俞 京, 徐茂生, 路 兵
(奇瑞汽車股份有限公司動力總成技術中心, 安徽 蕪湖 241006)
隨著汽車電氣化、智能化技術不斷發展,汽車上用電執行器的驅動需求不斷增加,部分驅動模塊由ECU內置演變為用電執行器自帶,點火線圈的驅動模塊也是如此,自帶驅動模塊的點火線圈逐漸成為市場主流。
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 模塊是點火線圈常用的驅動。由于點火線圈的高點火頻率、高點火電壓的工作特性,IGBT的工作環境惡劣。為保障IGBT的可靠工作,為IGBT開發過流保護措施等已成為行業普遍共識[1]。
點火線圈工作在復雜的電磁環境中,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之外,從線圈應用的角度考慮也應關注邊界環境的影響。本文通過一例1.6L增壓發動機點火線圈失效開展分析,并闡述此觀點。
某1.6L增壓發動機在臺架試驗過程中,發動機運行一段時間后發現有失火現象。通過燃燒分析儀確認某單缸失火,再檢查點火系統發現該單缸點火線圈表面有裂紋,更換點火線圈后發動機恢復正常。
點火線圈故障件經性能檢測發現無輸出,確認點火線圈已損壞。拆解發現線圈繞組有燒蝕現象、線圈殼體表面有裂紋,分析故障原因為線圈繞組過載。
進一步拆解IGBT模塊,發現模塊也有過載燒蝕現象,內部錫膏融化。如圖1所示。
圖1 點火模塊燒蝕
通過線圈的故障件分析,其原因指向為線圈繞組和IGBT模塊過載,未見其他異常。經系統分析,同時導致線圈繞組和IGBT模塊失效的主要排查方向確認為輸入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。
核查ECU設定的點火充電時間MAP,經確認滿足點火線圈設計要求;通過電流探頭檢測點火線圈初級實際充電電流及充電時間,未見異常。
點火線圈IGBT在實際工作的條件下發熱量較多,需驗證IGBT在設計要求的極限工況下是否會造成過載失效,通過設定專項試驗來驗證,試驗詳情如下:①試驗對象:點火線圈樣品8只;②工作頻率:50Hz (相當于發動機轉速6000r/min);③充電時間:4ms、6ms、8ms、10ms、12ms、14ms;④供電電壓:12V、13V、14V、15V;⑤單次試驗持續時間:2min;⑥試驗矩陣見表1;⑦溫度監控:試驗過程中,用紅外熱像儀實時監控點火線圈頭部溫度,試驗結果見表2。
表1 試驗矩陣
表2 試驗結果
試驗結果表明,IGBT模塊可以滿足點火線圈的充電時間需求,且有較大安全余量。
經驗證,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;但線圈確實存在過載現象,后續的排查方向重點鎖定為IGBT模塊的輸入信號,排查方式為實時數據監控。
在發動機臺架上,用示波器監控故障缸ECU輸入信號和點火線圈的初級電流,運行一段時間后,發現波形異常,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,會導致IGBT模塊誤開啟。
與此同時,發動機臺架出現失火現象,停機檢查該缸點火線圈,發現線圈已經損壞。
至此可以確認,導致點火線圈和IGBT模塊過載失效的原因是來自于ECU信號的異常干擾,干擾信號導致IGBT模塊誤開啟,從而導致模塊及線圈過載失效。
圖2 異常波形
針對ECU信號干擾的影響因素展開分析,發動機臺架線束安裝邊界和整車有一定區別,因此重點排查線束連接的差異區域,并對臺架線束安裝布置做了進一步規范。主要包括:線束長度、線束阻值、線束連接點、線束固定點等方面。線束連接狀態優化后,重新更換點火線圈,后續發動機臺架試驗順利完成。監測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
1) 在本故障案例中,臺架線束連接不良導致ECU驅動信號出現干擾,IGBT點火模塊因干擾信號誤開啟導致過載,同時燒蝕線圈繞組。
2) 線束連接狀態會影響IGBT驅動信號傳輸的準確性。臺架試驗過程中需要對線束長度、阻值、連接方式及固定方式等進行規范定義,可以降低IGBT過載失效風險。