第2章 汽车电子应用环境

在电子产品随车使用时，汽车的环境条件很大程度上影响着电子产品的功能、性能和寿命。对工程师而言，搞清楚这些条件和边界是第一步，设计过程中考虑这些因素是第二步，最后在模拟这些条件的实验中进行检验是第三步。汽车电子化的程度在逐渐加深，汽车电子工程师的舞台在不断拓展，使得对汽车内部环境知识的了解和掌握有着现实的需求。在本章中，将使读者对汽车电子环境条件建立起一个初步的认识。

作为交通和运输工具的汽车，其内部的电子模块需要在全世界不同气候、环境的地区使用，可以从气候条件、机械条件和电气条件几个方面进行探讨。

1.汽车电子的气候条件

汽车的气候条件包括温度、湿度、水分、灰尘和化学物质等。

1）温度：汽车的使用范围要覆盖全世界的绝大部分国家，因此要满足所有的陆路气候，包括沙漠炎热气候和北极圈寒冷气候。温度有最低温度、最高温度和温度变化3个方面的需求。根据对汽车数据采集和研究得出的结论，车身内最普遍的情况是-40～85℃的温度范围，最低温度都是类似的——自然环境的最低温度。但在汽车上某些区域温度可上升至很高的范围，排气口附近可能达到105℃，发动机附近甚至可达到125℃。

2）湿度：空气的相对湿度一般用来衡量空气中有多少水蒸气。在温度一定的情况下，相对湿度越高，水蒸气含量也越高。对于汽车电子模块来说，它要满足从低于10%到接近100%这个残酷的相对湿度范围，这是由世界上大部分地区的气候所决定的。典型的就是高湿度的热带雨林气候和干燥的沙漠气候。高湿度会迫使水蒸气进入电子模块的部分元器件中，将会导致绝缘损坏、器件腐蚀和材料劣化等不良的情况发生。

3）水分：比湿度更严重的是水分，大多数电子模块对水是非常脆弱的。虽然车辆内部大多数情况是干燥的，但还是要关注某些内部区域。例如，当下雨时或者车子进水时，座椅下方可能会有一定的积水；那些直接暴露的电子模块有可能滴洒上各种液体，如在车内喝水时有小部分水倒在模块上面的情况；安装在汽车车身后方的电子模块，在行李舱打开时容易受潮并沾染水分。另外一种情况特别常见，即冬天气温较低，汽车起动后内部温度升高引起水蒸气在模块表面液化，形成的水珠也会对模块造成潜在的威胁。

4）灰尘：车辆行驶在比较差的道路上会引起模块的灰尘堆积。灰尘会影响某些执行器件，如开关、继电器和连接器等的正常工作。

5）化学物质：在清洗和维修汽车时，往往会在汽车中残留一部分化学物质，这会引起电子模块的腐蚀。在沿海地区，空气中的水分含盐度很高，也会对电子模块造成非常大的影响。这些都是需要关注和了解的。

2.汽车电子的机械条件

汽车机械方面的考虑主要是振动和冲击，这两种情况会对汽车电子模块产生破坏作用，典型的为元器件脱焊脱线、触点接触不良、搭铁不良、元器件断裂等现象。汽车电子模块会经受来自不同方向、不同频率的振动和冲击，这与它的安装位置有关。

1）机械振动：车辆行驶或者发动机运行时，模块总是处在振动状态中。发动机运行时仅是轻微振动，而车辆行驶时，轮胎和道路会让电子模块处在较大的振动状态中。

2）机械冲击：在汽车发生意外事故时，机械冲击可以达到非常高的强度水平。在汽车下线、汽车运输和汽车碰撞等过程中电子模块都要经受很大的机械冲击。

3.汽车电子的电气条件

汽车的电气条件包括电池电压和地偏移、浪涌电压、无线电磁波干扰等。

1）电池电压和地偏移：在汽车起动时，电池电压可能会低于12V，甚至最低时为6～7V。充电系统存在很大的负载或出现故障时，电池电压将会超过18V。因此，汽车电子模块需要经受一个很宽的电压范围。汽车上不同的地回路接点，各自之间也会存在一定的电压差，这是地线回流引起的，也被称为地偏移。一个电子模块输入/输出信号较多时，由于不同信号的电线分布在不同的接地点上，因此需要慎重考虑信号的地偏移。

2）浪涌电压：电压尖峰主要是由于打开或关闭负载引起的，可能是电子模块本身控制的负载，也可能是其他模块控制但是在同一个电源线上的负载，也有可能是别的电源线上的负载。大电流负载的导通与断开，会在电源线上引起电源电压和地线的波动干扰。特别需要注意发电机“抛负载”的情况，它表征在发电机上的大部分负载断开时，发电机并没有停止工作而是继续运行，这时在电源线上就会产生一个很大的干扰电压。

3）无线电磁波干扰：汽车内部有很多噪声源，如刮水器电动机、燃油泵、点火线圈、空调起动器、交流发电机线缆连接的间歇切断、车窗电动机等；随着无线电子设备的普及，如手机、GPS和其他消费类电子设备等，汽车电子模块需要经受很宽的频带干扰。汽车电子零部件的电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）情况较为复杂，不过基本可以分为辐射骚扰、传导骚扰、辐射骚扰抗扰度、传导骚扰抗扰度、静电放电5个方面。这部分规范复杂，并且随着电子产品的发展更新较快，不同的产品差异也较大。

由于前辈工程师们的努力，使得以上介绍的这些内容比较完整地记录在测试标准中，这些标准是对环境条件的抽象和模拟。国际标准化组织将其定义为ISO 16750—2018《道路车辆 电气和电子设备的环境条件和试验》，这是基于世界上的整车OEM企业自身测试标准的妥协结果。这些标准是通过对汽车进行实验和积累，获取数据并进行分析得出的，用来描述电子模块在其寿命周期内使用时预期要承受的真实环境，包括全世界的温度、湿度和降水等气候条件，也考虑了各地的污染和海拔等影响。制定这些标准，可以使零部件企业按照标准规定的条件去设计模块，并根据这些条件对产品进行检验，一般而言，整车OEM的标准比ISO标准更为严格。零部件企业在开始设计之前，一定要确认产品所需要的实验标准。

在检验过程中，根据标准对模块的功能状态划分情况进行实验等级分类，一般可分为5个等级。

A级：在规定的条件下和返回正常的条件后，模块所有功能满足设计要求。

B级：在规定的条件下，模块所有功能满足设计要求，允许有一个或多个超出规定允差；返回正常的条件后，所有功能自动恢复到规定限值。存储器功能应符合A级。

C级：在规定的条件下，模块一个或多个功能不满足设计要求；返回正常的条件后，所有功能自动恢复到规定运行状态。

D级：在规定的条件下，模块一个或多个功能不满足设计要求；且返回正常的条件后，不能自动恢复到规定运行状态，需要对模块进行简单操作重新激活。

E级：在规定的条件下，模块一个或多个功能不满足设计要求；且返回正常的条件后，不能自动恢复到规定运行状态，需要对模块进行修理或更换。

这些等级使得不同模块在同一种条件下表现的性能并不相同，这与汽车中不同模块的安全等级的分类基本一致。