發(fā)動機ECU開發(fā)流程及匹配技術解析

引言

隨著技術的進步，汽車的數(shù)字化程度越來越高。目前汽車電子信息產品已經平均占到汽車總成本的1/3，并且這個比率還在不斷提高，有專家認為，未來10年內，這個比率將達到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的嵌入式系統(tǒng)，有自己的處理器、I/O設備和存儲器，能獨立控制汽車的某一系統(tǒng)，例如發(fā)動機管理系統(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)字總線結構連接在一起，形成一個復雜的計算機局域網。

1汽車ECU開發(fā)流程

1.1汽車ECU開發(fā)的V循環(huán)方法

1.1.1設計計算

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

（1）手工計算

主要是根據(jù)汽車驅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)動機和變速器的參數(shù)。這種方法計算繁瑣，結果不夠準確。

（2）仿真計算

在設計汽車和各部件模型的基礎上，輸入發(fā)動機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、經濟性、排放性能和制動性能。它可以在計算機上顯示和打印各種分析報告和圖表結果，計算快速準確，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。目前國內常見的車輛仿真商業(yè)軟件有奧地利李斯特內燃機及測試設備公司（AVLLISTGmbH）開發(fā)的汽車性能仿真分析軟件CRUISE。

（3）參數(shù)優(yōu)化

將汽車的動力性、經濟性、排放性能和制動性能作為目標函數(shù)，將發(fā)動機功率、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，尋求最優(yōu)匹配組合，使汽車達到最佳性能價格比。

1.1.2發(fā)動機和變速器的布置

在完成發(fā)動機匹配設計計算后，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)動機和變速器，然后選擇和開發(fā)相應制動、轉向和空調系統(tǒng)等部件，在發(fā)動機艙和車身上試布置。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，并進行調整。在確定汽車主要部件的位置后，可以進行后續(xù)工作。

1.2發(fā)動機附件系統(tǒng)的開發(fā)

通常汽車發(fā)動機供應商只提供基礎發(fā)動機或發(fā)動機基體，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：風扇及風扇離合器、進排氣管道、空氣過濾器、發(fā)動機油泵、發(fā)動機懸置、動力轉向泵、三元催化器、空調壓縮機、燃油供應系統(tǒng)。

1.3設計與分析

1.3.1CAD設計

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

主要的汽車設計CAD軟件有：美國UnigraphicsSolutions公司的Unigraphics、美國ParametricTechnologyCorp公司的Pro/ENGINEER、法國DassauhSystems（達索）公司的CATIA。

主要的CAD建模方法有：特征造型、用三坐標測量機進行逆向掃描。

1.3.2CAE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、MSCSoftware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)動機匹配項目中的CAE分析項目有：發(fā)動機的噪聲與振動分析、發(fā)動機支撐的分析、發(fā)動機熱力學分析、汽車碰撞分析、計算流體力學分析（驗證散熱器的尺寸和發(fā)動機進氣流動特性）。

1.4主要試驗項目

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

2發(fā)動機的電氣匹配技術

2.1發(fā)動機管理系統(tǒng)及其開發(fā)技術

2.1.1發(fā)動機管理系統(tǒng)

發(fā)動機管理系統(tǒng)（EMS）是在發(fā)動機電子點火和電控汽油噴射系統(tǒng)的基礎上，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)動機各系統(tǒng)的精確和靈活控制，是改善發(fā)動機各項性能指標和排放的主要手段。發(fā)動機管理系統(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)動機管理系統(tǒng)開發(fā)技術

發(fā)動機管理系統(tǒng)開發(fā)技術涉及到計算機技術、自動控制、嵌入式系統(tǒng)、發(fā)動機技術等多個領域，是汽車電氣控制系統(tǒng)中最復雜的系統(tǒng)。目前汽車制造商在匹配發(fā)動機系統(tǒng)的過程中，不需要進行EMS的開發(fā)工作。這是因為通常由發(fā)動機供應商提供的基礎發(fā)動機上，已經配有現(xiàn)成的EMS，汽車制造商僅需要聯(lián)系相應的EMS開發(fā)商進行標定工作。

目前流行的EMS開發(fā)過程是，在MATLABSimulink仿真計算平臺上，采用可視化和模塊化的方法，建立發(fā)動機控制模型，待調試成功后，編譯成機器執(zhí)行代碼，然后下載到汽車ECU中。例如英國Pi技術公司推出的發(fā)動機和汽車控制系統(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，它的應用范圍包括發(fā)動機、變速器、底盤和混合動力控制系統(tǒng)以及汽車批量生產系統(tǒng)。OpenECU平臺能夠在MATLABSimulink環(huán)境中自動生成控制代碼，然后在汽車ECU中運行。

2.2發(fā)動機的標定技術

2.2.1發(fā)動機標定

發(fā)動機的標定試驗，是指在汽車不同的工作狀態(tài)和氣候環(huán)境下，對發(fā)動機管理系統(tǒng)的參數(shù)進行不斷調試，找到發(fā)動機最佳工作狀態(tài)下一組參數(shù)的測試技術。它通常分為室內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行，另外還要進行“高寒、高溫和高海拔”的“三高”試驗。發(fā)動機標定試驗的主要工具是發(fā)動機標定軟件和發(fā)動機標定設備。

通常某一型號的發(fā)動機ECU內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)是可調的，對于不同的車型這些參數(shù)都需要通過發(fā)動機匹配標定進行調試優(yōu)化，使得整車通過各種排放與駕駛性能指標。

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

2.2.2發(fā)動機標定軟件

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

2.2.3發(fā)動機標定設備

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

2.2.4發(fā)動機標定試驗

發(fā)動機臺架標定試驗項目包括：發(fā)動機實際充氣效率、空燃比、點火正時、基本發(fā)動機熱機標定；整車標定試驗項目包括：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)標定、系統(tǒng)驗證。

3結語

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