本文约6,700字，建议收藏阅读
作者 | 左成钢
出品 | 汽车电子与软件
前言：
ECU的车规级试验：DV试验（一：标准概述）已发布
ECU的车规级试验：DV试验（二：电气环境标准简介）已发布
ECU的车规级试验：DV试验（三：电气负荷标准及测试）已发布
ECU的车规级试验：DV试验（四：机械负荷标准及测试）已发布
ECU的车规级试验：DV试验（五：气候负荷、防护标准及测试）本篇书接前文，上篇文章介绍了ECU的机械负荷标准及测试，本篇将继续介绍气候负荷（包括IP防护等级、盐雾等）测试标准及测试方法，同时顺便聊一下为应对气候负荷试验，ECU类车载电子产品应如何设计。关于EMC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。另外，文中主要测试项目均配有真实的DV测试照片，包含测试设备、样品、测试Setup等，帮助大家对DV测试有一个更深刻的了解和认知。在此特别感谢CVC威凯检测技术提供的试验室技术支持和测试照片。*注：本文主要内容均节选自作者新书《广义车规级电子元器件可靠性设计与开发实践》，由机械工业出版社于2024年6月份出版，节选时进行了改编。温湿度及防护类（包含盐雾）试验都属于气候负荷试验，相应的国家标准是GB/T 28046.4-2011 道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验 第4部分：气候负荷，国际标准是ISO 16750-4:2006, MOD。机械负荷及化学负荷则为标准的第3部分及第5部分。关于安装位置与温度规定我们在第二篇文章ECU的车规级试验：DV试验（二：电气环境标准简介）有过介绍，在此再详细介绍一下。GB/T 28046.4标准给出了所有零部件可能的工作温度范围，如下表所示：GB/T 28046.4-2011对工作温度范围代码的规定（表格整理：左成钢）上表代码中的A和B对应的最低工作温度只有-20℃和-30℃，最高只有65℃，目前已无法满足车载环境要求，这个标准是基于ISO 16750-4:2006，已经比较老了。不过ISO 16750-4:2023已经对此部分做了更新，删除了代码A和B，最低温度全部调整为-40℃，最高温度下限直接提高到了65℃，同时增加了U、V、W、X四个等级，温度从原来的160度升高到165℃～180℃，如下表所示： ISO 16750-4:2023对工作温度范围代码的规定（表格整理：左成钢）气候负荷试验需要按电气和电子设备在车上应用情况进行不同严酷度的试验，应用情况则主要根据产品的安装位置，所以对于气候负荷试验，确定安装位置非常重要。Tier 1需要非常明确地知道自己产品在实车的安装位置，并根据安装位置，按照标准给出的分类，结合产品的应用情况，确定产品需要进行的测试项目、类型、测试时间、严酷等级等。关于安装位置我们在第二篇文章ECU的车规级试验：DV试验（二：电气环境标准简介）有过介绍，在此再详细介绍一下。 GB/T 28046.4标准给出了所有零部件可能安装在车辆的位置，如发动机舱内的车架上，乘客舱内等，根据零部件的安装位置即可知道零部件推荐的工作温度范围、气候要求、以及推荐的防尘防水等级，如下表所示：GB/T 28046.4-2011对常规试验和要求规定（表格整理：左成钢）举例来讲，如果一个乘用车ECU安装在乘客舱中太阳直射处，那么查上表则可知推荐温度范围代码为H（-40℃～90℃），气候要求为G，推荐防尘防水等级为IP5K0，再通过下表查询可知： GB/T 28046.4-2011对气候负荷试验要求的规定（表格整理：左成钢）代码G试验项目为：低温、高温、温度梯度、温度循环（100次）、温度快速变化、冰水冲击、盐雾、湿热循环-试验1、稳态湿热、太阳光辐射。GB/T 28046.3-2011机械负荷标准（采标：ISO 16750-3:2007）与GB/T 28046.4-2011气候负荷标准（采标：ISO 16750-4:2006）中，关于商用车部分的代码都是空的，同时因为标准较老，也没有关于电动机部分的规定。关于商用车代码这部分在ISO 16750-3:2023及ISO 16750-4:2023中已经得到了更新，但对应的国标则尚未更新（据了解已在起草中）。ISO 16750-4:2023中对试验代码的规定及试验要求代码全部进行了更新，从表中可见，与现有标准的差异还是很大的。还有就是标准根据汽车行业新能源技术的快速发展给出了更新，发动机舱增加了电动机部分。 ISO 16750-3:2023对安装位置及振动试验要求代码的规定（表格整理：左成钢）根据上表，如果是一台新能源车，一个ECU的安装位置在电动机内，那么如果是乘用车，推荐工作温度范围代码为O（-40℃～90℃）或Q（-40℃～105℃），推荐的气候要求为B（见下表），防护等级则没有规定（因为在电动机内）。ISO 16750-4:2023对气候负荷试验要求代码的规定（表格整理：左成钢） 如果气候要求代码为B，则试验项目为：低温、高温、温度梯度、温度循环、温度快速变化（300次）、湿热循环（2,3）、稳态湿热、凝露B、灰尘、大气压力。GB/T 28046.4规定了温湿度、防护、太阳辐射等3类气候相关的试验，温湿度类测试项目都差不多，基本上都是用温湿度箱来进行测试的，下面将参考试验标准把主要项目都过一下。1. 低温贮存
此试验为模拟DUT暴露在低温下不带电工作状态,如系统/组件装运期间。失效模式为不能承受霜冻。按照GB/T 28046.4-2011的规定，试验时DUT不连接到线束，为非工作状态，在低温-40℃下持续24h，要求试验后DUT的功能状态应达到C级。2. 低温运行
此试验为模拟DUT暴露在低温带电工作状态,如系统/组件使用于很低的环境温度。失效模式为因低温造成的电气故障(例如带电解液的电容器冻结)。按照GB/T 28046.4-2011的规定，试验时DUT为工作状态，在DUT所允许的最低工作温度
下持续24h（实际也有48h或72h），要求DUT的功能状态应达到 A级。3. 高温贮存
此试验为模拟DUT暴露在高温不带电工作状态,如系统/组件装运期间。失效模式为不能承受高温。按照GB/T 28046.4-2011的规定，试验时DUT不连接到线束，为非工作状态，在85℃高温干热下持续48h（实际也有90℃持续72h），要求试验后DUT的功能状态应达到C级。4. 高温运行
此试验为模拟DUT暴露在高温带电工作状态，如系统/组件使用于很高的环境温度。失效模式为因高温造成的电气故障(如组件的热退化)。按照GB/T 28046.4-2011的规定，试验时DUT为工作状态，在DUT所允许的最高工作温度
下持续96h，要求DUT的功能状态应达到A级。 5. 温度梯度
此试验为用于检查机械和电气装置在工作温度范围内出现故障的小的温度区间。试验时将DUT放置在温度箱中，以5℃温度梯度从20℃降到，然后以5℃温度梯度从升到，每步都要等到DUT达到新的温度。每到新的温度，分别在DUT相应的
和
以工作模式进行功能试验。在调温过程中将 DUT关闭。要求在每个温度点DUT均应保持正常功能，功能状态应达到 A级。6. 规定变化率的温度循环
此试验为模拟DUT带电工作时周围温度的变化，失效模式为温度变化引起的电气故障。按照GB/T 28046.4-2011的规定，温度循环试验按GB/T 2423.22进行。循环周期为480min，按规定共进行30个试验循环。整个装置达到后对DUT通电工作，用尽可能短的时间检查DUT的功能。在每个循环的第210min～410min期间对DUT通电工作，其他时间不工作，要求DUT的功能状态应达到 A级。7. 规定转换时间的温度快速变化
此试验是一个加速试验，模拟车辆中大量的慢温度循环，失效模式为因老化和不同的温度膨胀系数导致的材料裂化或密封失效，试验不要求带电工作。按照GB/T 28046.4-2011的规定，从升到温度转换时间不超过30s，DUT在每个温度点保持20min、40min、60min或90min。循环次数为100次或300次，具体根据产品试验要求。本试验可在DUT开发期间带外壳或不带外壳进行，要求DUT的功能状态应达到C级。 8. 冰水冲击
此试验为模拟应用在车辆受溅区域的产品由冰水引起的热冲击。如冬季在有水路面驾驶时冰水溅落到热的系统/组件上。失效模式为不同的温度膨胀系数导致的材料机械破裂或密封失效。试验由两种可选方式：水飞溅和浸没。水飞溅：按照GB/T 28046.4-2011的规定，在烘箱中加热DUT到，保持规定的时间（1h或至DUT温度稳定），然后用冰水喷向 DUT 持续3s，循环次数为100次，水温为0℃～+4℃，水流量为（3L～4L）/3s。冰水喷射时系统处于工作模式，要求DUT的功能状态应达到A级。浸没：在烘箱中加热DUT到，保持规定的时间（1h或至DUT温度稳定），然后在运行状态下将DUT浸没在冰水容器中5min，浸没深度不小10mm，循环次数为10次，水温为0℃～+4℃，要求DUT的功能状态应达到A级。9. 湿热循环
此试验为模拟系统/组件用于高湿条件，失效模式为因潮湿引起的电气故障（例如，印制电路板因潮湿产生的漏电流。附加失效模式为壳内潮气流动的“呼吸”效应，当系统/组件壳内空气温度下降时，外部高湿气体就会被吸入。此试验分为湿热循环和温度/湿度组合循环试验。湿热循环：试验按GB/T 2423.4 Db变量1进行，上限温度为+55℃，循环次数为6次，在达到最大循环温度时以工作模式3.2对DUT进行功能试验。温度/湿度组合循环：试验按GB/T 2423.34中Z/AD的规定进行，循环次数为10次，在达到最大循环温度时以工作模式3.2对DUT进行功能试验。10. 稳态湿热
此试验为模拟系统/组件用于高湿条件。失效模式为潮湿引起的电气故障（如PCB因潮湿产生漏电流等）。试验按GB/T 2423.3进行，试验持续时间为21天。采用工作模式2.1，但在最后一小时采用工作模式3.2。要求发动机关闭时工作的系统，功能状态应达到A级。其他系统直到最后一小时前应达到C级，最后一小时达到A级。11. 其他试验
GB/T 28046.4-2011标准中还有两个试验：流动混合气体腐蚀试验与太阳光辐射试验，这两个试验根据DUT的具体应用或客户要求决定是否进行。比如太阳光辐射试验仅适用于那些受到阳光辐射的零部件，这些零部件应选择合适的材料以抵御太阳光辐射导致的老化。以某商用车ECU为例，温度类DV报告部分截图如下。1. 低温存储试验
低温存储试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）低温存储试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）低温试验温度设置、整体Setup及试验后检查如下图：低温存储试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）2. 低温运行试验
低温运行试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）低温运行试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）低温试验温度设置、整体Setup及试验后检查如下图： 低温运行试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）3. 高温存储试验
高温存储试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）高温存储试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）高温存储温度设置、整体Setup及试验后检查如下图： 高温存储试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）4. 高温运行试验
高温运行试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）高温运行试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）高温运行温度设置、整体Setup及试验后检查如下图： 高温运行试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）GB/T 28046.4-2011同时规定了防尘、防水及盐雾试验，但实际上防尘、防水试验依据的是ISO 20653:2006, MOD，对应的国标是GB/T 30038-2013；还有一个《外壳防护等级（IP代码）》的标准是IEC 60529:2013, IDT，对应的国标是GB/T 4208-2017。而耐盐雾试验依据的是GB/T 2423.17 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Ka:盐雾，及GB/T 2423.18-2021环境试验 第2部分：试验方法 试验Kb：盐雾，交变（氯化钠溶液）。防化学品试验的标准是GB/T 28046.5-2013，第5部分：化学负荷。此试验是为了模拟电气电子系统/组件应对规定的化学负荷试验具有耐受能力，即在规定的温度条件下进行规定时间的试验后材料没有发生特性变化。如有试验报告证明电气电子系统/组件对其接触到的化学负荷具有耐受能力，可以免于试验。化学试剂的型号和供应商可由供需双方协商。 防护类试验在DV试验中项目较少，通常为防水防尘及防盐雾腐蚀试验，防化学品试验通常视产品的应用及安装位置而定，或取决于客户要求。1. IP代码及标准介绍
IP防护等级第一位特征数字表示防止固体异物进入（异物及尘土）的防护等级（第一位特征数字还表示对接近危险部件/人体防护的防护等级，因本书不涉及，在此不做描述），第二位特征数字表示防止水进入的防护等级，0表示无防护，某一位不作要求可用X代替，例如IPX5即代表无防尘要求。IP防护等级有两个国标，两个国际标准，标准区别如下表所示：IP防护等级国标与国际标准的对比（来源：左成钢《广义车规级》）防护等级的这两个标准：国标GB/T 4208（对应的国际标准为IEC 60529）与国标GB/T 30038（对应的国际标准为ISO 20653）目前在行业都在使用，大家常说的两位数字无字母的IP**等级就是依据国标GB/T 4208，而带字母的IP等级就是依据GB/T 30038。两种标准防护等级的对应关系如下表所示，表中根据防尘及防水分别对两个标准进行了详细的对比分析。 不同标准IP防护等级对应关系（来源：左成钢《广义车规级》）2. ECU的防护要求
对车载应用来讲，最低防护等级仅要求防尘即可，也就是IP5X，而最高要求则要达到IP68或IP6K9K。根据ECU的具体安装位置和应用，参考GB/T 28046.4标准，推荐防尘防水等级如下表所示。电子模块防护等级推荐（来源：左成钢《广义车规级》） 3. 防护试验对ECU的设计要求
电子模块根据安装位置及应用要求的不同，防护相关的设计如下：1) 对于驾驶舱或行李舱等不要求防水的应用，比如IP5K0或以下等级，仅需要考虑防异物、防尘及防潮设计的，可以采用PCBA涂覆三防漆（也称三防胶）的方案，成本较通过壳体密封实现防护的方案要低的多。2) 对于有耐盐雾要求的应用，必须考虑壳体及连接器的防护设计，同时考虑金属材料的耐腐蚀能力，以及PCBA涂覆三防漆，以防盐雾渗入导致电路短路或腐蚀，产生电气故障。3) 对于有简单防尘防水要求的应用，比如IP54或以下等级，可通过外加防护罩或安装方向的改变来实现防护效果，比如防护罩对水平安装的电子模块有一定的防护效果，垂直安装可对垂直滴水有一定的防护效果。4) 对于IP54以上的防护等级，通常需要考虑壳体及连接器的防护设计，即壳体采用密封设计，同时采用防水连接器。壳体材料设计必须考虑温湿度、温度变化、盐雾及化学试剂的影响。5) 电子模块在安装时必须考虑线束走向的影响，如下图所示。汽车电子模块安装方向及线束走向对防水的影响（来源：左成钢《广义车规级》）如图中所示，汽车电子模块安装时必须考虑线束走向对防水的影响。根据安装方向的不同，线束需要一个垂直向下的U形折弯来形成一个水滴的滴落回路，使水滴在沿线束流动时能够通过滴落回路滴下，而非沿线束进入电子模块内部，引起腐蚀及短路故障。另外，线束的滴落回路还可以避免极端情况下，水汽沿线束内部（比如沿导线），通过防水连接器内部端子直接进入密封的电子模块内部，引起腐蚀及短路故障。 防护类试验主要是防尘、防水及盐雾测试，以某商用车ECU为例，防护类DV报告部分截图如下。以某商用车ECU为例，防护类DV报告部分截图如下。1. 防水试验
2. 防尘试验
3. 耐盐雾腐蚀试验
耐盐雾腐蚀试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）耐盐雾腐蚀试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）耐盐雾腐蚀试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）限于篇幅，本文介绍了ECU的气候负荷标准及DV测试，包括标准及温度范围、安装位置与试验要求、测试项目、DV测试、防护类试验标准等，最后还介绍了基于实际产品的DV测试，并顺便介绍ECU设计如何应对温湿度类及防护类测试标准。关于EMC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。
