汽车发动机ECU系统研发技术解析

引　言 

      随着技术的进步，汽车的数字化程度越来越高。目前汽车电子信息产品已经平均占到汽车总成本的1/3，并且这个比率还在不断提高，有专家认为，未来10年内，这个比率将达到40%。例如像宝来这样的中档轿车至少拥有十几个汽车电子控制单元（ECU）。所谓ECU，实际上就是一部带单片机的嵌入式系统，有自己的处理器、I/O设备和存储器，能独立控制汽车的某一系统，例如发动机管理系统EMS和ABS系统等。至于高档轿车，往往拥有几十个甚至上百个 ECU，这些ECU通过数字总线结构连接在一起，形成一个复杂的计算机局域网。 

1　汽车ECU开发流程 

      汽车ECU开发流程见图1。 

      1.1　汽车ECU开发的V循环方法 

      1.1.1　设计计算 

　　发动机匹配项目设计计算的目的是根据汽车要求的性能确定发动机和变速器等部件的类型和参数。它分为以下3种方法。 

　　（1）手工计算 

　　主要是根据汽车驱动力与行使阻力的平衡图来确定汽车在不同档位情况下的最高车速、加速能力和爬坡能力，从而评价变速器的不同传动比对汽车性能的影响，确定发动机和变速器的参数。这种方法计算繁琐，结果不够准确。 

　　（2）仿真计算 

　　在设计汽车和各部件模型的基础上，输入发动机和变速器等汽车部件和整车的性能参数，指定要求的行驶循环，最后计算出汽车的动力性、经济性、排放性能和制动性能。它可以在计算机上显示和打印各种分析报告和图表结果，计算快速准确，能反映汽车系统中任何参数的变化对整车性能的影响。目前国内常见的车辆仿真商业软件有奥地利李斯特内燃机及测试设备公司（AVLLIST GmbH）开发的汽车性能仿真分析软件CRUISE。 

　　（3）参数优化 

　　将汽车的动力性、经济性、排放性能和制动性能作为目标函数，将发动机功率、汽车重量和变速器的各档传动比等参数作为优化变量，在一定范围内，寻求最优匹配组合，使汽车达到最佳性能价格比。 

      1.1.2　发动机和变速器的布置 

　　在完成发动机匹配设计计算后，根据初步确定的计算参数和汽车布置形式，可以从市场上选择一款或多款发动机和变速器，然后选择和开发相应制动、转向和空调系统等部件，在发动机舱和车身上试布置。也可以通过建立汽车和部件的CAD数字模型，在CAD软件环境中试装配，检查干涉情况，并进行调整。在确定汽车主要部件的位置后，可以进行后续工作。 

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　　1.2　发动机附件系统的开发 

　　通常汽车发动机供应商只提供基础发动机或发动机基体，它缺少部分外围附件系统，因此需要汽车制造商开发这些系统。这些附件系统包括：风扇及风扇离合器、进排气管道、空气过滤器、发动机油泵、发动机悬置、动力转向泵、三元催化器、空调压缩机、燃油供应系统。 

      1.3　设计与分析 

      1.3.1　CAD设计 

　　在现代汽车的开发过程中，需要应用CAD软件来设计汽车和部件的数字模型。 

　　主要的汽车设计CAD软件有：美国Unigraphics Solutions公司的Unigraphics、美国Parametric Technology Corp公司的Pro/ENGINEER、法国Dassauh Systems（达索）公司的CATIA。 

　　主要的CAD建模方法有：特征造型、用三坐标测量机进行逆向扫描。 

      1.3.2　CAE分析 

　　主要的汽车CAE分析软件有：ANSYS（安世）股份公司的ANSYS系列软件、MSC Software公司的Adams、Nastran和Patran等系列软件、LMS公司的Sysnoise、Falancs和Test.lab等系列噪声分析软件。 

　　发动机匹配项目中的CAE分析项目有：发动机的噪声与振动分析、发动机支撑的分析、发动机热力学分析、汽车碰撞分析、计算流体力学分析（验证散热器的尺寸和发动机进气流动特性）。 

      1.4　主要试验项目 

　　主要试验项目包括：发动机和汽车台架试验、发动机噪声与振动试验、发动机悬置的振动频率测量试验、排气系统的耐久性试验、发动机过滤器和冷却系统的压力和流动试验。 

2　发动机的电气匹配技术 

      2.1　发动机管理系统及其开发技术 

      2.1.1　发动机管理系统 

　　发动机管理系统（EMS）是在发动机电子点火和电控汽油喷射系统的基础上，发展起来的集电子控制喷射、排放控制、电子点火、起动、防盗、诊断等功能于一体的集成电路系统。EMS能实现对发动机各系统的精确和灵活控制，是改善发动机各项性能指标和排放的主要手段。发动机管理系统由微处理器、各种传感器、执行器组成，通过传感器检测各种工作状态和参数，然后由微处理器经过计算、分析、判断后发出指令给各执行器完成各种动作，使发动机在各种工作状况下都能以最佳状态工作。 

      2.1.2　发动机管理系统开发技术 

      发动机管理系统开发技术涉及到计算机技术、自动控制、嵌入式系统、发动机技术等多个领域，是汽车电气控制系统中最复杂的系统。目前汽车制造商在匹配发动机系统的过程中，不需要进行EMS的开发工作。这是因为通常由发动机供应商提供的基础发动机上，已经配有现成的EMS，汽车制造商仅需要联系相应的EMS开发商进行标定工作。  

      目前流行的EMS开发过程是，在MATLAB Simulink仿真计算平台上，采用可视化和模块化的方法，建立发动机控制模型，待调试成功后，编译成机器执行代码，然后下载到汽车ECU中。例如英国 Pi技术公司推出的发动机和汽车控制系统OpenECU开发工具，提供了一种自动代码生成和快速原型的解决方案，它的应用范围包括发动机、变速器、底盘和混合动力控制系统以及汽车批量生产系统。OpenECU平台能够在MATLAB Simulink环境中自动生成控制代码，然后在汽车ECU中运行。 

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　　2.2　发动机的标定技术 

      2.2.1　发动机标定 

      发动机的标定试验，是指在汽车不同的工作状态和气候环境下，对发动机管理系统的参数进行不断调试，找到发动机最佳工作状态下一组参数的测试技术。它通常分为室内台架试验和室外道路试验，室外道路试验要求在汽车试车场进行，另外还要进行“高寒、高温和高海拔”的“三高”试验。发动机标定试验的主要工具是发动机标定软件和发动机标定设备。 

      通常某一型号的发动机ECU内部的控制算法软件是固定的，但其包含的数千个自由参数是可调的，对于不同的车型这些参数都需要通过发动机匹配标定进行调试优化，使得整车通过各种排放与驾驶性能指标。 

      匹配标定是一个复杂的系统工程。它包括台架试验、可控环境实验室试验、基于数学模型的标定计算、排放试验、功能验证试验等。在整个工程过程中，必须将各种先进的标定工具（硬件设备和计算机软件）组成无缝连接标定系统，其中包括ECU的通讯、软件烧写、标定参数管理、在线标定、温度采集系统、模拟数据采集系统等。 

      2.2.2　发动机标定软件 

      发动机标定软件具有从发动机传感器采集试验数据，经过技术处理后，再将其写入（或下载）到汽车ECU中，同时由于在标定试验中需要处理大量试验数据，发动机标定软件具有强大的数据库管理功能。由于现代发动机的功能越来越复杂，控制参数也由最初的十几个急剧上升到目前的上千个，这导致试验次数呈几何级数上升。要求对每一个标定参数的所有工况都进行排列组合的试验，是不可能实现的。因此，现在也出现了基于试验优化技术的标定软件，例如 MathWorks公司推出的MATLAB基于模型的标定工具箱（MBC），它可以优化试验方案，减少标定试验的次数，降低试验费用，缩短试验周期。 

      2.2.3　发动机标定设备 

      在发动机标定试验中，需要测量发动机的转速、温度和压力等多种物理量，另外需要将标定软件生成的标定数据写入汽车ECU中，发动机标定设备可以实现这些功能。 

      2.2.4　发动机标定试验 

      发动机台架标定试验项目包括：发动机实际充气效率、空燃比、点火正时、基本发动机热机标定；整车标定试验项目包括：整车废气排放控制、整车驾驶性、热带环境、高原环境、寒带环境、车辆零部件故障诊断系统标定、系统验证。 

3　结　语 

      目前发动机匹配领域的很多开发技术仍然需要借助国外公司来协助完成，部分技术概念在汽车教材中也是空白，例如发动机管理系统的开发和标定技术。作者希望本文能起到抛砖引玉的作用，为国内汽车制造商开发新车型提供参考。