ECU的车规级试验：DV试验（三：电气负荷标准及测试）

此试验是为了模拟蓄电池逐渐放电和充电时的电压变化。按照GB/T 28046.2-2019的规定，试验时对DUT有效输入端同时进行下列试验：以(0.5±0.1)V/min 的线性变化率或以不大于25 mV的步长，将供电电压由降到0V，然后从0V升到。

在试验过程中，DUT的功能状态等级至少应达到D级，必要时可要求达到更严酷的C级。

供电电压缓降和缓升测试Setup及测试波形如下图所示：

供电电压缓降和缓升测试（来源：孚乔图、CVC威凯）

关于蓄电池充放电特性及蓄电池电压，具体可参考作者新书《广义车规级》4.2.1小节及4.3章节内容。

此试验是为了模拟其他电路内的常规熔断器熔断时引起的电压瞬时下降，按照GB/T 28046.2-2019的规定，测试电压波形如下图所示。   

瞬时电压下降波形（来源：左成钢《广义车规级》）

对电压瞬降的具体规定取决于OEM，标准规定的参数可以汇总如下表所示。对于12V系统，标准要求的最低瞬降电压为4.5V，时间为100ms。

ISO 16750-2:2012对电压瞬降的规定（来源：左成钢《广义车规级》）

在试验过程中，DUT的功能状态至少应达到B级，是否允许复位可根据客户要求。

供电电压瞬时下降测试Setup及测试波形如下图所示：

供电电压瞬时下降测试（来源：孚乔图、CVC威凯）

负载的供电电压瞬时下降对负载的正常功能可能造成严重影响，这部分内容在作者新书《广义车规级》4.4.5小节有详细描述。在此顺便介绍下负载电压瞬降的一些基本知识。   

负载或用电器的电压瞬降通常由两个原因导致，一是熔断器后级对地短路，二是大功率负载启动，两者的原理其实是一致的。如下图所示，负载1和负载2从发动机舱接线盒取电，负载1为大功率，负载2则功率较小，如果负载1启动或者发生对地短路，巨大的冲击电流会导致负载2的电压瞬时被拉低，这个拉低的幅度取决于负载1对地短路电流的峰值及持续时间。

负载电压瞬降（来源：左成钢《广义车规级》）

另外，随着目前搭载智驾功能的车辆越来越多，电源电压瞬降对智驾车辆产生的影响将远大于传统车型。在电源故障的这段时间内，如果车辆刚好处于自动驾驶状态下，那么自动驾驶车辆的一些关键功能必须保持激活状态，比如雷达、摄像头、其他传感器、自动驾驶控制单元、刹车控制、转向控制等，但实际上这些设备及功能是无法接受如此长时间的电源故障的。   

车速、行驶距离与延时的关系（来源：左成钢）

通过上表我们可以看到，如果车辆正在高速巡航自动驾驶状态，某个功能即使短暂失效100ms，也就是0.1秒，车辆已经继续向前行驶了3.3米，是不是细思极恐？！所以ISO标准ISO 16750-2就专门针对保险丝的这种保护特性，在标准中提出了要求，要求12V系统车辆的ECU能够承受100ms的电源电压间歇性跌落，跌落到4.5V，在试验过程中功能还能达到B级（B级：试验中装置/系统所有功能满足设计要求，但允许有一个或多个超出规定允差。试验后所有功能应自动恢复到规定限值。存储器功能应符合A级）。而乘用车正常启动后的电压通常在14V左右，车载设备正常工作电压范围是9V-16V，一般低于9V，设备就不能正常工作了，即使ECU不发生重启，此时也基本处于功能受限状态，执行机构也不能正常工作。

关于自动驾驶车辆的电源设计，可以参考笔者在AES的另一篇文章《智能驾驶供电冗余设计详解》。也可以参考笔者22年发表在九章智驾的一篇文章《干掉保险丝和继电器，自动驾驶才能更安全》。 

 #08复位特性

此试验是为了检验DUT在不同的电压骤降下的复位性能。该试验适用于具有复位功能的设备(例如装有一个或多个MCU的设备)。按照GB/T 28046.2-2019的规定，测试时按下图对DUT有效输入端同时施加试验脉冲电压，检查DUT的复位性能。

复位试验供电电压（来源：左成钢《广义车规级》）

图中，供电电压以5%步长从最低电压降到，保持5s后再上升到，至少保持10s，并进行功能试验。然后将电压降低到等等。按图5-7以的5%梯度继续进行直到降到0V，然后再将电压升到。在试验过程中，DUT的功能状态应达到C级。

复位特性测试Setup及测试波形如下图所示： 

复位特性测试（来源：孚乔图、CVC威凯）

此试验的目的是为了检验DUT在车辆启动时的性能。依据GB/T 28046.2-2019标准，按下图及下表给出的特性参数，将电压施加到DUT的有效输入端，共进行10次，每个循环之间间隔1s～2s。

启动电压曲线（来源：左成钢《广义车规级》）

启动电压系统参数及等级如下表所示：   

启动电压系统参数及等级（来源：左成钢《广义车规级》）

在车辆启动期间工作的有关DUT的功能状态应达到A级，其他功能按上表确定。

启动特性测试Setup及测试波形如下图所示：

启动特性测试（来源：孚乔图、CVC威凯）

车辆的启动波形也就是通常所说的starting profile，这部分内容在作者新书4.3.1蓄电池低电压部分也有描述。对传统燃油车来讲。发动机启动过程中带来的蓄电池的瞬态低电压及电压抖动会影响某些对低电压状态较敏感的设备及电子器件，比如瞬态低电压会导致智能高边芯片自动进入欠压关断状态，也可能导致MCU欠压复位。

为了尽量降低发动机启动对系统电压的影响，设计中通常采用三种方式：

此试验的目的是为了检验DUT在车辆发生抛负载时的抗干扰性能。按照GB/T 28046.2-2019的规定，抛负载波形模拟了发生抛负载现象时产生的瞬态，即在断开电池的同时，交流发电机正在产生充电电流，而其电路上仍有其他负载时产生的瞬态。

在抛负载过程中，DUT的功能状态等级应达到C级。

根据现行标准，抛负载脉冲试验被放在了ISO 16750-2:2012（国标是GB/T 21437.2-2021）中，5a变成了试验脉冲A(Pluse A)-无集中抛负载抑制，5b变成了试验脉冲B(Pluse B)-具有集中抛负载抑制。

抛负载测试Setup及测试波形如下图所示：

抛负载测试（来源：孚乔图、CVC威凯）

抛负载这个词不能顾名思义，这个抛的负载实际上是蓄电池，而非一个用电器。抛负载是指发电机正在发电，且在为蓄电池进行充电，并同时为系统进行供电时，蓄电池的接线柱突然断开连接的一种现象。蓄电池实际上是一个大电容，这个电容可以稳定系统的电压，如果这个大电容突然断开，就会带来类似于系统的感性负载突然增大的效果。同样的道理，如果系统突然有一个大电流的感性负载进行切换，也会产生抛负载。  

如下图所示，一旦蓄电池断开连接，系统就会变的不稳定，电压就会快速升高，直到发电机整流器的低边管子发生雪崩击穿，将电压限制在，过电压和时间的规定具体取决于OEM。

电气系统抛负载的原理（来源：左成钢《广义车规级》）

关于抛负载的成因、抛负载波形的特性及对系统的影响，在作者新书4.3.2小节有详细描述。

对于抛负载测试，设计中的应对方法通常是在电源端加入一个TVS来进行抑制，如下图所示即为采用不同TVS设计时的测试波形，从波形来看，波峰已经被削掉的很平了。   

12V系统采用TVS进行集中抛负载抑制的测试波形（来源：Vishay）

24V系统的测试波形如下图所示，可见和实际DV测试的波形是一致的。 

24V系统采用TVS进行集中抛负载抑制的测试波形（来源：Vishay）

需要顺便提一下的是，随着车辆电气技术的发展，尤其是发电机技术的发展，整车电气环境也越来越稳定了（这一点有点类似于现在的国家电网和我们小时候家里的电网，电视机还需要加调压器（暴露年龄了）），乘用车行业在10年前就已经基本不太要求抛负载5a（也就是脉冲A）测试了，这个趋势是从外资OEM逐步到合资OEM再到国内OEM，目前乘用车行业已基本没有5a了，但是在商用车行业5a还是一个非常普遍的要求。

在这里也能看到一种技术或者说行业测试标准的发展趋势（毕竟5a都从ISO 7637调到了ISO 16750了，具体标准变化会在后续EMC测试标准介绍中详述）。以前趋势是由外资OEM引领的，因为他们历史悠久，对标准理解和应用的研究也更深入，知其然且知其所以然，所以Tier 1在和他们进行DVP谈判时，有很大的讨论空间，而国内的OEM则普遍不接受谈判和让步，标准提的非常之高，问就是这是规定，底层原因其实就是因为不懂，不知道是否可以让步？是否可以不做？有哪些风险？既然都不清楚，那干脆把标准提到最高总没有错吧。   

不过相信随着新能源及自动驾驶技术的发展，随着国内OEM的崛起，对标准的理解和运用也能领先于行业，而非像以前那样，一味地抱着标准，提高标准，且不容讨论。

此试验的目的是为了模拟车辆辅助启动/跳线启动时对蓄电池的反向连接。根据GB/T 28046.2-2019的规定，测试电压及时间按下表进行。

反向电压试验参数（来源：左成钢《广义车规级》）

恢复正常连接后，DUT的功能状态应达到A级。

实际上在车辆的正常使用过程中，车载电子电气件是不会承受反压的，导致出现反压的情况，除了标准所讲的跳线启动时接错线以外，车辆在维修时，蓄电池也有一定的可能性接错电源线，这个场景实际上和跳线启动是类似的。

当然，对于专业维修人员来讲这种概率很低，而对于普通用户可就不好说了。感谢中国制造让车辆应急启动电源价格低到了可以随车常备，但这也大幅提高了普通用户犯错的概率。你一定无法想象，某天你的车显示蓄电池亏电无法启动，你跳线启动时一不小心接错线，然后BMS烧了，导致动力电池包需要维修。所以，感谢这个测试标准吧，为了防止接错线时导致ECU等控制器损坏，标准特别规定了DUT必须能够承受1分钟的反压而不发生损坏。目前普通家用轿车的ECU数量可达50个以上，如果没有这个要求，一旦接错线，损失可就太大了，尤其是对于新能源车辆来讲，因为三电部分的控制器（包括VCU及BMS）供电电压也是低压的12V/24V。   

车辆应急启动电源（来源：淘宝）

这里再顺便提一下，绝大多数采用直流电压供电的设备都是不支持电源反接的，比如你常用的手机，一旦电源接反，轻则烧保险，重则直接损坏，而车载ECU能承受反压则是一个基本要求。

此试验的目的是为了检验在DUT存在两条或多条供电线路时组件的可靠性，比如对电源接地与信号接地的参考点不一致的组件就需要进行此试验。根据GB/T 28046.2-2019的规定，所有DUT的偏移电压被定义为（1±0.1）V。试验过程中DUT的功能状态应达到A级。

这里顺便提一下，按照ISO 11898-3-2006(道路车辆,控制器局域网络（Controller Area Network，CAN），第3部分：容错CAN) 标准，这个电压则被定义为±1.5V。

关于地漂移的成因及对系统的影响，具体可参考作者新书《广义车规级》4.1.3小节内容。在此仅简单介绍一下车辆电气系统中负极搭铁的一些基础知识。

对于负极搭铁的电气系统，蓄电池负极作为电源的初始零电位，在负极搭铁后，从整车电气系统来讲，整车搭铁（车身钣金、底盘或者发动机零部件等）是互相导通的，都可以看做是电源的“地”，也就是电气原理图中的GND。如图4-6所示，左图为蓄电池搭铁设计，右图为车身位置的搭铁设计，可见一个搭铁点通常有多根电线接入，共用一个搭铁点，以降低成本。   

蓄电池搭铁及车身搭铁（来源：左成钢《广义车规级》）

具体的偏移电压及测试方法可能根据不同的OEM要求会有所不同，例如根据福特的FMC1278试验标准，地漂移被放到了抗干扰测试中去，测试项目的编号为CI 250。标准要求地漂的电压为正弦波，频率范围从2kHz到100kHz，电压脉冲的幅值最高可达±5V。CI 250标准如图5-9所示（原标准为英文，为便于理解，图中的内容经过了翻译）。  

福特CI 250试验标准要求-部分（来源：左成钢《广义车规级》）

地漂移电压对用电设备的工作本身是没有影响及危害的，毕竟车辆的电压本来就是随车辆的运行工况而不断波动的。但是这个电压对于开关信号检测、传感器应用及车载通信来讲却会带来一些麻烦，尤其是采用模拟信号的传感器应用。

以下图为例，三个搭铁点与蓄电池负极均存在压差，ECU1的参考地为G1，ECU2的参考地为G2。如果ECU1去检测一个接在G2搭铁点的开关信号，在开关闭合时，ECU1检测到的电压通常并不是0V，比如可能是1V，这1V的电压就可能会导致ECU1判断错误，所以在设计信号检测电路时就必须考虑这个地漂电压的影响。对于乘用车12V系统来讲，最低电压通常被认为是9V，如果这时候再叠加地漂的影响，对电路设计及软件检测就提出了一定的要求。   

多点搭铁带来的地漂移（来源：左成钢《广义车规级》）

#13开路特性

开路测试分为单线断开和多线断开两种，此试验的目的是为了检验DUT在一条或多条线路突然断路情况下的性能。根据GB/T 28046.2-2019的规定，断开时间为（10±1）s，开路阻抗大于等于10MΩ。

测试方法是断开DUT系统接口的一条或多条电路，然后恢复连接，观察DUT在断路期间和断路后的状态。试验需要对系统接口的每条电路分别重复进行测试，如果是有多个连接器的DUT，应对每一种可能的连接分别进行测试。试验过程中DUT的功能状态应达到C级。   

此试验的目的是为了检验DUT在输入或输出端发生短路时的性能。按照GB/T 28046.2-2019的规定，DUT的所有有效输入和输出端应分别依次连接到系统最高电压及地，信号线持续时间为（60±6）s，负载电路持续时间根据客户要求，其他输入和输出端保持开路或根据客户要求。

试验要求：

1) 所有信号线功能等级达到C级。

2) 所有电子保护输出端应确保能承受短路电流且在切断短路电流后能恢复到正常工作(最低达到C级)。

3) 所有常规熔断器保护输出端应能承受短路电流且在熔断器替换后能恢复到正常工作(最低达到D级)。

4) 如果 DUT 材料能满足UL 94的可燃性试验,所有无保护输出端可以被试验电流烧坏(功能状态为 E级)。

在这里顺便提一下要求2中的电子保护输出端，也就是通常我们所说的电子保险eFuse（实际上目前车载应用最多的是HSD高边驱动芯片），等级是达到C级，也就是试验后自动恢复到正常运次，而常规熔断器（也就是通常所说的保险丝）要求是D级，也就是试验后要进行操作才能重新激活。

GB/T 28046.2-2019对短路特性测试的具体测试方法和Setup并没有详细规定，对于传统保险的短路测试其实比较简单，也容易理解，但是电子保险eFuse的短路测试实际上是需要满足一些特定的测试要求的，这方面可以参考：AEC-Q100-012 Rev-12V系统智能功率设备的短路可靠性描述，其中对智能功率设备的短路测试有明确规定，如下图所示（下图为HSD高边，标准中对LSD低边也有规定）： 

AEC-Q100-012 Rev-中对HSD短路测试的描述（来源：AEC-Q100-012 Rev-）

同时，AEC-Q100-012 Rev-对短路测试的特性阻抗参数也有详细的规定，如下表所示：

AEC-Q100-012 Rev-中对HSD短路特性阻抗定义（来源：AEC-Q100-012 Rev-）

此试验的目的是为了检验DUT中电介质的绝缘耐压能力。按照GB/T 28046.2-2019的规定，此试验仅对含有电感元件(例如,继电器、电机、线圈)或连接到电感负载电路的系统/组件有要求。此试验可能对大部分电子零部件产品并不适用，具体可根据客户试验要求或双方协商。

具体试验方法为：在DUT进行过湿热循环试验后，将系统/组件在室温中放置 0.5 h，按要求对 DUT施加正弦电压 500 V(有效值)(50 Hz～60 Hz)持续60s，要求DUT的功能状态应达到 C级，试验时不得出现击穿和闪络。   

测试项包括：

此试验的目的是为了检验DUT系统和材料的绝缘特性。按照GB/T 28046.2-2019的规定，此试验的测试方法同耐电压试验。

绝缘电阻测试仪如下图所示：

绝缘电阻测试仪（来源：CVC威凯）

需要注意的是，GB/T 28046.2-2019并未规定此试验的适用范围，此试验从原理上来讲并不适用于大多数电子零部件（因为各端子间并不绝缘也无必要绝缘），但对于新能源车辆如三电系统涉及高压的控制器就需要考虑DUT的绝缘特性，所以具体需根据客户试验要求或双方协商。

限于篇幅，本文初步介绍了ECU的电气负荷标准及测试，包括测试项目、标准要求、测试方法等，并同步介绍了为什么标准这么规定？深层次的考量是什么？还顺便介绍一些车载电气、电磁环境的基础知识等，关于机械、气候、化学的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。