汽車ECU技術(shù)研發(fā)技術(shù)解析

　　0　引　言

　　隨著技術(shù)的進(jìn)步，汽車的數(shù)字化程度越來越高。目前汽車電子信息產(chǎn)品已經(jīng)平均占到汽車總成本的1/3，并且這個比率還在不斷提高，有專家認(rèn)為，未來10年內(nèi)，這個比率將達(dá)到40%。例如像寶來這樣的中檔轎車至少擁有十幾個汽車電子控制單元（ECU）。所謂ECU，實際上就是一部帶單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，有自己的處理器、I/O設(shè)備和存儲器，能獨立控制汽車的某一系統(tǒng)，例如發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)EMS和ABS系統(tǒng)等。至于高檔轎車，往往擁有幾十個甚至上百個ECU，這些ECU通過數(shù)字總線結(jié)構(gòu)連接在一起，形成一個復(fù)雜的計算機(jī)局域網(wǎng)。

　　1　汽車ECU開發(fā)流程

　　汽車ECU開發(fā)流程見圖1。

　　1.1　汽車ECU開發(fā)的V循環(huán)方法

　　1.1.1　設(shè)計計算

　　發(fā)動機(jī)匹配項目設(shè)計計算的目的是根據(jù)汽車要求的性能確定發(fā)動機(jī)和變速器等部件的類型和參數(shù)。它分為以下3種方法。

　?。?）手工計算

　　主要是根據(jù)汽車驅(qū)動力與行使阻力的平衡圖來確定汽車在不同檔位情況下的最高車速、加速能力和爬坡能力，從而評價變速器的不同傳動比對汽車性能的影響，確定發(fā)動機(jī)和變速器的參數(shù)。這種方法計算繁瑣，結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

　?。?）仿真計算

　　在設(shè)計汽車和各部件模型的基礎(chǔ)上，輸入發(fā)動機(jī)和變速器等汽車部件和整車的性能參數(shù)，指定要求的行駛循環(huán)，最后計算出汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能和制動性能。它可以在計算機(jī)上顯示和打印各種分析報告和圖表結(jié)果，計算快速準(zhǔn)確，能反映汽車系統(tǒng)中任何參數(shù)的變化對整車性能的影響。目前國內(nèi)常見的車輛仿真商業(yè)軟件有奧地利李斯特內(nèi)燃機(jī)及測試設(shè)備公司（AVLLIST GmbH）開發(fā)的汽車性能仿真分析軟件CRUISE。

　?。?）參數(shù)優(yōu)化

　　將汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能和制動性能作為目標(biāo)函數(shù)，將發(fā)動機(jī)功率、汽車重量和變速器的各檔傳動比等參數(shù)作為優(yōu)化變量，在一定范圍內(nèi)，尋求最優(yōu)匹配組合，使汽車達(dá)到最佳性能價格比。

　　1.1.2　發(fā)動機(jī)和變速器的布置

　　在完成發(fā)動機(jī)匹配設(shè)計計算后，根據(jù)初步確定的計算參數(shù)和汽車布置形式，可以從市場上選擇一款或多款發(fā)動機(jī)和變速器，然后選擇和開發(fā)相應(yīng)制動、轉(zhuǎn)向和空調(diào)系統(tǒng)等部件，在發(fā)動機(jī)艙和車身上試布置。也可以通過建立汽車和部件的CAD數(shù)字模型，在CAD軟件環(huán)境中試裝配，檢查干涉情況，并進(jìn)行調(diào)整。在確定汽車主要部件的位置后，可以進(jìn)行后續(xù)工作。

　　1.2　發(fā)動機(jī)附件系統(tǒng)的開發(fā)

　　通常汽車發(fā)動機(jī)供應(yīng)商只提供基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)或發(fā)動機(jī)基體，它缺少部分外圍附件系統(tǒng)，因此需要汽車制造商開發(fā)這些系統(tǒng)。這些附件系統(tǒng)包括：風(fēng)扇及風(fēng)扇離合器、進(jìn)排氣管道、空氣過濾器、發(fā)動機(jī)油泵、發(fā)動機(jī)懸置、動力轉(zhuǎn)向泵、三元催化器、空調(diào)壓縮機(jī)、燃油供應(yīng)系統(tǒng)。

　　1.3　設(shè)計與分析

　　1.3.1　CAD設(shè)計

　　在現(xiàn)代汽車的開發(fā)過程中，需要應(yīng)用CAD軟件來設(shè)計汽車和部件的數(shù)字模型。

　　主要的汽車設(shè)計CAD軟件有：美國Unigraphics Solutions公司的Unigraphics、美國Parametric Technology Corp公司的Pro/ENGINEER、法國Dassauh Systems（達(dá)索）公司的CATIA。

　　主要的CAD建模方法有：特征造型、用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行逆向掃描。

　　1.3.2　CAE分析

　　主要的汽車CAE分析軟件有：ANSYS（安世）股份公司的ANSYS系列軟件、MSC Software公司的Adams、Nastran和Patran等系列軟件、LMS公司的Sysnoise、Falancs和Test.lab等系列噪聲分析軟件。

　　發(fā)動機(jī)匹配項目中的CAE分析項目有：發(fā)動機(jī)的噪聲與振動分析、發(fā)動機(jī)支撐的分析、發(fā)動機(jī)熱力學(xué)分析、汽車碰撞分析、計算流體力學(xué)分析（驗證散熱器的尺寸和發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流動特性）。

　　1.4　主要試驗項目

　　主要試驗項目包括：發(fā)動機(jī)和汽車臺架試驗、發(fā)動機(jī)噪聲與振動試驗、發(fā)動機(jī)懸置的振動頻率測量試驗、排氣系統(tǒng)的耐久性試驗、發(fā)動機(jī)過濾器和冷卻系統(tǒng)的壓力和流動試驗。

　　2　發(fā)動機(jī)的電氣匹配技術(shù)

　　2.1　發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)及其開發(fā)技術(shù)

　　2.1.1　發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)

　　發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)（EMS）是在發(fā)動機(jī)電子點火和電控汽油噴射系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，發(fā)展起來的集電子控制噴射、排放控制、電子點火、起動、防盜、診斷等功能于一體的集成電路系統(tǒng)。EMS能實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)各系統(tǒng)的精確和靈活控制，是改善發(fā)動機(jī)各項性能指標(biāo)和排放的主要手段。發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)由微處理器、各種傳感器、執(zhí)行器組成，通過傳感器檢測各種工作狀態(tài)和參數(shù)，然后由微處理器經(jīng)過計算、分析、判斷后發(fā)出指令給各執(zhí)行器完成各種動作，使發(fā)動機(jī)在各種工作狀況下都能以最佳狀態(tài)工作。

　　2.1.2　發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

　　發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)涉及到計算機(jī)技術(shù)、自動控制、嵌入式系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)技術(shù)等多個領(lǐng)域，是汽車電氣控制系統(tǒng)中最復(fù)雜的系統(tǒng)。目前汽車制造商在匹配發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的過程中，不需要進(jìn)行EMS的開發(fā)工作。這是因為通常由發(fā)動機(jī)供應(yīng)商提供的基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)上，已經(jīng)配有現(xiàn)成的EMS，汽車制造商僅需要聯(lián)系相應(yīng)的EMS開發(fā)商進(jìn)行標(biāo)定工作。

　　目前流行的EMS開發(fā)過程是，在MATLAB Simulink仿真計算平臺上，采用可視化和模塊化的方法，建立發(fā)動機(jī)控制模型，待調(diào)試成功后，編譯成機(jī)器執(zhí)行代碼，然后下載到汽車ECU中。例如英國Pi技術(shù)公司推出的發(fā)動機(jī)和汽車控制系統(tǒng)OpenECU開發(fā)工具，提供了一種自動代碼生成和快速原型的解決方案，它的應(yīng)用范圍包括發(fā)動機(jī)、變速器、底盤和混合動力控制系統(tǒng)以及汽車批量生產(chǎn)系統(tǒng)。OpenECU平臺能夠在MATLAB Simulink環(huán)境中自動生成控制代碼，然后在汽車ECU中運(yùn)行。

　　2.2　發(fā)動機(jī)的標(biāo)定技術(shù)

　　2.2.1　發(fā)動機(jī)標(biāo)定

　　發(fā)動機(jī)的標(biāo)定試驗，是指在汽車不同的工作狀態(tài)和氣候環(huán)境下，對發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)試，找到發(fā)動機(jī)最佳工作狀態(tài)下一組參數(shù)的測試技術(shù)。它通常分為室內(nèi)臺架試驗和室外道路試驗，室外道路試驗要求在汽車試車場進(jìn)行，另外還要進(jìn)行“高寒、高溫和高海拔”的“三高”試驗。發(fā)動機(jī)標(biāo)定試驗的主要工具是發(fā)動機(jī)標(biāo)定軟件和發(fā)動機(jī)標(biāo)定設(shè)備。

　　通常某一型號的發(fā)動機(jī)ECU內(nèi)部的控制算法軟件是固定的，但其包含的數(shù)千個自由參數(shù)是可調(diào)的，對于不同的車型這些參數(shù)都需要通過發(fā)動機(jī)匹配標(biāo)定進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化，使得整車通過各種排放與駕駛性能指標(biāo)。

　　匹配標(biāo)定是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它包括臺架試驗、可控環(huán)境實驗室試驗、基于數(shù)學(xué)模型的標(biāo)定計算、排放試驗、功能驗證試驗等。在整個工程過程中，必須將各種先進(jìn)的標(biāo)定工具（硬件設(shè)備和計算機(jī)軟件）組成無縫連接標(biāo)定系統(tǒng)，其中包括ECU的通訊、軟件燒寫、標(biāo)定參數(shù)管理、在線標(biāo)定、溫度采集系統(tǒng)、模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

　　2.2.2　發(fā)動機(jī)標(biāo)定軟件

　　發(fā)動機(jī)標(biāo)定軟件具有從發(fā)動機(jī)傳感器采集試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過技術(shù)處理后，再將其寫入（或下載）到汽車ECU中，同時由于在標(biāo)定試驗中需要處理大量試驗數(shù)據(jù)，發(fā)動機(jī)標(biāo)定軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫管理功能。由于現(xiàn)代發(fā)動機(jī)的功能越來越復(fù)雜，控制參數(shù)也由最初的十幾個急劇上升到目前的上千個，這導(dǎo)致試驗次數(shù)呈幾何級數(shù)上升。要求對每一個標(biāo)定參數(shù)的所有工況都進(jìn)行排列組合的試驗，是不可能實現(xiàn)的。因此，現(xiàn)在也出現(xiàn)了基于試驗優(yōu)化技術(shù)的標(biāo)定軟件，例如MathWorks公司推出的MATLAB基于模型的標(biāo)定工具箱（MBC），它可以優(yōu)化試驗方案，減少標(biāo)定試驗的次數(shù)，降低試驗費(fèi)用，縮短試驗周期。

　　2.2.3　發(fā)動機(jī)標(biāo)定設(shè)備

　　在發(fā)動機(jī)標(biāo)定試驗中，需要測量發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、溫度和壓力等多種物理量，另外需要將標(biāo)定軟件生成的標(biāo)定數(shù)據(jù)寫入汽車ECU中，發(fā)動機(jī)標(biāo)定設(shè)備可以實現(xiàn)這些功能。

　　2.2.4　發(fā)動機(jī)標(biāo)定試驗

　　發(fā)動機(jī)臺架標(biāo)定試驗項目包括：發(fā)動機(jī)實際充氣效率、空燃比、點火正時、基本發(fā)動機(jī)熱機(jī)標(biāo)定；整車標(biāo)定試驗項目包括：整車廢氣排放控制、整車駕駛性、熱帶環(huán)境、高原環(huán)境、寒帶環(huán)境、車輛零部件故障診斷系統(tǒng)標(biāo)定、系統(tǒng)驗證。

　　3　結(jié)　語

　　目前發(fā)動機(jī)匹配領(lǐng)域的很多開發(fā)技術(shù)仍然需要借助國外公司來協(xié)助完成，部分技術(shù)概念在汽車教材中也是空白，例如發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)的開發(fā)和標(biāo)定技術(shù)。作者希望本文能起到拋磚引玉的作用，為國內(nèi)汽車制造商開發(fā)新車型提供參考。