第2章 汽車電子應(yīng)用環(huán)境

在電子產(chǎn)品隨車使用時(shí)，汽車的環(huán)境條件很大程度上影響著電子產(chǎn)品的功能、性能和壽命。對(duì)工程師而言，搞清楚這些條件和邊界是第一步，設(shè)計(jì)過程中考慮這些因素是第二步，最后在模擬這些條件的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行檢驗(yàn)是第三步。汽車電子化的程度在逐漸加深，汽車電子工程師的舞臺(tái)在不斷拓展，使得對(duì)汽車內(nèi)部環(huán)境知識(shí)的了解和掌握有著現(xiàn)實(shí)的需求。在本章中，將使讀者對(duì)汽車電子環(huán)境條件建立起一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。

作為交通和運(yùn)輸工具的汽車，其內(nèi)部的電子模塊需要在全世界不同氣候、環(huán)境的地區(qū)使用，可以從氣候條件、機(jī)械條件和電氣條件幾個(gè)方面進(jìn)行探討。

1.汽車電子的氣候條件

汽車的氣候條件包括溫度、濕度、水分、灰塵和化學(xué)物質(zhì)等。

1）溫度：汽車的使用范圍要覆蓋全世界的絕大部分國家，因此要滿足所有的陸路氣候，包括沙漠炎熱氣候和北極圈寒冷氣候。溫度有最低溫度、最高溫度和溫度變化3個(gè)方面的需求。根據(jù)對(duì)汽車數(shù)據(jù)采集和研究得出的結(jié)論，車身內(nèi)最普遍的情況是-40～85℃的溫度范圍，最低溫度都是類似的——自然環(huán)境的最低溫度。但在汽車上某些區(qū)域溫度可上升至很高的范圍，排氣口附近可能達(dá)到105℃，發(fā)動(dòng)機(jī)附近甚至可達(dá)到125℃。

2）濕度：空氣的相對(duì)濕度一般用來衡量空氣中有多少水蒸氣。在溫度一定的情況下，相對(duì)濕度越高，水蒸氣含量也越高。對(duì)于汽車電子模塊來說，它要滿足從低于10%到接近100%這個(gè)殘酷的相對(duì)濕度范圍，這是由世界上大部分地區(qū)的氣候所決定的。典型的就是高濕度的熱帶雨林氣候和干燥的沙漠氣候。高濕度會(huì)迫使水蒸氣進(jìn)入電子模塊的部分元器件中，將會(huì)導(dǎo)致絕緣損壞、器件腐蝕和材料劣化等不良的情況發(fā)生。

3）水分：比濕度更嚴(yán)重的是水分，大多數(shù)電子模塊對(duì)水是非常脆弱的。雖然車輛內(nèi)部大多數(shù)情況是干燥的，但還是要關(guān)注某些內(nèi)部區(qū)域。例如，當(dāng)下雨時(shí)或者車子進(jìn)水時(shí)，座椅下方可能會(huì)有一定的積水；那些直接暴露的電子模塊有可能滴灑上各種液體，如在車內(nèi)喝水時(shí)有小部分水倒在模塊上面的情況；安裝在汽車車身后方的電子模塊，在行李艙打開時(shí)容易受潮并沾染水分。另外一種情況特別常見，即冬天氣溫較低，汽車起動(dòng)后內(nèi)部溫度升高引起水蒸氣在模塊表面液化，形成的水珠也會(huì)對(duì)模塊造成潛在的威脅。

4）灰塵：車輛行駛在比較差的道路上會(huì)引起模塊的灰塵堆積?；覊m會(huì)影響某些執(zhí)行器件，如開關(guān)、繼電器和連接器等的正常工作。

5）化學(xué)物質(zhì)：在清洗和維修汽車時(shí)，往往會(huì)在汽車中殘留一部分化學(xué)物質(zhì)，這會(huì)引起電子模塊的腐蝕。在沿海地區(qū)，空氣中的水分含鹽度很高，也會(huì)對(duì)電子模塊造成非常大的影響。這些都是需要關(guān)注和了解的。

2.汽車電子的機(jī)械條件

汽車機(jī)械方面的考慮主要是振動(dòng)和沖擊，這兩種情況會(huì)對(duì)汽車電子模塊產(chǎn)生破壞作用，典型的為元器件脫焊脫線、觸點(diǎn)接觸不良、搭鐵不良、元器件斷裂等現(xiàn)象。汽車電子模塊會(huì)經(jīng)受來自不同方向、不同頻率的振動(dòng)和沖擊，這與它的安裝位置有關(guān)。

1）機(jī)械振動(dòng)：車輛行駛或者發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，模塊總是處在振動(dòng)狀態(tài)中。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)僅是輕微振動(dòng)，而車輛行駛時(shí)，輪胎和道路會(huì)讓電子模塊處在較大的振動(dòng)狀態(tài)中。

2）機(jī)械沖擊：在汽車發(fā)生意外事故時(shí)，機(jī)械沖擊可以達(dá)到非常高的強(qiáng)度水平。在汽車下線、汽車運(yùn)輸和汽車碰撞等過程中電子模塊都要經(jīng)受很大的機(jī)械沖擊。

3.汽車電子的電氣條件

汽車的電氣條件包括電池電壓和地偏移、浪涌電壓、無線電磁波干擾等。

1）電池電壓和地偏移：在汽車起動(dòng)時(shí)，電池電壓可能會(huì)低于12V，甚至最低時(shí)為6～7V。充電系統(tǒng)存在很大的負(fù)載或出現(xiàn)故障時(shí)，電池電壓將會(huì)超過18V。因此，汽車電子模塊需要經(jīng)受一個(gè)很寬的電壓范圍。汽車上不同的地回路接點(diǎn)，各自之間也會(huì)存在一定的電壓差，這是地線回流引起的，也被稱為地偏移。一個(gè)電子模塊輸入/輸出信號(hào)較多時(shí)，由于不同信號(hào)的電線分布在不同的接地點(diǎn)上，因此需要慎重考慮信號(hào)的地偏移。

2）浪涌電壓：電壓尖峰主要是由于打開或關(guān)閉負(fù)載引起的，可能是電子模塊本身控制的負(fù)載，也可能是其他模塊控制但是在同一個(gè)電源線上的負(fù)載，也有可能是別的電源線上的負(fù)載。大電流負(fù)載的導(dǎo)通與斷開，會(huì)在電源線上引起電源電壓和地線的波動(dòng)干擾。特別需要注意發(fā)電機(jī)“拋負(fù)載”的情況，它表征在發(fā)電機(jī)上的大部分負(fù)載斷開時(shí)，發(fā)電機(jī)并沒有停止工作而是繼續(xù)運(yùn)行，這時(shí)在電源線上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的干擾電壓。

3）無線電磁波干擾：汽車內(nèi)部有很多噪聲源，如刮水器電動(dòng)機(jī)、燃油泵、點(diǎn)火線圈、空調(diào)起動(dòng)器、交流發(fā)電機(jī)線纜連接的間歇切斷、車窗電動(dòng)機(jī)等；隨著無線電子設(shè)備的普及，如手機(jī)、GPS和其他消費(fèi)類電子設(shè)備等，汽車電子模塊需要經(jīng)受很寬的頻帶干擾。汽車電子零部件的電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）情況較為復(fù)雜，不過基本可以分為輻射騷擾、傳導(dǎo)騷擾、輻射騷擾抗擾度、傳導(dǎo)騷擾抗擾度、靜電放電5個(gè)方面。這部分規(guī)范復(fù)雜，并且隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展更新較快，不同的產(chǎn)品差異也較大。

由于前輩工程師們的努力，使得以上介紹的這些內(nèi)容比較完整地記錄在測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，這些標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)環(huán)境條件的抽象和模擬。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織將其定義為ISO 16750—2018《道路車輛 電氣和電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn)》，這是基于世界上的整車OEM企業(yè)自身測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的妥協(xié)結(jié)果。這些標(biāo)準(zhǔn)是通過對(duì)汽車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和積累，獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析得出的，用來描述電子模塊在其壽命周期內(nèi)使用時(shí)預(yù)期要承受的真實(shí)環(huán)境，包括全世界的溫度、濕度和降水等氣候條件，也考慮了各地的污染和海拔等影響。制定這些標(biāo)準(zhǔn)，可以使零部件企業(yè)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件去設(shè)計(jì)模塊，并根據(jù)這些條件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，一般而言，整車OEM的標(biāo)準(zhǔn)比ISO標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。零部件企業(yè)在開始設(shè)計(jì)之前，一定要確認(rèn)產(chǎn)品所需要的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

在檢驗(yàn)過程中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模塊的功能狀態(tài)劃分情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等級(jí)分類，一般可分為5個(gè)等級(jí)。

A級(jí)：在規(guī)定的條件下和返回正常的條件后，模塊所有功能滿足設(shè)計(jì)要求。

B級(jí)：在規(guī)定的條件下，模塊所有功能滿足設(shè)計(jì)要求，允許有一個(gè)或多個(gè)超出規(guī)定允差；返回正常的條件后，所有功能自動(dòng)恢復(fù)到規(guī)定限值。存儲(chǔ)器功能應(yīng)符合A級(jí)。

C級(jí)：在規(guī)定的條件下，模塊一個(gè)或多個(gè)功能不滿足設(shè)計(jì)要求；返回正常的條件后，所有功能自動(dòng)恢復(fù)到規(guī)定運(yùn)行狀態(tài)。

D級(jí)：在規(guī)定的條件下，模塊一個(gè)或多個(gè)功能不滿足設(shè)計(jì)要求；且返回正常的條件后，不能自動(dòng)恢復(fù)到規(guī)定運(yùn)行狀態(tài)，需要對(duì)模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單操作重新激活。

E級(jí)：在規(guī)定的條件下，模塊一個(gè)或多個(gè)功能不滿足設(shè)計(jì)要求；且返回正常的條件后，不能自動(dòng)恢復(fù)到規(guī)定運(yùn)行狀態(tài)，需要對(duì)模塊進(jìn)行修理或更換。

這些等級(jí)使得不同模塊在同一種條件下表現(xiàn)的性能并不相同，這與汽車中不同模塊的安全等級(jí)的分類基本一致。