俞 京， 徐茂生， 路 兵

（奇瑞汽車股份有限公司動力總成技術(shù)中心， 安徽 蕪湖 241006）

1 引言

隨著汽車電氣化、智能化技術(shù)不斷發(fā)展，汽車上用電執(zhí)行器的驅(qū)動需求不斷增加，部分驅(qū)動模塊由ECU內(nèi)置演變?yōu)橛秒妶?zhí)行器自帶，點(diǎn)火線圈的驅(qū)動模塊也是如此，自帶驅(qū)動模塊的點(diǎn)火線圈逐漸成為市場主流。

IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor） 模塊是點(diǎn)火線圈常用的驅(qū)動。由于點(diǎn)火線圈的高點(diǎn)火頻率、高點(diǎn)火電壓的工作特性，IGBT的工作環(huán)境惡劣。為保障IGBT的可靠工作，為IGBT開發(fā)過流保護(hù)措施等已成為行業(yè)普遍共識［1］。

點(diǎn)火線圈工作在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，其本身也是整車上重要的EMC騷擾源，除了線圈IGBT模塊自身需要做保護(hù)之外，從線圈應(yīng)用的角度考慮也應(yīng)關(guān)注邊界環(huán)境的影響。本文通過一例1.6L增壓發(fā)動機(jī)點(diǎn)火線圈失效開展分析，并闡述此觀點(diǎn)。

2 問題描述

某1.6L增壓發(fā)動機(jī)在臺架試驗(yàn)過程中，發(fā)動機(jī)運(yùn)行一段時間后發(fā)現(xiàn)有失火現(xiàn)象。通過燃燒分析儀確認(rèn)某單缸失火，再檢查點(diǎn)火系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)該單缸點(diǎn)火線圈表面有裂紋，更換點(diǎn)火線圈后發(fā)動機(jī)恢復(fù)正常。

3 故障件分析

點(diǎn)火線圈故障件經(jīng)性能檢測發(fā)現(xiàn)無輸出，確認(rèn)點(diǎn)火線圈已損壞。拆解發(fā)現(xiàn)線圈繞組有燒蝕現(xiàn)象、線圈殼體表面有裂紋，分析故障原因?yàn)榫€圈繞組過載。

進(jìn)一步拆解IGBT模塊，發(fā)現(xiàn)模塊也有過載燒蝕現(xiàn)象，內(nèi)部錫膏融化。如圖1所示。

圖1 點(diǎn)火模塊燒蝕

4 原因分析及驗(yàn)證

通過線圈的故障件分析，其原因指向?yàn)榫€圈繞組和IGBT模塊過載，未見其他異常。經(jīng)系統(tǒng)分析，同時導(dǎo)致線圈繞組和IGBT模塊失效的主要排查方向確認(rèn)為輸入IGBT的控制信號排查，主要分為：ECU充電時間檢查、IGBT模塊耐受邊界檢查、模塊輸入信號檢查。

4.1 ECU充電時間檢查

核查ECU設(shè)定的點(diǎn)火充電時間MAP，經(jīng)確認(rèn)滿足點(diǎn)火線圈設(shè)計(jì)要求；通過電流探頭檢測點(diǎn)火線圈初級實(shí)際充電電流及充電時間，未見異常。

4.2 IGBT模塊耐受邊界檢查

點(diǎn)火線圈IGBT在實(shí)際工作的條件下發(fā)熱量較多，需驗(yàn)證IGBT在設(shè)計(jì)要求的極限工況下是否會造成過載失效，通過設(shè)定專項(xiàng)試驗(yàn)來驗(yàn)證，試驗(yàn)詳情如下：①試驗(yàn)對象：點(diǎn)火線圈樣品8只；②工作頻率：50Hz （相當(dāng)于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速6000r／min）；③充電時間：4ms、6ms、8ms、10ms、12ms、14ms；④供電電壓：12V、13V、14V、15V；⑤單次試驗(yàn)持續(xù)時間：2min；⑥試驗(yàn)矩陣見表1；⑦溫度監(jiān)控：試驗(yàn)過程中，用紅外熱像儀實(shí)時監(jiān)控點(diǎn)火線圈頭部溫度，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 試驗(yàn)矩陣

表2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，IGBT模塊可以滿足點(diǎn)火線圈的充電時間需求，且有較大安全余量。

4.3 IGBT模塊輸入信號檢查

經(jīng)驗(yàn)證，IGBT模塊滿足線圈使用要求，且ECU充電時間也滿足線圈使用要求；但線圈確實(shí)存在過載現(xiàn)象，后續(xù)的排查方向重點(diǎn)鎖定為IGBT模塊的輸入信號，排查方式為實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控。

在發(fā)動機(jī)臺架上，用示波器監(jiān)控故障缸ECU輸入信號和點(diǎn)火線圈的初級電流，運(yùn)行一段時間后，發(fā)現(xiàn)波形異常，如圖2所示，通過示波器余輝可以看到ECU信號在斷電時刻之后，出現(xiàn)幅值較高的電壓波動，該波動幅值已明顯超過了IGBT模塊的開啟電壓，會導(dǎo)致IGBT模塊誤開啟。

與此同時，發(fā)動機(jī)臺架出現(xiàn)失火現(xiàn)象，停機(jī)檢查該缸點(diǎn)火線圈，發(fā)現(xiàn)線圈已經(jīng)損壞。

至此可以確認(rèn)，導(dǎo)致點(diǎn)火線圈和IGBT模塊過載失效的原因是來自于ECU信號的異常干擾，干擾信號導(dǎo)致IGBT模塊誤開啟，從而導(dǎo)致模塊及線圈過載失效。

圖2 異常波形

5 改進(jìn)方案驗(yàn)證

針對ECU信號干擾的影響因素展開分析，發(fā)動機(jī)臺架線束安裝邊界和整車有一定區(qū)別，因此重點(diǎn)排查線束連接的差異區(qū)域，并對臺架線束安裝布置做了進(jìn)一步規(guī)范。主要包括：線束長度、線束阻值、線束連接點(diǎn)、線束固定點(diǎn)等方面。線束連接狀態(tài)優(yōu)化后，重新更換點(diǎn)火線圈，后續(xù)發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)順利完成。監(jiān)測ECU信號和初級充電電流信號，波形無異常，如圖3所示。

圖3 正常波形

6 結(jié)論

1） 在本故障案例中，臺架線束連接不良導(dǎo)致ECU驅(qū)動信號出現(xiàn)干擾，IGBT點(diǎn)火模塊因干擾信號誤開啟導(dǎo)致過載，同時燒蝕線圈繞組。

2） 線束連接狀態(tài)會影響IGBT驅(qū)動信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。臺架試驗(yàn)過程中需要對線束長度、阻值、連接方式及固定方式等進(jìn)行規(guī)范定義，可以降低IGBT過載失效風(fēng)險。