汽车发动机电子控制系统开发现状及趋势

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汽车发动机电子控制系统开发现状及趋势 [复制链接]

摘要： 介绍了汽车发动机电子控制系统相关技术背景、开发现状及发展趋势。 

    关键词： EECS,ECU汽车发动机电喷 

    一、 汽车发动机电子控制系统概述 
    汽车发动机电子控制系统(Engine Electronic Control System， 简称EECS)通过电子控制手段对发动机点火、喷油、空气与燃油的比率、排放废气等进行优化控制，使发动机工作在最佳工况，达到提高性能、安全、节能、降低废气排放的目的。汽车发动机电子控制系统主要包括： 

    - 燃油喷射控制； 
    - 点火系统控制； 
    - 怠速控制； 
    - 尾气排放控制； 
    - 进气控制； 
    - 增压控制； 
    - 失效保护； 
    - 后备系统； 
    - 诊断系统等功能。 

    另外，随着网络、集成控制技术的广泛应用，作为汽车控制主要单元的EMS系统通过 CAN(Controllers Area Network)总线与其他控制系统，例如：安全系统(如ABS、牵引力电子稳定装置ESP (Electronic Stability Program))、底盘系统（如主动悬挂ABC(Active Body Control)）、巡航控制系统（Speed Control System或Cruse Control System）以及空调、防盗、音响等系统实现网络互联，实现信息共享并实施集成优化统一控制。在不久的将来，车载通讯平台将利用现有无线通讯网络为汽车驾驶提供更广泛的咨询、娱乐等增值服务（如GPS全球定位系统的应用）。 

    汽车发动机电子控制系统的开发主要涉及以下技术内容：
 
    - 传感器 

    主要包括空气流量传感器、空气温度传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器、转速传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、爆燃传感器、车速传感器、氧传感器等。
 
    - 执行器 

    主要包括喷油器、点火控制模块、怠速空气控制阀以及各种电磁阀等。
 
    - 电控单元ECU(Electronic Control Unit) 和控制算法程序软件 

    其作用是通过采集各种传感器输入信号并将信号进行调理，根据发动机管理控制算法进行运算，然后输出控制信号并进行功率放大给执行器。同时检测传感器信号正常状态，出现故障时报警。
图1描述了汽车发动机电子控制系统示意图。 


               
                                             图1 
    另外，为了应对汽车产业产品作为多种产品链状集成开发的特点以及快速更新的市场需求，高性能的发动机试验台架、集成开发环境工具以及测试产品耐环境性能的设备为快速开发高质量面向不同汽车发动机的管理系统产品提供保障： 
    - 发动机试验台架 

    主要包括不同种类的发动机以及工况装置、测功仪、废气测量仪以及各种传感器和测量装置。 

    - 集成开发环境IDE（Integrated Development Environment）系统 

    主要包括用于开发电控单元ECU 和控制算法程序软件的集成开发环境。目前，基于模型设计(Model Based Design)、快速原型(Rapid Prototyping)技术以及符合OSEK标准的实时操作系统得到了越来越广泛的应用。 

    - 耐环境实验设备 

    用于元器件、产品的耐温、振动、抗干扰、防漏水、耐久性等环境试验设备。  
  
    上述设施的联合使用，为开发汽车发动机电子控制系统提供必要的联调、参数标定、性能试验、环境试验等必要条件。另外，为了适应不同区域的气候条件，在不同海拔地区、不同季节的车载试验需要脱离发动机试验台架并借助车载标定系统在特定环境及试验地完成，以确定相对不同区域和气候的控制参数。 

    二、 汽车发动机电子控制系统应用市场现状 

    汽车发动机电子控制系统技术属于汽车电子领域的关键技术并占据汽车电子市场的主要份额。随着环保政策、能源政策限制力度的加大，大力应用电子控制技术，开发汽车发动机电子控制系统产品是未来汽车领域的必然。 

    国际上，汽车发动机电子控制系统的发展规模与模式日趋成熟。在国际知名品牌汽车的背后是专业化分工的汽车配件厂商，为其提供全套的汽车配件产品。其主要特点概括为以下几个方面： 

    - 行业垄断； 

    - 专业化分工、集成配套、产业链状开发与生产； 

    - 电子控制技术与经验实用性相结合；
 
    - 集成开发环境技术确保产品的快速开发、测试、调试、标定。 

    下图与表格概述了这些特点：  



    图2：汽车发动机电子控制系统产品链开发、配套机制



    表1：国际汽车发动机电子控制系统产品链开发、配套格局
其他参与汽车发动机电子控制系统部分产品开发与应用的厂商主要有伟世通、法雷奥、西门子、飞利浦、NEC、德州仪器、ST（意法半导体）、东芝 、日立、富士通、珀金斯、霍尼韦尔、马瑞利等。   

    在国内，汽车消费市场的飞速增长与自主开发汽车电子产品的空白形成鲜明的对比。一汽、二汽、上汽所提供国内占主导轿车消费市场的车型，其主要汽车电子配件产品，包括汽车发动机电子控制系统基本由外商垄断。国内主要汽车整车制造商完全丧失了自主开发、生产配套汽车电子产品的权利与能力。而致力于发展民族品牌的汽车制造商（奇瑞、吉利、哈飞、柳州五菱等）在采用国产发动机（37x、462、465、491、485等型号发动机）配套发动机电子控制系统时，由于国内汽车发动机管理技术的空白，也不得不委托国外企业提供配套产品。其间，在交货期、价格、配件产品配套选择等方面也受到种种制约。目前国内市场70%以上的汽车电子市场份额被国外企业如德尔福、日本电装、博世三家占领，剩余的30％也主要被玛瑞利、摩托罗拉、西门子等所垄断。近几年，由于竞争机制的引进，国产车在配套汽车发动机管理产品时，通过选择2-3家配套商等方式下低价格，虽然压缩了部分以往该配套产品的高额利润空间，但仍然大大高于其他汽车配件产品的平均利润。  

    目前，我国自主开发的汽车电子产品正处于加速发展阶段。汽车发动机电子控制系统的开发与应用已逐渐从过去的院校和研究机构的研发向以企业为主导并以产业化为目标的局面发展。随着奇瑞、吉利等民营汽车制造企业的崛起、国家的政策支持和国内汽车市场的发展潜力将给汽车发动机电子控制系统开发商带来难得的机遇。尽管市场巨大，但生产汽车发动机电子产品也充满了挑战。发动机电子产品对于汽车电子产业来说是技术门槛最高的一块，也是当前利润率最好的产业，其在汽车电子产业中的产值和规模也是最大。所以，未来几年，来自国际知名品牌垄断企业的打压以及国内大批厂商的涌进也是自主开发汽车发动机电子产品目前所面临的现状。 
  
    三、汽车发动机电子控制系统产业发展趋势与策略  

    2003年全球汽车电子业总产值为1150亿美元，预计2005年将达到1340亿美元；2003年国内汽车电子业总产值为313亿元，2005年将达到700亿元。相比国外，我国汽车电子产品应用层次还很落后，具有极大的发展潜力和空间。2003年全球平均每辆新车的汽车电子支出达到2025美元，约占整车成本的26.2%；而同期我国平均每辆新车的汽车电子支出仅为885美元，约占整车成本的4.8%。由于汽车发动机电子产品的生产主要集中在少数外资企业，利润率很高。这就给更多高技术汽车发动机电子企业的进入留下了市场空间。 下图展示了国内外汽车电子领域及发动机电子产品未来几年市场发展趋势。
 
    图3 2005-2010年全球汽车点产业产值走势(略) 
  
    图4 2004-2007年中国汽车发动机电子产品市场规模(略) 

    汽车市场发展的焦点是围绕安全、节能、环保、舒适、方便的主题为消费者提供高质量、安全可靠、多功能低价位的创新产品。开发商面临的挑战是快速研发这类产品，在最短的时间内将新产品推向市场。汽车电子技术的发展为提高整车性能起到了关键性的作用。随着汽车电子化发展的深入，32位微控制器将逐渐取代8位、16位微控制器而成为主流应用产品。未来的发展方向应加大重视以下问题： 

    （1）发动机管理系统电控单元ECU 

    - 软件 

    标准的I/O驱动模块、实时多任务操作系统、高级语言控制编程、基于模型的算法设计、自动代码生成、虚拟仿真测试。 

    - 硬件 

    提供完整的与软件系统一体化的硬件开发平台。灵活多功能的快速原型，在线调试HIL(Hardware-in-the-Loop)Simulation，Bypass等方法的使用。
 
    - 快速原型建立软硬件一体化应用系统 

    采用快速原型开发平台，按照下面的步骤开发应用产品：基于模型设计建立控制模型；模拟系统动态测试验证控制算法；模型实时检验；系统联机测试、检验、调试、修改；自动生成源代码、在线调试标定。 
    - 标准化 

    汽车电子正处于全面发展时期，相关技术的标准也处于建立、完善的阶段。有关通讯、网络规范CAN、FlexRay、LIN以及实时操作系统规范OSEK等技术日趋成熟并得到广泛的应用。 

    （2）传感器、执行器 

    传感器与执行器技术向着微型化、集成化、多功能化、智能化的方向发展。 
目前国内除了氧传感器、喷油器等关键部件技术质量有待提高外，其他部件均能提供。但批量产品的稳定性、一致性、耐久性以及可靠性方面有待提高。 

    （3）开发与试验设施及工具 

    应注重开发与使用包括先进的发动机试验台架、集成开发工具和产品测试试验设施等系统，构造完整的开发环境，加快产品开发速度。  

    总之，汽车发动机电子控制系统综合了机械、电子和计算机控制的集成技术的开发与应用。任何某一环节的缺陷将导致整个系统的瘫痪。由于汽车是在高速移动、振动状态下运行，所有传感器、执行器、元器件以及外壳、接插件、线束等都要求具备良好的抗振、耐高温、抗电磁干扰以及防渗等功能。由于国际半导体产品市场相对开放的格局以及国内近几年不断加大力度开发半导体产业，开发汽车发动机电子控制系统硬件平台比软件平台相对容易解决。目前，国内急需解决的关键技术是有关汽车发动机电子控制系统控制软件，在开发过程中应重视集成开发环境技术的应用以确保能够真正从底层开发并掌握汽车发动机电子控制系统核心技术，从而做到为不同发动机的批量配套。

    发展我国具有自主知识产权的汽车电子工业，确保汽车工业作为我国国民经济支柱型产业的地位，摆脱过于依赖进口的状况具有重大战略意义。汽车发动机电子控制系统是汽车电子产品的核心关键技术产品。根据我国半导体工业发展相对滞后的状况，利用国际半导体芯片产品市场充分开放的有利条件，加大嵌入式软硬件平台产品、集成开发环境和应用系统的开发符合我国目前汽车电子产业的发展策略。目前，实施汽车发动机电子控制系统产业化的市场需求、技术手段、政策支持等条件已经成熟。抓住机遇， 加大力度开发汽车电子的核心技术，赶超国际水平，为发展我国自主的汽车工业做出积极贡献。