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車用電子零組件認證和檢測環境
 

【作者: 林宗清、彭心旭】   2005年09月05日 星期一

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近來從報章雜誌得知政府為提高國家競爭力,95年度科技預算大增19.7%,經濟部決定積極向國內外研發中心招手,大力投入汽車研發設計,主導性新產品開發、生技產業、數位內容及通訊產業、3G手机機等,進軍國際市場。就汽車產業而言,認証和檢測比其它產業來得複雜和嚴苛,因為不同車系統,有不同的廠規要求,因而增加了購置檢測設備成本及檢測量的規模經濟。本文主要探討,車輛零組件認証環境和檢測規範。


於1972年,歐洲頒布第一個有關於抑制汽車火花點火噪聲的指令72/245/EEC,從九十年代初,在北美,汽車工程師協會(SAE)也制定了相關的標準,而國際標準化組織ISO和CISPR則從1990年開始制定專門關於汽車的電磁相容標準。


歐盟(EU)有一個汽車電磁相容指令,歐盟指令95/94/EC,作為對指令72/245/EEC的補充,其他非歐盟成員國也根據法規ECE10.02採用該指令,結果就造成了現在汽車電磁相容測試標準的複雜性,包括很多不同的標準,一些依據OEM的,一些是國際性的CISPR和ISO,一些則是地域性的,如北美的SAE,還有一些是法律要求95/54/EC指令。


汽車EMC的認証環境:

目前在汽車認証上以歐洲e/E-MARK最具代表性,且新的指令2004/104/EC加入更多國際標準測試項目,如(表三)所示,另外一些是國際性的CISPR/ISO和地域性用的國際整車及元件測試標準,如(表一)、(表二)。


表一 國際整車測試標準

汽車標準

發布日期

應用的地區

測試項目

95/54/EC

1995

歐盟

輻射發射和耐受度

CISPR-12

2001

全球

輻射發射

ISO 10605

2001

全球

靜電放電

ISO 11451

1994-2001

全球

輻射耐受度

SAE J551

多種

北美

多種



歐盟e/E-mark的申請

對於機動車輛及其安全的零配件和系統設計有安全認證的要求,輸歐產品須取得相關歐洲經濟共同體(European Economic Community)或是歐洲經濟委員會(Economic Commission for Europe)的成員國政府交通部門的認證才可進入該市場。整車包括汽車,摩托車。系統包括制動系統、排放、噪音。零組件包括輪胎、燈具、燈泡、後視鏡、安全帶、車用電機電子產品、兒童座椅、安全玻璃、喇叭、煞車片、警示牌等等。要求規範指令,如(表四)所示。


表二 國際元件測試標準

汽車標準

發布日期

應用的地區

測試項目

95/54/EC

1995

歐盟

輻射發射和耐受度

CISPR-25

2002

全球

輻射和傳導發射

ISO 7637

1995-2003

全球

瞬態耐受度

ISO 10605

2001

全球

靜電放電

ISO 11452

1995-2002

全球

輻射耐受度

SAE J551

多種

北美

多種


稍微注意一下會發現,有些產品標大E,有些標小e,是不是有標錯的問題?下面將解釋這個狀況:大E Mark源於歐洲經濟委員會(Economic Commission for Europe;ECE)所頒佈的法規(Regulation),大E Mark標誌認證,涉及產品包含零組件及系統部份,但沒有整車認證的相關法規。ECE為聯合國下屬機構,總部設於日內瓦,其會員國所共同制定的車輛零組件之法規稱為ECE法規。


產品通過相關ECE法規的測試時:得以取得證書;並於產品標示大寫的E,後跟一阿拉伯數字;以圓圈圈起來,阿拉伯數字代表發證國家。ECE目前有41個國家(02/2003)。


小e Mark則源於歐洲經濟共同體(EEC),依照歐盟指令強制成員標示認證標誌,包括機動車整車,安全零組件及系統。產品通過相關歐盟指令(CE Directive)的測試,得以經由成員國政府交通部門核發小e標誌,小e標誌後的阿拉伯數字代表發證國家,外圈用長方形框起來。EEC目前有25個國家。



選擇E或是e?

兩者效力完全ㄧ樣,e Mark 以歐盟為主,但E Mark涵蓋的國家較廣。以測試角度看申請E Mark測試的項目會比較少,相對測試費用較省。而那些汽車電機電子產品可以不用E Mark:非汽車行進中或引擎發動下使用的產品,如汽車打蠟機、打氣機及其相關產品,該類產品以一般CE認證即可。


申請所需時間舉例來說(非絕對),例測試時間約略10個工作天(如LAB /ETC 03-3276171可免監測下估算),申請時間依TUV SUD(02-29993950)為例e/E24送審文件後,證書號碼約於1~2周內先取得。號碼下來後,申請者可先行製作標籤。整個申請到發證約需四~七周。


表四 歐盟指令及法規

ECE Regulation(歐委法規)

ECE-R10

Approval of Vehicles with regard to electromagnetic stability

EC Directive(歐盟指令)

95/54/EC

Adaptation of Directive 72/245/EEC and amendment of Directive 70/156/EEC(OJ:08.11.1995)

72/245/EEC

Radio interference(electromagnetic compatibility)of Directive icles(OJ:06.07.1972)

2004/104/EC

Adaptation of Directive 72/245/EEC and amendment of Directive 70/156/EEC(OJ:13.11.2004)



台灣車用零組件

音響、DVD 必須取得列管單位 BSMI認証,目前檢測規範為CNS13439,檢測項目有電源傳導干擾電壓、輻射干擾場強、天線端干擾電壓檢測。無線產品則必須取得列管單位DGT認証,檢測規範為LP0002,檢測項目有場強輻射;電源線傳導干擾,天線之要求,頻帶寬度之要求,操作方式要求等。


車用零組件檢測環境

《圖一 E/e Mark 標示尺寸說明》
《圖一 E/e Mark 標示尺寸說明》

電磁相容測試環境

汽車的電磁相容測試環境和商用相比有兩個明顯的不同之處,會穿越不同的電磁環境,單元所實現的許多功能其安全性能是至關重要的,汽車電池的負極不是真正的參考地,實際上,在許多測試中,汽車是被看作一個非接地的隔離系統。安裝在整車的ESA是指幾乎所有裝配車輛的電氣或電子設備,如發動機管理單元(BMU)、車身控制模組(BCMS)、加熱、通風和空調系統(HVAC),會經歷兩個系列的電磁相容測試,一是單獨對ESA;二是在車上進行,車上的測試數據是最重要的,因為它反映了未來產品在用戶手中的性能,車子賣出後安裝的ESA很少經過整車的電磁相容測試。


另外,在進行整車或單獨ESA EMC測試時,不升降天線和轉動轉盤,ESA測試和商用常規測試也有顯著區別,ESA在測試時桌上需加裝接地平板,這主要是模擬汽車的車體或是汽車底盤,它們被接在汽車電池的負極,這些電纜在所有測試中都被一個離接地平板50mm的絕緣座支撐,每一種車都有不同長度和配置的電纜,為了便於測試比對,在法規標準測試規定了固定電纜長度。


通常還有一種電子電氣單元扮演汽車模擬器的角色,用來模擬汽車和ESA間的相互作用,如週邊設備應該包括,點火盤、激勵裝置、碰撞傳感器、λ加熱器和速度傳感器,使用在連接口負載應該是一些相對簡單的開關或是繼電器或電阻負載,但是這些汽車模擬器對於每一個ESA都是不同的,所以,每個ESA需要獨特的電纜和輔助設備,且有時需要不同尺寸的電纜來完成測試。


《圖二 Low temperature step stress test》
《圖二 Low temperature step stress test》

輻射發射干擾測試

主要有三個國際標準CISPR-12、CISPR-25和95/54/EC,其相關要點大致如下:


整車部份:

  • ●在任何一個具有15米或更大直徑接地平面的開放式場地OATS,都可以用於整車輻射發射測試。


  • ●CISPR-12中的測試方法需要發動機處於工作模式,如工作於怠速狀態下1500轉/分鐘,但不必要在起伏不平的道路上進行測試。


  • ●輻射發射測試如在3米或10米距離下進行,3米通常是在暗室中,10米在OATS中,另外天線高度分別為3米和1.8米的高度上,天線距汽車左右兩邊汽車發動機的中點於一條線上。


  • ●在30MHz-1GHz作垂直和水平兩個極化上寬頻帶和窄頻帶信號測量。


  • ●CISPR-12與95/54/EC不同在於CISPR-12規定了150kHz-30MHz頻段需要測試,雖然目前還沒有相應的限值要求,兩個標準共用了同樣的測試配置。


  • ●CISPR-12包括了窄頻帶限值不同於95/54/EC,不過兩個標準對於3米處的測量限值都使用了10dB的縮減修正量。95/54/EC中的測試方法和寬頻帶限值是基於並等同於CISPR-12。


  • ●在美國SAE的標準J551-2是基於CISPR-12並且和該標準等效。



《圖三 High temperature step stress test》
《圖三 High temperature step stress test》

ESA部份:

  • ●測試桌的高度在95/54/EC中規定1米高,而規定在CISPR-25中卻是0.9米高。


  • ●測試頻率範圍CISPR-25為150kHz-960MHz其中分為八個不連續段,95/54/EC卻是連續的從30MHz到1GHz,不過標準也規定可以選擇13個點頻來代替全頻段的測試。


  • ●ESA距離連接通過LISN電源和ESA的配線中心點及任何輔助設備的距離為1米,雖然CISPR-25中規定可以使用更長的基座,對於ESA的輻射測試來說,其長度為1.5米。


  • ●於短距離測試ESA,一般測試都在暗室中進行,而不是在開闊場OATS。


  • ●95/54/EC中ESA的限值在範圍和量級上和整車測試都是可相對應的,相反CISPR-25的限值和CISPR-12的整車限值不具有相關性,這兩個標準都具有寬頻帶和窄頻帶的限值。其中CISPR-25把限制值分為五個嚴酷等級、8個頻段,每個頻段內有10種可能的限制值。


  • ●CISPR-12中的測試方法需要發動機處於工作模式,但不必要在起伏不平的道路上進行測試,比如對多氣缸的汽車來說,工作在怠速狀態下1500轉/分鐘。



《圖四 Vibration step stress test》
《圖四 Vibration step stress test》

傳導發射干擾測試

對於傳導發射測試的國際標準主要有二個即CISPR-25和SAEJ1113/41。其相關要點大致如下:


  • ●汽車的電氣供給是一個獨立的系統,它不會和其他在外的系統產生相互作用,因而傳導發射干擾測試只限於ESA的測試而不是整車,其目的是測試車輛系統中ESA的相互作用。


  • ●傳導發射干擾測試需用汽車專用的阻抗穩定網絡(5μH/50Ω),電源電纜(0.2m)及使用一個短的基座,測試頻率150kHz-108MHz範圍上分5段非連續段上進行。


  • ●經由有線連接,需進行電源的正負極測試,對於通過底盤接地的ESA,只測正極即可。


  • ●在信號線上,傳導測試採用電流鉗完成,所有的信號線和控制線當作一根電纜,這個測試採用1.5m長的線束,電流鉗距ESA 0.5m。


  • ●CISPR-25測試位準對ESA規定了五種不同的等級,但幾乎沒有採用何種測試位準的應用導則,實際上是留給設計者本身去決定其產品應該符合何種位準等級。如通常關鍵的安全系統 EMU、ABS等等,採用最高的等級5,其他大都採用等級3或4,如車身控制器和天線設備。



輻射耐受度測試

國際標準主要有ISO 11451、95/54/EC 其相關重點大致如下:


《圖五 Rapid temperature transition test》
《圖五 Rapid temperature transition test》
  • ●95/54/EC為30V/m,大多數OEMs規定為至少100V/m,整車輻射場的輪廓要覆蓋80%的車身。除了自由場法,還有束電流注入法(BCI法/台上法)、TEM小室法、三面板法、帶狀線法。BCI法被大多數設備製造商採用。


  • ●ISO 11451標準包括整車的輻射耐受度測試,ISO 11452系列標準包括了ESA的輻射耐受度測試,歐洲指令95/54/EC包括了整車和ESA的輻射抗擾度的測試。


  • ●輻射耐受度測試要求車輛處在移動狀態,並且運行在穩定的速度下,95/54/EC中規定為50kph,汽車的前後燈和指示器應該打開,正常使用中要用到的設備都應該處於工作狀態,比如車上娛樂設施。


  • ●ISO 11451標準中規定整車測試要旋轉車輛,使車輛以最大面積暴露在輻射場中,不同的是,95/54/EC中規定的是一種靜態的測試方法,通常是天線直接對著車頭方向。


  • ●95/54/EC中規定的頻率範圍是20MHz-1GHz,只比整車和ESA的輻射發射的頻率範圍的低10MHz。ISO 11451中對於整車測試採用自由場和傳輸線法的頻率範圍是0.1MHz~18GHz,BCI法的頻率範圍是1MHz~400MHz。


  • ●對於ESA的輻射耐受度測試相對簡單,可使用帶狀線、TEM小室法、GTEM等,相對可用較低的功效達成較大電場,就可對ESA及其配線產生達200V/m的照射場強。


  • ●對於傳輸線測試,ISO 11452中要求的最大的場強為200V/m,95/54/EC中達75V/m。ISO 11452的頻率範圍較ISO 11451稍寬,頻率範圍從10kHz-18GHz,低頻率範圍由TEM小室法、帶狀線法和三面板法來實現。



傳導耐受度測試

標準ISO 7637是傳導測試的主要的國際標準,相近標準有SAE J1113/11和J1113/12,阻抗穩定網路幾乎和CISPR-25中用於傳導和輻射發射測試的阻抗穩定網路一樣。其相關要點大致如下:


  • ●汽車是一個獨立的系統,整車來說沒有傳導抗擾度的測試,傳導耐受度只對單獨的ESA進行,不對整車進行。


  • ●ISO 7637標準分別覆蓋了電源線的耐受度和信號線的耐受度,電源線通過直接注入法測量,信號線通過電容性耦合注入法測量,電源線的測試和許多商用傳導耐受度測試相比要嚴酷的多。


  • ●ISO 7637分兩大類:(1)Voltage transient emission test電壓暫態輻射;(2)Transient immunity test暫態耐受。


  • ●ISO 7637波形在舊版有pulse 1~7,新版去除pulse 6、7。


  • ●輸歐無線及通信產品在車輛的零組件檢測要求一ISO7637檢測(RTTE // EN301489-1 GSM、GPS、遙控器等無線相關週邊設備)。EN301489-1 :1.5.1版目前仍採用舊版ISO7637-1/-2規範。EN301489-1:1.6.1版目前採用新版ISO7637-2(2004)規範測試方法依據ISO 7636-2,測試波形pulses 1, 2a, 2b, 3a, 3b, and 4,測試位準III,pulses 1, 2a, 2b and 4每個波形執行10 times each pulses,3a and 3b每個波形執行20 minutes。


  • ●性能判斷:對發信機脈衝3a和3b,採用發射機在連續騷擾(CT)下所述的性能判斷(參考EN301489-1/CT),試驗時或後,應建立並保持通信連接。對脈衝1、2a、2b、3a、3b和4採用發射機在瞬態騷擾(TT)下所述的性能判斷,在試驗過程中,通信連接不需維持,但在試驗後需可重新建立。對於接收機或作為收發信機一部份的接收機:脈衝3a和3b應採用接收機在連續騷擾(CR)下所述的性能判斷,試驗時或後,應建立並保持通信連接。對脈衝1、2a、2b、3a、3b和4應採用發射機在瞬態騷擾(TT)所述的性能判斷,在試驗過程中,通信連接不需維持,但在試驗後可重新建立。輔助配件單獨試驗,依據製造商功能規格描述,判斷試驗時或後是否衰退,不進行音頻測試。



靜電放電耐受度測試

汽車靜電放電耐受度測試,主要國際標準ISO 10605已被各地廣泛採用。相關要點如下:


  • ●在美國使用的標準為SAE J551-15和J1113/13,SAE的標準似乎是從ISO 10605中演化,兩個標準在本質上幾乎一樣。


  • ●ESA和整車的靜電放電測試是相似的,但對整車的放電等級和比單獨的ESA要高。


  • ●汽車靜電放電測試使用的人體模型和商用標準不同


  • ●ESA測試包括加電和非加電測試


  • ●整車測試:只進行空氣放電測試,車內測試的上限為±15kV,車外測試的上限為±25kV。



汽車可靠度試驗

汽車電子涵括機電系統、數位控制、導航系統、無線通訊;例如:GPS、影像感測器、各項微控制感測元件與晶片、LED照明等多項電子科技產品,因此,電子零件已是車體中的多數零組件,但主要的挑戰是如何在汽車的生命周期中,提供可靠的服務。


在MIL-HDBK-338B說明了可靠度的定義:於特定條件下,產品於規定的時間內,能夠執行其規定功能的機率。


透過環境試驗,在試驗室中模擬製造出產品實際使用環境條件或相同效應,並將產品置於其中,測試產品對環境之抵抗耐受能力。由MIL-HDBK-338B可靠度的定義,環境試驗不是可靠度試驗或壽命試驗,所以從可靠度試驗的角度來看,試驗不只要知道如何試驗,更要能明白試驗條件與產品失效之關聯,以便在新產品開發時,規劃一個有效可執行之試驗。


表五 環境條件與產品失效之關聯

環境條件

主要影嚮

故障的表現

高溫

老化、氣化、龜裂、軟化、溶融、膨脹蒸發等。

絕緣不良,機械的故障, 機械的應力增加等。

低溫

脆化、結冰、收縮凝固,機械強度降低等。

絕緣不良,龜裂機械故障,密封故障等。

高相對濕度

腐蝕、電解、絕緣物之絕緣效果變差等。

絕緣不良等。

低相對濕度

脫水、脆化、縮小機械強度降低等。

龜裂,機械故障。

低氣壓

膨脹,空氣的電絕緣劣化,產生電暈及臭氧,冷卻效果低等。

機械故障,密封故障,過熱等。

腐蝕空氣

腐蝕、電解,表面劣化,導電性增加,接觸電阻增加。

磨損增加電氣故障,機械故障等。

溫度急速變化

溫度衝擊局部過熱等。

龜裂變形,機械故障等。

加速振動碰損或衝擊

機械的應力疲勞共振等。

機械故障可動部分磨損增加構造的破損等。


因此,一般車廠會將車體環境分為:車外、車內、引擎室、行李室、底盤等區域,而有不同條件之對應環境試驗,但試驗項目主要可歸類為: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等試驗。


目前可參考的車用電子環境可靠度測試規範舉例如下:


  • ●美國: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自動車用電子機器環境試驗方法通則;


  • ●台灣:CNS9589汽車用電子設備環境試驗通則


  • ●國際標準:ISO 16750 Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment



對於汽車的嚴苛作業環境、有限的車體容積、高安全性的要求,建議可以用HALT(Highly Accelerated Life Test)試驗方法先找出系統中最弱鏈,然後進行改善作為,應可以提升產品可靠度需求,因為HALT試驗跳脫傳統可靠度試驗之環境條件模擬(simulation)思考模式,講求產品潛在缺陷之激發(Stimulation),以更嚴酷之條件找出產品之缺點、然後反覆加以改善,可找出的失效模式有:Intermittent component、Degraded component、Broken lead、Circuit design issue等。


試驗步驟如下:


《圖六 Combine temperature & vibration stress test》
《圖六 Combine temperature & vibration stress test》

結語

展望未來,車用電子正逐漸成為IT產業另一顆被寄予厚望的明日之星,是台灣資訊電子產業最有機會創造輝煌產值的下一個舞台,將成為台灣IT產業另一塊待耕耘的良田。(作者任職於財團法人台灣電子檢驗中心ETC)


<參考資料:CISPR12、CISPR25、95/54/EC、ISO7637、ISO11452、SAE J1113、The Complete EMC Guid、TUV SUD DATA、ISO10605、EN301489-1等。>


延 伸 閱 讀
車用產品電磁干擾(EMI)的理念與防治就產品在銷售上及功能上有著相當大的重要性,在銷售上,每個國家都有他所適用的法規,如果沒辦法透過他國所遵行的法規,那在產品的出貨上就會遇到無法進口到該國的困境。相關介紹請見「車用電子產品EMI對策修改案例介紹 」一文。
國內目前在汽車電子部分以行車資訊與影音娛樂部分發展最為熱門,車輛研究測試中心(ARTC)總經理黃隆洲分析,不外乎因我國資訊電子、通訊產業蓬勃發展,業者希望掌握優勢,迅速切入汽車電子市場。你可在「 研發.檢測.驗證加速車輛電子產業國際化」一文中得到進一步的介紹。
於智慧型車輛科技變革的過程中間,明日車輛將具有預知(anticipatory)品質,能提供操作建議並主動支援駕駛,其藉由監看週遭交通條件、便是面臨狀況及所需之駕駛反應,必要時還可強制採取行動。在「明日之車輛安全 」一文為你做了相關的評析。
相關網站

財團法人台灣電子檢驗中心ETC

ARTC財團法人車輛研究測試中心


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