汽车ECU现状及发展趋势
2020-04-27
18:57:01
来源: Sophie
如果把发动机比喻成汽车的“心脏”，那么汽车的“大脑”就应该是ECU了。何为ECU?ECU是如何工作的？本文详细解析。
电喷系统的工作特性在于“定量、定时”喷射燃油，发动机需要多少燃油，在什么时刻喷入，这与发动机的转速、空气流量等有着直接的关系，此外还牵涉到水温、机油压力等各种各样的参数，这么多参数如何进行处理，并向喷射系统发出喷油指令呢？这就需要发动机控制单元的介入了，ECU应运而生。
何为ECU？ECU有两个全称，即Engine Control Unit和Electronic Control Unit，不难看出前者为“发动机控制单元”而后者是“电子控制单元”。这是两个比较容易混淆的概念，今天我们先主要解析“Engine Control Unit”。
在1967年之前，汽油机的供给系统是由化油器来供油的，这与今天的电喷发动机原理完全不同。化油器利用节气门前后的压力差吸油，不仅无法精准地控制燃油补给量，更制约了汽车动力性、环保性能的提升。Bosch等一批企业因此开发了电子燃油喷射系统，最早的BOSCH电喷系统是D-Jetronic，后期发展出了K-Jetronic和L-Jetronic，在电子技术介入后，BOSCH开发了多套电子化管理的燃油喷射系统，其中KE-Jetronic就是今天被广泛采用的电喷技术，虽然各家企业的商品名不尽相同，但在构造上大同小异。
电喷系统的工作特性在于“定量、定时”喷射燃油，发动机需要多少燃油，在什么时刻喷入，这与发动机的转速、空气流量等有着直接的关系，此外还牵涉到水温、机油压力等各种各样的参数，这么多参数如何进行处理，并向喷射系统发出喷油指令呢？这就需要发动机控制单元的介入了，ECU应运而生。
ECU和普通的单片机一样，由微处理器、存储器、输入/输出接口、模数转换器以及整形、驱动等集成电路组成。ECU的作用是通过各种传感器来计算车辆的行驶状况，从而对发动机的点火、空燃比、怠速、废气再循环等多项参数进行控制。工作温度在-40～80度，还能承受较大的振动，因此ECU损坏的概率非常小。此外，ECU还有故障自诊断和保护功能，当系统产生故障时，它还能在存储器中自动记录故障代码并采用保护措施从上述的固有程序中读取替代程序来维持发动机的运转，使汽车能开到修理厂。
ECU是如何工作的呢？简单地说就是一个将军的指挥过程：“思考”、“指挥”，并最终“确认”。
“侦察”交给传感器来完成，传感器负责对整个发动机进行“侦察”，在一台发动机上，大大小小的传感器有数十个之多。节气门开度传感器、曲轴转速传感器、氧传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气温度传感器、水温传感器、爆震传感器是一台轿车发动机中最基本的传感器。传感器无处不在，他们负责采集相关的信息，并以电信号的形式传入ECU中，通过模数转换器A/D变成数字信号后，ECU经过运算，判断出此时发动机的工作状态，这就是ECU的“思考”过程。
而“思考”过程依照什么为标准呢？电脑固然不会有思维，这需要的是ROM存放的程序。这相当于一个软件，当数据传入ECU时，ROM程序的故有数据与采集而来的信号进行对比运算，由此ECU得出调整方法。这一套程序是ECU的灵魂所在，这一程序的编写是建立在大量的实验数据的基础上的，往往需要经过台架实验、道路试验才能建立起来。通常改装商更改ECU程序的做法，就是对ROM程序进行重新编写或者修订，以改变ECU的运算准则。
供油量的多寡是以喷油嘴燃料喷射时间的长短来计算，供油电脑（ECU）根据空气流量、引擎转速、及各个感应器所提供的补偿讯号，利用原先设定的供油程序算出所需的供油时间，这个供油程序可以用图形的方式来表现。
ECU所算出的燃料喷射时间是“基本喷射时间”、“补偿喷射时间”和“无效喷射时间”的总和，单位是微秒（ms），1ms＝0.001秒。其中喷油嘴在单位时间内所喷出的汽油量是由喷油嘴本身口径的大小及喷油压力大小所决定。
基本喷射时间是由进气量（此处是指重量）和引擎转速所决定。当你踩下油门踏板时，控制的是节气阀的开启角度，开度越大进气量越大，供油电脑根据空气流量计测出的进气量及当时的引擎转速来和预先所设定的供油程序比较后，算出所需供油量和相对的喷射时间。
补偿喷射也就是一般人所称的『提速』，它是由各种感应器侦测出引擎当时的工作状况及负荷，将讯号传给电脑（ECU）以后，算出所需额外的供油量，用以维持引擎稳定、顺畅的运转。补偿喷射程式的设定是一复杂的工作，也因车而异。
一般来说的补偿喷射程式大致有下列几项：冷车启动补偿、暖车补偿、怠速后启动补偿、高温时补偿、加速补偿、高转速/高负荷补偿、理论空然比回馈补偿、断油控制。
喷油嘴从线圈通电到全量喷油之间会有一段延迟时间，称为『开启延迟』，而线圈断电后到完全停止喷油也有一段延迟时间，称为“关闭延迟”。
由于开启延迟时间大于关闭延迟时间，所以实际的供油量将少于所需，而开启延迟时间减掉关闭延迟时间就称为『无效喷射时间』。为了得到正确的供油量，必须把无效喷射时间算进去，也就是说在算出供油量以后要再加上无效喷射时间喷出的油量才会和所想要的相同。因此，无效喷射时间也可视为补偿喷射的一项。
当然，ECU也不是一成不变的，存储器另一个功能如同飞机“黑匣子”，能够记录汽车行驶的数据，通常很多ECU都会有“学习”能力，正常情况下，存储器会不停地记录你行驶中的数据，成为ECU的学习程序，为适应你的驾驶习惯提供最佳的控制状态，这个程序也叫自适应程序。但由于是存储于存储器中，就象错误码一样，一但去掉电瓶而失去供电，所有的数据就会丢失。ECU能从存储器记录的数据中不断地学习驾驶者的驾驶风格，从而更加人性化。当然，一旦出现故障，也可以从存储器上读取到信息，从而为维修做出支持。
完成“思考”之后，ECU下一步需要做的就是“指挥”。受到ECU控制的是喷油器，负责调整喷油量和喷油时刻，同时汽油泵负责向其供油；点火控制器与点火线圈如何进行点火等等都受到ECU的控制。而在此之后，ECU需要再次接收数据以确认一个闭环控制的结束。
随着今天汽车技术的进步，ECU肩负起了越来越多的重担。i-VTEC等可变气门正时技术就需要额外添加凸轮轴的位置传感器，并经过ECU运算，对凸轮轴的相位进行转换，尤其是宝马Double-VANOS等连续可变气门正时系统，更需要ECU做出精密的运算来控制其相位、气门升程。目前在一些中高级轿车上，不但在发动机上应用ECU，在其它许多地方都可发现ECU的踪影。例如防抱死制动系统、4轮驱动系统、主动悬架系统、安全气囊系统、、自动变速箱都需要单独的控制系统，越来越多的ECU出现在汽车上，汽车添加的诸多设备都需要ECU的管理，而传统的“EngineControlUnit”已经不能满足时代发展了，成为了整车控制系统的一个模块。所以，今天我们更愿意称ECU为“ElectricalControlUnit”即电子控制系统。随着轿车电子化自动化的提高，ECU将会日益增多，线路会日益复杂。为了简化电路和降低成本，汽车上多个ECU之间的信息传递就要采用一种称为多路复用通信网络技术，将整车的ECU形成一个网络系统，也就是CAN数据总线，有关CAN会在后文提到。
ECU生产厂商均为国际跨国企业，如BOSCH 、SIEMENS 、MM ……。生产产品均销售至全世界使用。因每个国家汽油品质、温度、大气压力、湿度、引擎形式上的差异，ECU 程序软件设定上须符合各国的条件来使用，由于现代的汽车要适应各种天气、环境(如高原、沙漠、严寒和劣质汽油等恶劣条件)及各种驾驶者的不同要求，同时它也要保证这种复杂的情况下依然能够挥洒自如行驶并通过严格的尾气排放、油耗标准，因此在大多情形下，原装ECU内的程序是一个符合众多条件的最佳妥协，这样才不致水土不服，故在设定上保留很多的空间可供改装。另外，汽车品牌厂商在调校发动机参数时一般是要考虑发动机在最恶劣的环境或者是长时间不保养状态下也能正常使用，也就是说整车厂商总是按最保守的方式来设置发动机输出，所以，车主只要能保证定期给汽车做保养，就完全可以通过重新调校发动机参数来获得更大的输出来获得超凡的驾驶快感。
以空燃比（AFR）为例，原厂编程员可能会把某些行车情况下（如在等速行车时）的空燃比调得稀一点（即油少气多）来减低油耗，以便通过一些国家的油耗测试标准，面貌一新其它的时间里原厂ECU的AFR大都会设定在上文提及的 1 ：14.7 ，因为这是最容易符合尾气标准的比例。但对大部份发动机来说，能发出最大动力的AFR却是在混合气较浓（即油多气少）的范围内。同样为了拓宽车子的燃油适应性（不同地区的不同标号的燃油），原厂设定的点火提前角一般都可适应较低标号的燃油（发动机在不同的点火提前角点火时输出功率是不一样的），也就是说你现在发动机的点火提前角未必能与你现在使用标号的燃油搭配最佳，如果可以把原装程序向偏向动力表现方面修改一个，便能把马力增大 5-8 ％左右，有些turbo 车更可达 15 ％。
ECU芯片改装 车厂在设计一具引擎时便已将原先设定好的供油程序烧录在 ROM上，这个程序通常是油耗、污染、运转平顺度等条件妥协下的产物，而且是不可更动的。就因为不可更动，所以若想改变供油程序就必须换用另一种模式的 ROM。通常专业改装厂都会供应种车型的改装用电脑芯片，改装时要先把原电脑的芯片取下（通常原厂供油电脑的 ROM都直接焊在电路板上），焊上一个IC座（如此一来可方便日后再更换），再插上改装用的芯片。如此所得的供油程序仍是固定的，它只是对原车的程序做修正，其中很重要的一项是可将补偿喷射程式中的断油控制时间延后甚至取消不再有断油之限制。
要注意的是每一种改装用芯片都有它设定的适用条件（也就是改装的程度），改装时必须选用和您爱车改装状况相近的芯片，才能得到最佳的效果，否则可能适得其反。芯片的选用唯有寻求经验丰富的改装厂咨询。一个芯片一种供油程序，聪明的读者一定会想到：如果装上两个、三个，结果又如何呢？没错，国内以前就有改装厂将两个或三个不同供油模式的芯片，同时装在同一片电路板上，驾驶人可由一个外接到车内切换开关，随意选择所需的供油模式，就有如切换自动变速箱的Ｐ档、Ｅ档、Ｓ档一般，以应付车主不同情况的需求。
ECU电脑编程 这是ECU系统改装中比较专业的一项，在国内改装界最为大家所熟悉的就是HALTEC电脑。经由这个电脑，车主可依照爱车引擎的改装程度，配合空燃比计的测量，设定出最佳的供油程序，也就是前文所提的基本喷射程式以及各个补偿喷射程式都可利用笔记本电脑任意更改。它与改芯片最大的不同，也是它最大的优点是日后引擎再作更动、改装时，若出现原有供油程序不合用情况，可经由程序的修正立刻获得解决。电脑编程后，原车的供油程序便废弃不用，但较高等级的电脑能将原车的所有感应器功能悉数保留，也就是说各种供油补偿程序都可正常运作，也可更改，不因获得高性能而将运转顺畅度与实用性而牺牲。
改装可编程ECU的最大困难并不在于安装，而是供油程序的设定与最佳化修正。这往往需要借助经验和仪器，经由不断的测试才能达成。目前改装厂的作法是先选定一个基本模式为基础，再经由实际的运转和测试逐步的修正，直到满意为止。
可能因为有别于其它机械系统，ECU的功能和工作原理是“看不见”的，加上大部分汽修厂甚至是4S店都不懂，也不能维修或解决ECU产生的问题，因此形成了ECU的神秘感。下面我们就来说说刷ECU过程中几个常见的问题
如果是一般的在民用改装，个人比较推崇用原装ECU来改装。因为原装ECU的功能是非常强的，而且它的程序是经过厂家工程师长期的数据积累和无数的测试而开发出来的，在任何情况下都可以保护发动机，而且不会出现故障码、警告灯，不会出现其它系统如ABS、防打滑和防盗系统一起工作时出现的排斥问题，更不会把一些车上的重要功能删掉。另一方面，改装的成本相对较低。
以性能改装的角度来看，ECU的改装是一个绝不可缺的环节。ECU可以帮助发动机发挥最佳的机械功能，但它不能超越原来设计所容许的极限。像一些专业车队在开发赛车的发动机时，首先是设计凸轮轴、活塞、连杆等机械配件的配搭，把发动机的压缩比和最高转速等数据先定下来，最后才考虑ECU的问题。因为没有强劲的发动机，ECU再“能干”也只是白费心机的。所以对于ECU程序的调校方式，除非是用于赛车上，否则一般不会光把焦点放在挖取全油门时的最大马力。更多的会把注意力放在汽车于低中速时的加速能力和油门反应，因为在民用车来说，是非常少机会用全油门和最高转速来驾驶的，因此重点在于在2000rpm-4000rpm的转速范围、半油门状况下的加速力和油门反应，而不会特意去争取在7000rpm时可能多得的两匹马力。在这些地方尽量把马力和扭矩曲线尽量做得顺滑和渐进，这样驾驶者在开车时会觉得油门特别灵敏和听话，动力充沛。最大马力的数字可能在宣传上能吸引眼球，但实际环境中没有人喜欢开一台加速不顺畅的车。所以一般道路改装车实在没必要做到媲美竞技车的动力程度，比较正确的认知观念应该是这类改装产品，能否在一个完全不损及车辆安全的前提下，除了做到动力输出值的提高之外，还能达到玩家的实用需求！这其中包括：起步顺畅度、中高转域延伸性与顺畅度以及再加速能力等等。与此同时，马力机的测试数据与曲线图的趋势，以及车主实际的感官体验，就扮演一个验证产品与改装效果好坏的重要依据！
3）ECU升级之后会不会影响汽车的使用寿命和安全性
或许很多人会有这样的质疑，ECU升级之后会不会影响汽车的使用寿命和安全性，其实不用担心，刷ECU只是对汽车行车电脑数据作了综合的优化，而不是为了一味追求某一项指标的提高，将发动机的全部能力全部发挥出来。他的优化是建立在即保证使用寿命经济性和安全性的基础上进行的，会为汽车保留绝对安全的使用空间，给汽车发动机带来一个最舒适的运行空间。但还有另外一种情况，因为成本和技术水平的关系，有些车迷会退而求其次地为爱车装上一些俗称“二次进气”或“燃油追加”等配件来增加进入发动机的燃油和空气量，这些配件其实都是以绕过原装传感器或改变传感器电压的方式来“欺骗”ECU，使其在不知情下改变进入发动机内的空燃比值，令发动机在某些情形(工况)下的动力表现有所改善。这种不全面的改装方式会带来其它副作用甚至可能产生安全问题，而正统的改ECU方法虽然成本较高，却能免却很多不良的后遗症。
ECU设定一般分成两种，一种是街车，另一种是赛车。对于赛车来说，因为使用的燃料、场地和车手等因素都是规定好的，所以电脑设定的重点在于如何应对随时变化的天气、温度等环境因素。而街车就复杂多了，既没有限制驾驶时间，燃料也会变化，即使都使用高质量燃料，不同加油站的也会不同。与赛车相比，街车改装更需考虑安全因素，所以电脑设定要有所保留。在综合考虑车主的驾驶风格和车型特点后，再进行设定。而且就算是相同情况、相同的车，也会有变化，所以，使用同样数据来设定也不一定是最好的。
很多车主只顾及到马力有多少匹，而不看重扭矩，这是经常碰到的情况。其实改车并不要太麻木的一味追求马力，改装前应先清楚车辆用途和车主自己开车的习惯。
对于改装店家而言，在改ECU时，建议切勿只注重燃油喷注时间，还应留意燃油供应是否足够。其实也应该留意点火时间的编排，因为点火时间提前角极其重要。而车上加装的硬件，也必须先了解其特性，这样改ECU时加以配合就能让它发挥最佳效果。
另外，如果发动机用了高角度凸轮轴，由于它会改变气阀开合时间，在改编程序时更是难上加难，所以需要更精确地计算和调校。能否完全发挥改装零件的性能完全决定于ECU的调节，但通过更换ECU数据来改变发动机的特性是非常困难的工作。
我们不妨掰着手指头数数，到底有多少个系统需要控制系统。
自动变速箱、ABS系统、车载娱乐影音系统、四轮驱动扭矩分配系统、主动悬挂系统、安全气囊+安全带系统等等。
这么多系统，都有自己的传感器和处理器，进行单独的运算，井水不犯河水……但是，自动变速箱与发动机之间是需要配合的，例如换挡过程需要发动机的收油，大脚油门时需要变速箱的Kickdown降挡……多种状态下，二者是需要共享一大堆数据的，例如发动机的曲轴转速，自动变速箱重新建立一套传感器会造成成本浪费，而且也是不切实际的。
最好的办法就是变速箱与发动机ECU共享数据，这就催生了ECU之间的信息网络系统——CAN数据总线。
同样的CAN数据总线也在底盘电子设备上采用，例如四驱扭矩分配系统和ABS共享了底盘的诸多传感器参数。
CAN数据总线的发展必然将所有的控制系统集为一体。有一种说法，未来的ECU将会是强大的电脑系统，将整合发动机、自动变速箱、ABS系统、车载娱乐影音系统、四轮驱动扭矩分配系统、主动悬挂系统、安全气囊+安全带系统等等所有需要管理的部件，我们可以享受汽车影音系统，可以玩PC-Game，可以接受GPS信号，甚至连一个杯架都会处于ECU的管理之中。
更有意思的说法是，今后的ECU有可能建立一套开放式交互软件，如Windows操作系统，在此基础上再安装一堆的发动机管理系统、变速箱管理系统、ABS系统等等，那时候的发动机“ECU”管理系统，不过是一个可以实时更新的软件而已，你可以选择1.1版，也可以选择2.0版。当然你也需要安装一个防火墙来阻止黑客的入侵。
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