的点估计值由1 159h增长到4 752h,置 信水平为0.9的区间估计值由694h增长到2064h, 可靠性水平得到显著提高。 (2)试验结果表明所提出的试验方案的合理 性,以及试验方法的可行性,所研制的汽车发动机 ECU试验系统满足实际生产需求。 参考文献:
[1]GB/T 19055--2003.发动机可靠性试验[S]. [2]GB/T 2423--2001,电工电子产品环境试验[s]. [3]茆诗松,王玲玲.加速寿命试验[M].北京:科学出版社。1997. [4]Lee S B,Kim I.Park
T S.Fatigue and

在改进设计后,按照新设计重新制成一批ECU 样品。首先进行筛选试验,未发现有早期失效的 ECU样品;然后从该批ECU样品中任取20个按照 相同的工况进行第二次增长试验,试验时间t。仍为
10

d。试验后所得的数据见表2。
表2
早期

第二次可靠性筛选试验和增长试验数据
样品容量 截尾时间 n|令
20

总试验时间 丁。/h
4 752

失效ECU个数
r|令


失效/个


to/d
10

fracture assessment for

同样计算得到该批ECU样品平均寿命MTTF 的极大似然点估计为口=4 单侧置信下限为巩一2
064 752

reliability
Bess

in

electronics

package[M].Springer Science&Buai—

h,置信水平为0.9的

Media B.V.1,2008.

h。表3为两次可靠性增

E5]梅文化.可行性增长试验[M].北京:国防工业出版社,2003. [6]IEC61164
test

长试验后对所得的MTTF估计值进行的对比。与 未改进的ECU样品相比,设计改进后制成的ECU 样品的平均寿命MTTF显著提高,可靠性水平得到 了明显增长。试验结果表明了该ECU可靠性增长 试验是有效的。分析失效ECU样品的失效原因发 现:由于ECU密封件失效,有水汽进入ECU内部引 起了电路板烧坏。随后对该型ECU进行了数次改 进,如重新设计密封圈制造工艺、内部控制策略等, 使得该型ECU的可靠性水平进一步提高。

Ed.2(FDIS)--2002。Reliability growth statistical IS].

and estimation methods

[7]金伟娅,张康达.可靠性工程[M].北京:化学工业出版社,
2005.

[8]高勇刚.电子产品可靠性试验方案各参数定义和关系口].电子 质量。2006(12):23—24.
Gao


G.Definiens and relation of parameter for reliability

test

口].Electronics Quality,2006(12):23—24.

(编辑:姜文玲)

万方数据

汽车发动机ECU的可靠性试验研究
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 余淼, 刘胜龙, 朱李晰, 夏永强 重庆大学光电工程学院,光电技术及系统教育部重点实验室,重庆,400044 内燃机工程 Chinese Internal Combustion Engine Engineering 2010,31(3) 0次

参考文献(8条) 1.GB/T 19055-2003,发动机可靠性试验[S]. 2.GB/T 2423-2001,电工电子产品环境试验[S]. 3.茆诗松,王玲玲.加速寿命试验[M].北京:科学出版社,1997. 4.Lee S B,Kim I,Park T S.Fatigue and fracture assessment for reliability in electronics package[M].Springer Science & Business Media B.V.1,2008. 5.梅文化.可行性增长试验[M].北京:国防工业出版社,2003. 6.IEC61164 Ed.2(FDIS)-2002,Reliability growth statistical test and estimation methods[S]. 7.金伟娅,张康达.可靠性工程[M].北京:化学工业出版社,2005. 8.高勇刚.电子产品可靠性试验方案各参数定义和关系[J].电子质量,2006(12):23-24.Gao Y G.Definiens and relation of parameter for reliability test[J].Electronics Quality,2006(12):23-24.

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本文针对高压共轨燃油喷射系统在柴油转子发动机上的应用,对直接喷射层状充气式柴油转子发动机的相关燃油及燃烧系统进行了专门设计,开发了 新一代的集高压共轨燃油喷射控制等功能于一体的电子控制单元,进行了初步的运行实验.着重讨论了主、引双喷油器结构结合高压共轨燃油喷射系统在 柴油转子发动机上的应用策略和实现方法.当前原理样机可以在高达6500rpm下平稳运行,5000rpm时双缸功率达到75kW.实验表明,通过高压共轨燃油喷射 系统结合合理布置的主、引双喷油器、高能点火装置及专用ECU的综合应用,是进一步发挥和提高低压缩比柴油转子发动机众多优点的一个有效的途径.

9.会议论文 郭建春.倪计民.蒋军.刘杰 电控EGR系统开发与研究 2003
本文介绍了电控废气再循环(EGR)系统和电控EGR系统的开发平台,开发平台主要用于完成EGR电控系统ECU中各控制脉谱图的的标定和控制策略的试验 .本文对电控EGR系统的软硬件结构进行了全面的介绍,并重点介绍了电控EGR系统的控制策略,并且对电控EGR系统的开发平台的布置,软硬件结构进行了全 面的介绍.

10.学位论文 王鹏 一种车用汽油喷射发动机电子控制单元的模拟设计 1996
作为一个重要的特征,桑塔纳2000型轿车中采用了闭环多点顺序控制汽油喷射系统(MOTRONIC).这样可以大大改善其驾驶性和排放性能.为了更好的理 解、使用这一系统,该文对它做了模拟设计,目的在于阐述该系统的组成与工作原理.该文的重点在于分析系统硬件组成,功能特点,控制原理及程序结构的 描述.控制原理的分析与阐述是按照系统的各种不同的功能进行的,诸如喷油控制、点火控制、爆震控制、怠速闭环控制、断油控制、自诊断等.同时文中 也给出了大量的程序流程图,使得可以更好的掌握各种控制原理运用方法、整个程序的组织方法、各种功能的实现方法.

本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_nrjgc201003019.aspx 授权使用:南京师范大学图书馆(njsfdxtsg),授权号:e47fb8ef-b892-4321-944c-9e1b011b54d3 下载时间:2010年10月26日


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