发动机用主电子水泵电容失效问题分析及解决方案

王晓丽，夏朝辉，罗华建，尹建东，王瑞平，2

（1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 315336；2.浙江吉利动力总成有限公司，浙江 宁波 315800）

1 引言

随着国VI法规的执行，排放和油耗的压力日益严格，热管理的重要性日益突出，这就要求合理组织能量的分布，提高发动机热效率；而传统的发动机热管理简单粗暴，不能合理利用发动机能量，往往存在很大的浪费，特别是在冬季发动机的暖机工况，客户往往有强烈的采暖需求，同时需要应对苛刻的油耗和排放要求，因此对机械产品智能化要求越来越迫切。机械产品电子化趋势需求日益明显，发动机冷却系统主电子水泵由此应运而生，电容器作为电子水泵控制器的组成元器件，在整个电子水泵的使用过程中起到举足轻重的作用。

电容器是三大无源元件（电阻、电容器、电感器）之一，在电子电器装置中几乎无处不在，电容器看起来比较简单，仅由两个极板构成，但在实际应用中很多问题都是出现在电容器的选择与安装上。如果对电容器没有比较深刻的理解，选择不当，所设计制造的电子线路、电器元件就会出现各种各样的由于电容器引起的问题或故障，因此需要根据应用的要求来选择电容器。

大量电子电器的应用带来了严重的电磁干扰，电容器承担了抑制电磁干扰的重任，因此很多应用下电容器滤波功能要求电容器具备极低的寄生电感和极好的频率特性；同时电容器在电路中还需要具备储能、耦合、旁路、谐振、移相和保持等功能，在抑制电源电磁干扰的同时，还要准备承受严酷的浪涌电压和过电压的冲击，同时还要确保电气安全和人身安全。

电容器的种类较多，在此不一一列举。目前汽车用低压电子水泵用电容多为轴向引线和立式贴片铝电解电容器两种。铝电解电容器由阳极铝箔、隔离纸和阴极铝箔相交迭卷绕成型，如图1所示，再浸 透液体电解液，使真实的负极严密附在正极的氧化铝介质与电解液的负极严密接触；用引出端的引线（或螺栓）连接，安装在密闭容器中。

图1 铝电解电容器组成

某电子水泵使用的电容器为轴向引线电解电容器，在某些恶劣应用环境下尤其是在发动机高负荷工况，振动加速度较大时，如果轴向引线结构及其辅助结构设计不合理，会引起轴向引线电容器的疲劳失效，从而导致整个电子元器件的失效。比如应用在汽车发动机上，在发动机运行过程中，由于振动及耐久导致电容器引线疲劳断裂，导致整个电子水泵失效问题。针对这一问题，就电容器引线疲劳断裂进行分析并制定优化方案，以供后续其他发动机电子水泵开发做参考并解决此类问题。

2 故障现象及分析

某发动机循环负荷耐久试验运行至97h，突然出现水温高报警且无法控制的情况，而在发动机低转速区间水泵能正常运转。检查发现在发动机倒拖工况至额定转速，突然出现水泵转速从额定转速降低至0且故障可复现。

拆解下故障水泵后进行无负载测试，水泵能正常运转，故障问题无复现。接下来拆解水泵后盖控制器腔，检查各电路的通断问题，目视明显发现轴向引线电容器外部针脚断裂，如图2所示。

图2 电容外部引脚断裂

因此锁定故障原因为电容器针脚断裂。在发动机高转速振动的情况下，电容器针脚断裂处断开，电子水泵从高转速掉落到0；而在发动机低转速时由于振动不大，电容针脚处于接触的状态，因此水泵能够正常运转。拆解下控制器两电容，对引脚断裂处进行金相显微仪断口分析，对比标准失效断面（图3），确认针脚断面为疲劳断裂。

图3 引脚断面金相分析

分析电容器引线结构，发现电容外部引线以一个直线结构与簧片焊接在一起，在发动机高速运行过程中，电容器引线与簧片直接形成一个相互作用力。由于簧片设计有缓冲结构，能在相互作用过程中起到有效的缓冲作用，如图4所示，高载荷持续循环后，直线引线结构由于受力疲劳产生断裂。

图4 电容引脚外部结构

3 设计优化

1）电容器两端依靠2个外部针脚与固定簧片之间的焊接支撑，发动机高转速运行时振动的情况下，电容器会整体晃动，使两端针脚受循环负荷作用，从而引起疲劳断裂。因此将电容器两端针脚结构由原来的直线结构优化为波浪形结构（图5），以波浪结构的形式有效缓冲来自簧片端的作用力。

图5 电容引脚波浪结构

2）电容针脚优化结构的同时，在电容固定支架与电容间增加一定量的固定用结构胶，避免电容与支架的刚性接触，同时可以起到固定电容，防止由于发动机振动引起的电容窜动，以达到增强电容抗振效果（图6）。

图6 支架与电容间增加固定胶

通过上述整改措施及优化项的落实，后期经电子水泵单体耐久和模拟发动机台架振动情况的振动试验验证以及发动机总成800h循环负荷耐久试验验证，措施有效且量产后均未发生电容器针脚疲劳断裂失效，有效解决了电容外部引脚由于相互作用力而产生的失效。

4 经验总结

轴向引线电解电容器失效常见于两端失效，上述失效为两端针脚由于设计结构的不合理，故受循环载荷后疲劳断裂，另外一种失效模式为电容器正负两极的焊接脱焊失效（图7）。

图7 电容正负极脱焊失效

轴向引线电解电容器正负两极一般采用焊接形式，不同的应用环境对焊点的焊接强度要求也不同，如果焊点强度不够，在振动较大的应用环境中容易产生脱焊的情况，因此在选择电容器时，需要特别注意应用环境及应用边界的影响。同时轴向引线电容的安装方式需要特别注意，尽量避免使用额外支架的形式进行固定，尽量将电容安装在本体上。

另一种立式贴片铝电解电容器在电子元器件的控制器中应用也比较广泛。正负极引线由一端引出，其针脚也采用焊接形式，使用塑料基座进行辅助固定（图8）。由于发动机及整车在运行过程中尤其是比较恶劣的运行工况，产生的振动较大，因此需要基座具有足够的辅助支撑强度以确保立式贴片电容器的焊接（图9），避免因振动导致的焊接脱焊问题。

图8 塑料辅助固定基座

图9 加强辅助固定基座

因此电子水泵控制器设计过程中，无论选择的是轴向引线电容器还是立式贴片电容器，在电容器的选型上要充分了解其应用环境及使用边界并进行充分的验证确保设计的可靠性。