汽车电子硬件设计
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2.1 气候与化学环境

汽车需要经受的环境温度实际上覆盖了所有国家的温度。通过地理学知识可知,全球各地区平均气温是从低纬度向高纬度地区递减,对于设计者来说,不仅需要知道平均温度,更需要知道各个地区的环境温度。通过检索气温统计资料,大致可以将全球各个地区划分成寒冷地区、普通地区、温暖地区和炎热地区,如图2-1所示。

图2-1 温度分布

1)寒冷地区主要集中在北半球高纬度地区,如俄罗斯、加拿大和挪威等国家,冬季寒冷时期最低温度可达到-40℃甚至以下,夏季的温度则可上升至30℃左右。

2)普通地区可覆盖全球大部分地区,主要是亚热带地区,气温范围为-25~35℃,在某些时候受冷热空气影响,也会出现极端气温。

3)温暖地区是人口最密集的地区,也是汽车使用最频繁的地区,一般集中在温带地区,气温范围为-15~40℃,在某些时候受冷热空气影响,也会出现极端气温。

4)炎热地区主要位于热带地区,包括印度、非洲、中东的一些国家和地区,气温在夏季可达到50℃。

实际上,仅仅了解汽车需要面临的气候环境温度范围是不够的。汽车实际上有行驶与存放两种状态,因此探讨汽车的温度范围也是在这两种状态下进行的。

1)低温状态:在汽车不工作时,汽车的温度与周围环境温度是一致的,因此,汽车的低温环境很可能达到最低气温-40℃,这要求汽车的电子模块在低温下存放一定时间后,不影响汽车的发动和行驶中的功能。

2)高温状态:如果汽车存放不当,例如在烈日下暴晒,汽车内部的温度由于阳光对密闭空气的烘烤会比环境温度高许多,因此,汽车内的温度会在最高气温的基础上继续增高。这就要求汽车的电子模块在高温下存放一定时间后,不影响汽车的发动和行驶中的功能。同时汽车在行驶过程中,很多模块都会产生大量的能量损耗,且有相当一大部分会转化成为热能。所以,对于汽车内部的温度分布,需要进一步深入了解与分析。

一般把车体分成4个区域:汽车乘客舱、底盘及外饰、发动机舱、行李舱,如图2-2所示。

图2-2 汽车车体分布

(1)汽车乘客舱

汽车乘客舱是人员活动的主要空间。一般情况下,使用汽车的人员都会在车舱温度较为适宜的情况下发动汽车,因此乘客舱的工作温度大部分都是较低的。但是乘客舱又是受到阳光直射的重灾区,将汽车停放在室外并关闭门窗时,阳光对内部空气的烘烤会在较短时间内将温度升高到使乘客舱不适合人进入。按照阳光的直射情况,将该区域划分为如下3部分:

1)不被阳光直接照射的区域,如仪表盘或其他密闭空间:总体来说划分为Ⅰ类区域,不过对于表面容易受阳光照射升温的部分需要调高暴露测试的温度至95℃,其他的区域按照表2-1的要求进行测试。

2)汽车驾驶舱中其他受阳光照射的区域:由于安装的原因,水平和倾斜的表面在正午受到阳光直射时的最高温度分别可达到105℃和115℃,在其他时间段也可以达到95℃。该区域同样按照表2-1内Ⅰ类区域进行测试。

3)车门内部:车门内部也可分为上半部分和下半部分,上半部分由于车身内部加热的影响被划分为第Ⅲ等级,最高温度可达到105℃。

表2-1 国外汽车温度区域划分等级参考表

(2)汽车底盘及外饰

通俗地讲,可把整个车身架子和外在部分都划分在这个区域,该区域也可分为3个不同的部分。

1)车身以外,如顶棚、保险杠和左右后视镜等,被阳光直射的部分温度也可达到105℃,而受遮拦的部分按照通用Ⅰ等级对待。

2)车身下部,可分成3块:不受热源影响的部分按通用的Ⅰ等级对待;受发热影响,靠近传动系统机构的部分划分为Ⅴ等级;条件最为残酷的是靠近排气管的区域,由于废气携带着大量的热量,这个区域必须划分为Ⅵ等级,最高温度可达到150℃。

3)靠近制动系统的部分,这部分由于在制动过程中会产生大量的热能,特别是在山路连续弯道上行驶时,必须划分为Ⅵ等级,最高温度可达到150℃。

(3)汽车发动机舱

实际上这是温度要求最严苛的地方,这是因为发动机舱的热能不是由阳光照射引起的,而是由驾驶过程中发动机或其他部件的功率损耗引起的,这时发动机舱内部的电子模块必须持续工作。距离发动机热源较近的温度必须考虑划分在第Ⅵ等级;而远离热源的安装位置,并且处在通风冷却良好的区域可以划分在第Ⅳ或第Ⅴ等级。

(4)汽车行李舱

汽车行李舱是相对较为理想的区域,由于它一般不受阳光照射,因此一般考虑第Ⅰ等级,靠近底盘热源的位置则调高至第Ⅳ等级去处理。也有很多厂家将汽车行李舱系统归入乘客舱考虑,因为其温度等级相近。

温度的划分实质上与电子模块的使用有关,比如经过阳光加热引起车内高温之后,车主并不能马上进入高温车厢内进行操作,而是先进行通风和散热,因此对于模块的功能需要区分对待,很显然车身的电子模块要在这个环境下工作,因此表2-1只是给出了一个初步的划分。在具体的模块设计中,是由整车企业确定电子模块的安装位置后,在模块的功能规范中定义相应的温度等级,以预测未来模块的实际工作极限温度。汽车内部信息娱乐系统中的部分模块可归为特殊的等级,这是因为在极端温度下并不要求所有的模块都必须工作,因此以安装位置进行划分以后还需按照功能和特性进行修正。