汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及開發(fā)流程

1 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(gè)比率還在不斷提高，有專家認(rèn)為，未來10年內(nèi)，這個(gè)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(gè)汽車電子控制單元（ECU）。所謂ECU，實(shí)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(chǔ)器，能獨(dú)立控制汽車的某一系統(tǒng)，例如發(fā)動(dòng)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(gè)甚至上百個(gè) ECU，這些ECU通過數(shù)字總線結(jié)構(gòu)連接在一起，形成一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。

2汽車ECU開發(fā)流程

汽車ECU開發(fā)流程見圖1。

2.1汽車ECU開發(fā)的V循環(huán)方法

2.1.1設(shè)計(jì)計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)匹配項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算的目的是根據(jù)汽車要求的性能確定發(fā)動(dòng)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。

（1）手工計(jì)算

主要是根據(jù)汽車驅(qū)動(dòng)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(píng)價(jià)變速器的不同傳動(dòng)比對(duì)汽車性能的影響，確定發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的參數(shù)。這種方法計(jì)算繁瑣，結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

（2）仿真計(jì)算

在設(shè)計(jì)汽車和各部件模型的基礎(chǔ)上，輸入發(fā)動(dòng)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(jì)算出汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能和制動(dòng)性能。它可以在計(jì)算機(jī)上顯示和打印各種分析報(bào)告和圖表結(jié)果，計(jì)算快速準(zhǔn)確，能反映汽車系統(tǒng)中任何參數(shù)的變化對(duì)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。

（3）參數(shù)優(yōu)化

將汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能和制動(dòng)性能作為目標(biāo)函數(shù)，將發(fā)動(dòng)機(jī)功率、汽車重量和變速器的各檔傳動(dòng)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(jià)格比。

2.1.2發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的布置

在完成發(fā)動(dòng)機(jī)匹配設(shè)計(jì)計(jì)算后，根據(jù)初步確定的計(jì)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(dòng)機(jī)和變速器，然后選擇和開發(fā)相應(yīng)制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和空調(diào)系統(tǒng)等部件，在發(fā)動(dòng)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。

2.2發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)的開發(fā)

通常汽車發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商只提供基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)油泵、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、動(dòng)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)。

2.3設(shè)計(jì)與分析

2.3.1CAD設(shè)計(jì)

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(jì)汽車和部件的數(shù)字模型。

主要的汽車設(shè)計(jì)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。

2.3.2CAE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(dòng)機(jī)匹配項(xiàng)目中的CAE分析項(xiàng)目有：發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲與振動(dòng)分析、發(fā)動(dòng)機(jī)支撐的分析、發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)分析、汽車碰撞分析、計(jì)算流體力學(xué)分析（驗(yàn)證散熱器的尺寸和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流動(dòng)特性）。

2.4主要試驗(yàn)項(xiàng)目

主要試驗(yàn)項(xiàng)目包括：發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車臺(tái)架試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲與振動(dòng)試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的振動(dòng)頻率測量試驗(yàn)、排氣系統(tǒng)的耐久性試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)過濾器和冷卻系統(tǒng)的壓力和流動(dòng)試驗(yàn)。

3發(fā)動(dòng)機(jī)的電氣匹配技術(shù)

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)及其開發(fā)技術(shù)

3.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（EMS）是在發(fā)動(dòng)機(jī)電子點(diǎn)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(diǎn)火、起動(dòng)、防盜、診斷等功能于一體的集成電路系統(tǒng)。EMS能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)的精確和靈活控制，是改善發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)和排放的主要手段。發(fā)動(dòng)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(jì)算、分析、判斷后發(fā)出指令給各執(zhí)行器完成各種動(dòng)作，使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工作狀況下都能以最佳狀態(tài)工作。

3.1.2發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、嵌入式系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等多個(gè)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(dòng)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?yàn)橥ǔＳ砂l(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商提供的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)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(jì)算平臺(tái)上，采用可視化和模塊化的方法，建立發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)和汽車控制系統(tǒng)OpenECU開發(fā)工具，提供了一種自動(dòng)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(dòng)機(jī)、變速器、底盤和混合動(dòng)力控制系統(tǒng)以及汽車批量生產(chǎn)系統(tǒng)。OpenECU平臺(tái)能夠在MATLAB Simulink環(huán)境中自動(dòng)生成控制代碼，然后在汽車ECU中運(yùn)行。

3.2發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定技術(shù)

3.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定

發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定試驗(yàn)，是指在汽車不同的工作狀態(tài)和氣候環(huán)境下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)試，找到發(fā)動(dòng)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(tái)架試驗(yàn)和室外道路試驗(yàn)，室外道路試驗(yàn)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(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定試驗(yàn)的主要工具是發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定軟件和發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定設(shè)備。

通常某一型號(hào)的發(fā)動(dòng)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(gè)自由參數(shù)是可調(diào)的，對(duì)于不同的車型這些參數(shù)都需要通過發(fā)動(dòng)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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它包括臺(tái)架試驗(yàn)、可控環(huán)境實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、基于數(shù)學(xué)模型的標(biāo)定計(jì)算、排放試驗(yàn)、功能驗(yàn)證試驗(yàn)等。在整個(gè)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(jì)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。

3.2.2發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定軟件

發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定軟件具有從發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器采集試驗(yàn)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(shí)由于在標(biāo)定試驗(yàn)中需要處理大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的功能越來越復(fù)雜，控制參數(shù)也由最初的十幾個(gè)急劇上升到目前的上千個(gè)，這導(dǎo)致試驗(yàn)次數(shù)呈幾何級(jí)數(shù)上升。要求對(duì)每一個(gè)標(biāo)定參數(shù)的所有工況都進(jìn)行排列組合的試驗(yàn)，是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此，現(xiàn)在也出現(xiàn)了基于試驗(yàn)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(yàn)方案，減少標(biāo)定試驗(yàn)的次數(shù)，降低試驗(yàn)費(fèi)用，縮短試驗(yàn)周期。

3.2.3發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定設(shè)備

在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定試驗(yàn)中，需要測量發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)標(biāo)定設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)這些功能。

3.2.4發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定試驗(yàn)項(xiàng)目包括：發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際充氣效率、空燃比、點(diǎn)火正時(shí)、基本發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)標(biāo)定；整車標(biāo)定試驗(yàn)項(xiàng)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(yàn)證。

4結(jié)語

目前發(fā)動(dòng)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(dòng)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。

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