近来从报章杂志得知政府为提高国家竞争力,95年度科技预算大增19.7%,经济部决定积极向国内外研发中心招手,大力投入汽车研发设计,主导性新产品开发、生技产业、数字内容及通讯产业、3G手机机等,进军国际市场。就汽车产业而言,认证和检测比其它产业来得复杂和严苛,因为不同车系统,有不同的厂规要求,因而增加了购置检测设备成本及检测量的规模经济。本文主要探讨,车辆零组件认证环境和检测规范。
于1972年,欧洲颁布第一个有关于抑制汽车火花点火噪声的指令72/245/EEC,从九十年代初,在北美,汽车工程师协会(SAE)也制定了相关的标准,而国际标准化组织ISO和CISPR则从1990年开始制定专门关于汽车的电磁兼容标准。
欧盟(EU)有一个汽车电磁兼容指令,欧盟指令95/94/EC,作为对指令72/245/EEC的补充,其他非欧盟成员国也根据法规ECE10.02采用该指令,结果就造成了现在汽车电磁兼容测试标准的复杂性,包括很多不同的标准,一些依据OEM的,一些是国际性的CISPR和ISO,一些则是地域性的,如北美的SAE,还有一些是法律要求95/54/EC指令。
汽车EMC的认证环境:
目前在汽车认证上以欧洲e/E-MARK最具代表性,且新的指令2004/104/EC加入更多国际标准测试项目,如(表三)所示,另外一些是国际性的CISPR/ISO和地域性用的国际整车及组件测试标准,如(表一)、(表二)。
表一 国际整车测试标准
汽车标准
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发布尔日期
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应用的地区
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测试项目
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95/54/EC |
1995 |
欧盟 |
辐射发射和耐受度 |
CISPR-12 |
2001 |
全球 |
辐射发射 |
ISO 10605 |
2001 |
全球 |
辐射发射 |
ISO 11451 |
1994-2001 |
全球 |
静电放电 |
SAE J551 |
辐射耐受度 |
多种 |
辐射耐受度 |
北美
欧盟e/E-mark的申请
表二 国际组件测试标准
汽车标准
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发布尔日期
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应用的地区
|
测试项目
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95/54/EC |
1995 |
欧盟 |
辐射发射和耐受度 |
CISPR-25 |
2002 |
全球 |
表二 国际组件测试标准 |
ISO 7637 |
1995-2003 |
全球 |
辐射和传导发射 |
ISO 10605 |
2001 |
全球 |
辐射发射 |
ISO 11452 |
1995-2002 |
全球 |
静电放电 |
SAE J551 |
辐射耐受度 |
多种 |
辐射耐受度 |
辐射和传导发射
产品通过相关ECE法规的测试时:得以取得证书;并于产品标示大写的E,后跟一阿拉伯数字;以圆圈圈起来,阿拉伯数字代表发证国家。ECE目前有41个国家(02/2003)。
小e Mark则源于欧洲经济共同体(EEC),依照欧盟指令强制成员标示认证标志,包括机动车整车,安全零组件及系统。产品通过相关欧盟指令(CE Directive)的测试,得以经由成员国政府交通部门核发小e标志,小e标志后的阿拉伯数字代表发证国家,外圈用长方形框起来。EEC目前有25个国家。
选择E或是e?
两者效力完全ㄧ样,e Mark 以欧盟为主,但E Mark涵盖的国家较广。以测试角度看申请E Mark测试的项目会比较少,相对测试费用较省。而那些汽车电机电子产品可以不用E Mark:非汽车行进中或引擎发动下使用的产品,如汽车打蜡机、打气机及其相关产品,该类产品以一般CE认证即可。
申请所需时间举例来说(非绝对),例测试时间约略10个工作天(如LAB /ETC 03-3276171可免监测下估算),申请时间依TUV SUD(02-29993950)为例e/E24送审文件后,证书号码约于1~2周内先取得。号码下来后,申请者可先行制作卷标。整个申请到发证约需四~七周。
表四 欧盟指令及法规
ECE Regulation(欧委法规)
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ECE-R10
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Approval of Vehicles with regard to electromagnetic stability
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EC Directive(欧盟指令) |
95/54/EC |
Adaptation of Directive 72/245/EEC and amendment of Directive 70/156/EEC(OJ:08.11.1995) |
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72/245/EEC |
Radio interference(electromagnetic compatibility)of Directive icles(OJ:06.07.1972) |
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2004/104/EC |
Adaptation of Directive 72/245/EEC and amendment of Directive 70/156/EEC(OJ:13.11.2004) |
台湾车用零组件
音响、DVD 必须取得列管单位 BSMI认证,目前检测规范为CNS13439,检测项目有电源传导干扰电压、辐射干扰场强、天线端干扰电压检测。无线产品则必须取得列管单位DGT认证,检测规范为LP0002,检测项目有场强辐射;电源线传导干扰,天线之要求,频带宽度之要求,操作方式要求等。
车用零组件检测环境
电磁兼容测试环境
汽车的电磁兼容测试环境和商用相比有两个明显的不同之处,会穿越不同的电磁环境,单元所实现的许多功能其安全性能是至关重要的,汽车电池的负极不是真正的参考地,实际上,在许多测试中,汽车是被看作一个非接地的隔离系统。安装在整车的ESA是指几乎所有装配车辆的电气或电子设备,如发动机管理单元(BMU)、车身控制模块(BCMS)、加热、通风和空调系统(HVAC),会经历两个系列的电磁兼容测试,一是单独对ESA;二是在车上进行,车上的测试数据是最重要的,因为它反映了未来产品在用户手中的性能,车子卖出后安装的ESA很少经过整车的电磁兼容测试。
另外,在进行整车或单独ESA EMC测试时,不升降天线和转动转盘,ESA测试和商用常规测试也有显著区别,ESA在测试时桌上需加装接地平板,这主要是仿真汽车的车体或是汽车底盘,它们被接在汽车电池的负极,这些电缆在所有测试中都被一个离接地平板50mm的绝缘座支撑,每一种车都有不同长度和配置的电缆,为了便于测试比对,在法规标准测试规定了固定电缆长度。
通常还有一种电子电气单元扮演汽车仿真器的角色,用来仿真汽车和ESA间的相互作用,如外围设备应该包括,点火盘、激励装置、碰撞传感器、λ加热器和速度传感器,使用在连接口负载应该是一些相对简单的开关或是继电器或电阻负载,但是这些汽车仿真器对于每一个ESA都是不同的,所以,每个ESA需要独特的电缆和辅助设备,且有时需要不同尺寸的电缆来完成测试。
《图二 Low temperature step stress test》 |
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辐射发射干扰测试
主要有三个国际标准CISPR-12、CISPR-25和95/54/EC,其相关要点大致如下:
整车部份:
- ●在任何一个具有15米或更大直径接地平面的开放式场地OATS,都可以用于整车辐射发射测试。
- ●CISPR-12中的测试方法需要发动机处于工作模式,如工作于怠速状态下1500转/分钟,但不必要在起伏不平的道路上进行测试。
- ●辐射发射测试如在3米或10米距离下进行,3米通常是在暗室中,10米在OATS中,另外天线高度分别为3米和1.8米的高度上,天线距汽车左右两边汽车发动机的中点于一条在线。
- ●在30MHz-1GHz作垂直和水平两个极化上宽带带和窄频带信号测量。
- ●CISPR-12与95/54/EC不同在于CISPR-12规定了150kHz-30MHz频段需要测试,虽然目前还没有相应的限值要求,两个标准共享了同样的测试配置。
- ●CISPR-12包括了窄频带限值不同于95/54/EC,不过两个标准对于3米处的测量限值都使用了10dB的缩减修正量。95/54/EC中的测试方法和宽带带限值是基于并等同于CISPR-12。
- ●在美国SAE的标准J551-2是基于CISPR-12并且和该标准等效。
《图三 High temperature step stress test》 |
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ESA部份:
- ●测试桌的高度在95/54/EC中规定1米高,而规定在CISPR-25中却是0.9米高。
- ●测试频率范围CISPR-25为150kHz-960MHz其中分为八个不连续段,95/54/EC却是连续的从30MHz到1GHz,不过标准也规定可以选择13个点频来代替全频段的测试。
- ●ESA距离连接通过LISN电源和ESA的配线中心点及任何辅助设备的距离为1米,虽然CISPR-25中规定可以使用更长的基座,对于ESA的辐射测试来说,其长度为1.5米。
- ●于短距离测试ESA,一般测试都在暗室中进行,而不是在开阔场OATS。
- ●95/54/EC中ESA的限值在范围和量级上和整车测试都是可相对应的,相反CISPR-25的限值和CISPR-12的整车限值不具有相关性,这两个标准都具有宽带带和窄频带的限值。其中CISPR-25把限制值分为五个严酷等级、8个频段,每个频段内有10种可能的限制值。
- ●CISPR-12中的测试方法需要发动机处于工作模式,但不必要在起伏不平的道路上进行测试,比如对多气缸的汽车来说,工作在怠速状态下1500转/分钟。
《图四 Vibration step stress test》 |
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传导发射干扰测试
对于传导发射测试的国际标准主要有二个即CISPR-25和SAEJ1113/41。其相关要点大致如下:
- ●汽车的电气供给是一个独立的系统,它不会和其他在外的系统产生相互作用,因而传导发射干扰测试只限于ESA的测试而不是整车,其目的是测试车辆系统中ESA的相互作用。
- ●传导发射干扰测试需用汽车专用的阻抗稳定网络(5μH/50Ω),电源电缆(0.2m)及使用一个短的基座,测试频率150kHz-108MHz范围上分5段非连续段上进行。
- ●经由有线连接,需进行电源的正负极测试,对于通过底盘接地的ESA,只测正极即可。
- ●在信号在线,传导测试采用电流钳完成,所有的信号线和控制线当作一根电缆,这个测试采用1.5m长的线束,电流钳距ESA 0.5m。
- ●CISPR-25测试位准对ESA规定了五种不同的等级,但几乎没有采用何种测试位准的应用导则,实际上是留给设计者本身去决定其产品应该符合何种位准等级。如通常关键的安全系统 EMU、ABS等等,采用最高的等级5,其他大都采用等级3或4,如车身控制器和天线设备。
辐射耐受度测试
国际标准主要有ISO 11451、95/54/EC 其相关重点大致如下:
《图五 Rapid temperature transition test》 |
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- ●95/54/EC为30V/m,大多数OEMs规定为至少100V/m,整车辐射场的轮廓要覆盖80%的车身。除了自由场法,还有束电流注入法(BCI法/台上法)、TEM小室法、三面板法、带状线法。BCI法被大多数设备制造商采用。
- ●ISO 11451标准包括整车的辐射耐受度测试,ISO 11452系列标准包括了ESA的辐射耐受度测试,欧洲指令95/54/EC包括了整车和ESA的辐射抗扰度的测试。
- ●辐射耐受度测试要求车辆处在移动状态,并且运行在稳定的速度下,95/54/EC中规定为50kph,汽车的前后灯和指示器应该打开,正常使用中要用到的设备都应该处于工作状态,比如车上娱乐设施。
- ●ISO 11451标准中规定整车测试要旋转车辆,使车辆以最大面积暴露在辐射场中,不同的是,95/54/EC中规定的是一种静态的测试方法,通常是天线直接对着车头方向。
- ●95/54/EC中规定的频率范围是20MHz-1GHz,只比整车和ESA的辐射发射的频率范围的低10MHz。ISO 11451中对于整车测试采用自由场和传输线法的频率范围是0.1MHz~18GHz,BCI法的频率范围是1MHz~400MHz。
- ●对于ESA的辐射耐受度测试相对简单,可使用带状线、TEM小室法、GTEM等,相对可用较低的功效达成较大电场,就可对ESA及其配线产生达200V/m的照射场强。
- ●对于传输线测试,ISO 11452中要求的最大的场强为200V/m,95/54/EC中达75V/m。ISO 11452的频率范围较ISO 11451稍宽,频率范围从10kHz-18GHz,低频率范围由TEM小室法、带状线法和三面板法来实现。
传导耐受度测试
标准ISO 7637是传导测试的主要的国际标准,相近标准有SAE J1113/11和J1113/12,阻抗稳定网络几乎和CISPR-25中用于传导和辐射发射测试的阻抗稳定网络一样。其相关要点大致如下:
- ●汽车是一个独立的系统,整车来说没有传导抗扰度的测试,传导耐受度只对单独的ESA进行,不对整车进行。
- ●ISO 7637标准分别覆盖了电源线的耐受度和信号线的耐受度,电源线通过直接注入法测量,信号线通过电容性耦合注入法测量,电源线的测试和许多商用传导耐受度测试相比要严酷的多。
- ●ISO 7637分两大类:(1)Voltage transient emission test电压瞬时辐射;(2)Transient immunity test瞬时耐受。
- ●ISO 7637波形在旧版有pulse 1~7,新版去除pulse 6、7。
- ●输欧无线及通信产品在车辆的零组件检测要求一ISO7637检测(RTTE // EN301489-1 GSM、GPS、遥控器等无线相关外围设备)。EN301489-1 :1.5.1版目前仍采用旧版ISO7637-1/-2规范。EN301489-1:1.6.1版目前采用新版ISO7637-2(2004)规范测试方法依据ISO 7636-2,测试波形pulses 1, 2a, 2b, 3a, 3b, and 4,测试位准III,pulses 1, 2a, 2b and 4每个波形执行10 times each pulses,3a and 3b每个波形执行20 minutes。
- ●性能判断:对发信机脉冲3a和3b,采用发射机在连续骚扰(CT)下所述的性能判断(参考EN301489-1/CT),试验时或后,应建立并保持通信连接。对脉冲1、2a、2b、3a、3b和4采用发射机在瞬态骚扰(TT)下所述的性能判断,在试验过程中,通信连接不需维持,但在试验后需可重新建立。对于接收机或作为收发信机一部份的接收机:脉冲3a和3b应采用接收机在连续骚扰(CR)下所述的性能判断,试验时或后,应建立并保持通信连接。对脉冲1、2a、2b、3a、3b和4应采用发射机在瞬态骚扰(TT)所述的性能判断,在试验过程中,通信连接不需维持,但在试验后可重新建立。辅助配件单独试验,依据制造商功能规格描述,判断试验时或后是否衰退,不进行音频测试。
静电放电耐受度测试
汽车静电放电耐受度测试,主要国际标准ISO 10605已被各地广泛采用。相关要点如下:
- ●在美国使用的标准为SAE J551-15和J1113/13,SAE的标准似乎是从ISO 10605中演化,两个标准在本质上几乎一样。
- ●ESA和整车的静电放电测试是相似的,但对整车的放电等级和比单独的ESA要高。
- ●汽车静电放电测试使用的人体模型和商用标准不同
- ●ESA测试包括加电和非加电测试
- ●整车测试:只进行空气放电测试,车内测试的上限为±15kV,车外测试的上限为±25kV。
汽车可靠度试验
汽车电子涵括机电系统、数字控制、导航系统、无线通信;例如:GPS、影像传感器、各项微控制感测组件与芯片、LED照明等多项电子科技产品,因此,电子零件已是车体中的多数零组件,但主要的挑战是如何在汽车的生命周期中,提供可靠的服务。
在MIL-HDBK-338B说明了可靠度的定义:于特定条件下,产品于规定的时间内,能够执行其规定功能的机率。
透过环境试验,在试验室中仿真制造出产品实际使用环境条件或相同效应,并将产品置于其中,测试产品对环境之抵抗耐受能力。由MIL-HDBK-338B可靠度的定义,环境试验不是可靠度试验或寿命试验,所以从可靠度试验的角度来看,试验不只要知道如何试验,更要能明白试验条件与产品失效之关联,以便在新产品开发时,规划一个有效可执行之试验。
表五 环境条件与产品失效之关联
环境条件
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主要影向
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故障的表现
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高温 |
老化、气化、龟裂、软化、溶融、膨胀蒸发等。 |
绝缘不良,机械的故障, 机械的应力增加等。 |
低温 |
脆化、结冰、收缩凝固,机械强度降低等。 |
绝缘不良,龟裂机械故障,密封故障等。 |
高相对湿度 |
腐蚀、电解、绝缘物之绝缘效果变差等。 |
绝缘不良等。 |
低相对湿度 |
脱水、脆化、缩小机械强度降低等。 |
龟裂,机械故障。 |
低气压 |
膨胀,空气的电绝缘劣化,产生电晕及臭氧,冷却效果低等。 |
机械故障,密封故障,过热等。 |
腐蚀空气 |
腐蚀、电解,表面劣化,导电性增加,接触电阻增加。 |
磨损增加电气故障,机械故障等。 |
温度急速变化 |
温度冲击局部过热等。 |
龟裂变形,机械故障等。 |
加速振动碰损或冲击 |
机械的应力疲劳共振等。 |
机械故障可动部分磨损增加构造的破损等。 |
因此,一般车厂会将车体环境分为:车外、车内、引擎室、行李室、底盘等区域,而有不同条件之对应环境试验,但试验项目主要可归类为:Drop test、Thermal shock、Random Vibration、Shaker Table Vibration、Temperature cycle、Humidity、Mechanical fit、Destructive Physical Analysis、Electrostatic Discharge、Mechanical durability Strain Relief、Pull Test、Impact、Dust、Desense、Vehicle Transients、Life Cycle、AC Line Transients、Short Circuit、Temperature Extremes、Thermal Profile、Conducted Emissions、Sine vibration、Aesthetics & Structural Integrity、Dewing test、spraying water test、hot water jet test、sinusoidal and random vibration are applied simultaneously、immersion test、dust test等试验。
目前可参考的车用电子环境可靠度测试规范举例如下:
- ●美国:SAE J1211(1978-11-01)──Recommended Environmental Practices for Electronic
- *
- * Equipment Design
- * SAE J1213/2(1988-10-30)──Glossary of Reliability Terminology
- *
- * Associated With Automotive Electronics
- * SAE J1879(1988-10-01)──General Qualification and Production Acceptance Criteria for Integrated Circuits in Automotive Applications
- SAE J1938(1998-05-01)──Design/Process Checklist for Vehicle Electronic Systems
- ●日本:JASO D001自动车用电子机器环境试验方法通则;
- ●台湾:CNS9589汽车用电子设备环境试验通则
- ●国际标准:ISO 16750 Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment
对于汽车的严苛作业环境、有限的车体容积、高安全性的要求,建议可以用HALT(Highly Accelerated Life Test)试验方法先找出系统中最弱链,然后进行改善作为,应可以提升产品可靠度需求,因为HALT试验跳脱传统可靠度试验之环境条件仿真(simulation)思考模式,讲求产品潜在缺陷之激发(Stimulation),以更严酷之条件找出产品之缺点、然后反复加以改善,可找出的失效模式有:Intermittent component、Degraded component、Broken lead、Circuit design issue等。
试验步骤如下:
《图六 Combine temperature & vibration stress test》 |
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结语
Combine temperature & vibration stress test
展望未来,车用电子正逐渐成为IT产业另一颗被寄予厚望的明日之星,是台湾信息电子产业最有机会创造辉煌产值的下一个舞台,将成为台湾IT产业另一块待耕耘的良田。(作者任职于财团法人台湾电子检验中心ETC)
[2] D.A. Smolyansky, Time Domain Network Analysis:Getting S-parameters from TDR/T Measurements - Infiniband PlugFest, 2004> |
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