一文了解ECU硬件都有什么

汽車ECU，全稱為Electronic Control Unit，是一種專為汽車電子系統(tǒng)設(shè)計的微型計算機，它在現(xiàn)代汽車中扮演著至關(guān)重要的角色。ECU的主要作用是通過接收來自各種傳感器的數(shù)據(jù)，處理這些信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯或算法控制各種執(zhí)行器，確保汽車各個系統(tǒng)能高效、安全地運行。本文打算來介紹ECU硬件，包括其組成和作用，與此強相關(guān)的傳感器，執(zhí)行器和電源管理模塊等內(nèi)容。

1 ECU硬件的組成

首先，關(guān)于ECU硬件的組成，可以概括如下圖所示：

總結(jié)下來，ECU的硬件組成主要包含以下幾個關(guān)鍵部分：

• 微控制器（MCU，Microcontroller）。MCU作為ECU的核心，它集成了CPU、存儲器和其他外圍接口。CPU執(zhí)行控制邏輯，處理來自傳感器的數(shù)據(jù)，并生成控制信號。比如TC系列、STM32系列和Cortex-M系列等；
• 外圍電路。輸入接口用于接收傳感器信號，包括模擬輸入（如A/D轉(zhuǎn)換器）和數(shù)字輸入；輸出接口控制執(zhí)行器，比如控制電機或電磁閥或功率器件。
• 通信接口。支持多種通信協(xié)議，如CAN、LIN、UART、以太網(wǎng)等，用于與其他ECU或車載網(wǎng)絡(luò)通信。
• 電源管理模塊。確保ECU穩(wěn)定供電，可能包括電壓調(diào)節(jié)器和保護(hù)電路。
• 其他。比如監(jiān)控模塊用于檢測ECU狀態(tài)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，如看門狗定時器；電容、電感用于濾波和穩(wěn)定電路中的電流和電壓；變壓器、開關(guān)管在電源管理和功率輸出中發(fā)揮作用等。

這些組件協(xié)同工作，確保ECU能夠準(zhǔn)確地接收信息、處理數(shù)據(jù)并發(fā)出控制指令。

2 ECU硬件的作用

ECU硬件具體起了什么作用，總結(jié)如下：

1）傳感器信號處理

傳感器的原始信號因干擾存在噪聲，需要在硬件層面進(jìn)行處理，因此通常設(shè)計相應(yīng)的硬件電路進(jìn)行抗干擾，信號濾波和傳感器保護(hù)（STG，STB和OL）等。

總體來說，傳感器大多數(shù)是不在PCB上，少數(shù)在PCB上，比如加速第傳感器和溫度傳感器等，對于傳感器的信號類型分為兩類，一類是常見的模擬信號，數(shù)字信號和頻率信號；另一類是協(xié)議信號，比如SENT, SPI和AK協(xié)議等。對于不同類型的傳感器信號，需要不同的硬件電路來處理。

2）通訊處理

ECU之間常見的通訊有Lin、 CAN和以太網(wǎng)等形式。以CAN通訊為例，物理電壓信號通過CAN_H和CAN_L兩根線傳輸，ECU硬件需要設(shè)計硬件處理電路，防止EMC干擾等，然后使用相應(yīng)的CAN收發(fā)器將CAN_H和CAN_L兩根線的差分電壓轉(zhuǎn)換成邏輯電平，最后傳輸給CAN控制器。

source: CAN接口電路設(shè)計

3）執(zhí)行器的驅(qū)動處理

ECU執(zhí)行器的驅(qū)動電路一般采用驅(qū)動外圍芯片外加部分處理電路的形式，主要是針對電磁閥、電機和功率開關(guān)類器件。以變速箱控制器上電磁閥的硬件驅(qū)動電路為例，有些關(guān)鍵電磁閥有高低邊驅(qū)動芯片配置，以保證電磁閥工作滿足預(yù)期的行為。

4）控制

微控制器作為ECU的大腦，負(fù)責(zé)上述的傳感器信號采集，CAN通訊配置和執(zhí)行器的驅(qū)動等作用，從ECU硬件角度選擇符合要求的微控制器至關(guān)重要，同時合理的分配微控制器引腳的使用也十分重要。

5）電源的管理

不管是傳感器，CAN收發(fā)器，執(zhí)行器和微控制器，它們只有供電得到保證后才能正常工作，所以ECU硬件需要配置相應(yīng)的電源管理芯片/模塊，以此輸出不同的電壓值，來滿足不同器件的供電要求。

6）信號的檢測

ECU需要設(shè)計一些硬件電路，將電信號（電壓/電流）輸入給微控制器，從而微控制器可以通過該電信號判斷是否電路存在異常，比如下圖所示的傳感器1，通過硬件處理電路輸入給微控制器的信號無法判斷所有的硬件故障，這時就需要增加額外的電路，以保證所有的硬件故障能被覆蓋，故將這部分額外的電路成為診斷電路，檢測硬件電路的狀態(tài)。

7）ECU的測試

一方面是在PCB需要能夠?qū)﹄娐分苯舆M(jìn)行檢測，因此設(shè)計時需要布置一些觸點，方便用歐萬用表等測試設(shè)備直接進(jìn)行測試；另一方面，為了軟件調(diào)試目的，在PCB會留有調(diào)試接口等，比如JTAP口。

接下來我們在了解下ECU硬件的重要組成部件：傳感器和執(zhí)行器。

3 ECU硬件的傳感器

汽車上使用的傳感器非常多，可以從以下兩個角度來了解：

1) 檢測的物理信號類型

汽車上的傳感器可以檢測多種物理信號，比如：

• 速度：車速傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器和輪速傳感器等，可以檢測車輛的速度和轉(zhuǎn)速等信息。
• 位置：撥叉位置傳感器，可以檢測變速箱的撥叉位置信息。
• 溫度：冷卻液溫度傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、排氣溫度傳感器等，可以檢測發(fā)動機和各個系統(tǒng)的溫度。
• 壓力：油壓傳感器、機油壓力傳感器、燃油壓力傳感器等可以檢測各種液體和氣體的壓力。
• 加速度：加速度計和陀螺儀可以檢測車輛的加速度和姿態(tài)，幫助車輛保持平衡和穩(wěn)定性。

具體可以了解參考博世的傳感器手冊，如下示意：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/9781118354179.auto175

2) 傳輸?shù)男盘栴愋?/strong>

這些傳感器有著不同的工作原理和作用，按照其輸出類型可分為：

• 模擬信號：模擬信號是一種連續(xù)變化的信號，通常以電壓、電流、電阻等物理量的形式表示。傳感器的輸出信號通常是模擬信號，需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能進(jìn)行數(shù)字處理和存儲，比如溫度傳感器和壓力傳感器等。
• 數(shù)字信號：數(shù)字信號是一種離散的信號，通常以二進(jìn)制數(shù)的形式表示，直接輸出數(shù)字信號，不需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器。比如撥檔傳感器和門傳感器等。
• 脈沖信號：脈沖信號是一種具有固定頻率和占空比的矩形波信號，通常用于計數(shù)和測量，比如轉(zhuǎn)速傳感器。
• 脈沖寬度調(diào)制信號：PWM信號是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的技術(shù)，通過不同占空比的脈沖信號來模擬連續(xù)變化的模擬信號。比如位置傳感器。
• 串行信號：串行信號是一種按照一定規(guī)則依次發(fā)送的信號，通常用于長距離傳輸和多設(shè)備連接。串行信號有多種協(xié)議，如I2C、SENT, SPI，AK, PSI5等。最常用的SPI協(xié)議，用來板載傳感器的信號傳輸，比如加速度傳感器。

對于不同類型的傳感器信號，需要不同的處理方式，以便進(jìn)行數(shù)字處理、存儲、傳輸和控制。因此這就意味著控制器硬件設(shè)計需要考慮各個傳感器傳輸?shù)男盘栴愋?，以滿足采集要求。

4 ECU硬件的執(zhí)行器

1）電機

汽車的很多控制功能都需要使用電機作為執(zhí)行器，這些執(zhí)行電機一般是直流電機或步進(jìn)電機，它倆都可以根據(jù)控制信號來完成精確的位置和速度控制。

• 直流電機：是一種將電能轉(zhuǎn)換成機械能的電動機，它可以通過改變電流的方向和大小來控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。在汽車控制器中，直流電機通常用于控制發(fā)動機的進(jìn)氣量、空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量、電動窗戶的開合等。
• 步進(jìn)電機：是一種具有定量位置和轉(zhuǎn)角的電機，它可以通過給定特定的脈沖序列來控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的角度和位置控制。在汽車控制器中，步進(jìn)電機通常用于控制車輛的換擋、離合器的離合過程、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向角度等。

除了直流電機和步進(jìn)電機之外，汽車控制器中還可能包括交流電機、無刷直流電機等類型的執(zhí)行電機。不同的執(zhí)行電機類型應(yīng)用于不同的汽車控制器系統(tǒng)，如下所示：

https://www.mouser.com/new/diodes-inc/diodes-inc-bldc

這里再介紹下BLDC（Brushless DC Motor, 無刷直流電機）的硬件電路為例，BLDC通過電子控制器來控制電機的轉(zhuǎn)速和方向，BLDC控制器通常包括電機驅(qū)動器、控制電路和傳感器等部分，如下圖所示。

電機驅(qū)動器將電源電壓轉(zhuǎn)換為電機需要的電壓和電流，控制電路接收來自車輛的控制信號，并將信號轉(zhuǎn)換成電機的驅(qū)動信號，傳感器用于監(jiān)測電機的位置和轉(zhuǎn)速信息，以實現(xiàn)精確的電機控制。

2）電磁閥

ECU執(zhí)行器系統(tǒng)常用的閥有：

• 電磁閥：是一種通過電磁作用將閥芯移動來控制介質(zhì)通斷，壓力或流量的閥門，廣泛應(yīng)用于汽車的電液系統(tǒng)中。
• 氣動閥：是一種利用壓縮空氣來控制閥芯運動的閥門，常用于汽車空氣制動系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等控制中。
• 機械閥：是一種通過機械作用來控制介質(zhì)通斷或流量的閥門，常用于汽車的燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等控制中。

這些執(zhí)行器閥在汽車控制系統(tǒng)中起著重要的作用，通過控制介質(zhì)的通斷或流量來控制汽車的各種操作。這些執(zhí)行器閥可以單獨使用，也可以組合使用，以實現(xiàn)更為復(fù)雜的控制需求，這里以自動變速箱的電液系統(tǒng)為例：

https://www.researchgate.net/figure/Schematic-diagram-of-hydraulic-system-of-WDCT

該電液系統(tǒng)包含的電磁閥有：

• 1個主油路油壓調(diào)節(jié)電磁閥，用來調(diào)節(jié)主油路油壓；
• 2個離合器油壓調(diào)節(jié)電磁閥，分別用來調(diào)節(jié)兩個離合器油壓大小；
• 1個離合器冷卻油量調(diào)節(jié)電磁閥，根據(jù)油溫傳感器信號來調(diào)節(jié)離合器冷卻油量；
• 4個換檔電磁閥（開關(guān)閥），用來切換1檔/3檔、4檔/6檔、5檔/7檔、2檔/R檔；
• 1個檔位切換電磁閥，通電時進(jìn)行偶數(shù)檔的切換，不通電時進(jìn)行奇數(shù)檔的切換；
• 2個安全電磁閥，在傳動中出現(xiàn)安全故障時，用于避免該支路會失去壓力。

3）繼電器

繼電器在新能源汽車中起著越來越重要的作用，尤其對高功率電路的控制，可以保證汽車各部件的正常運行，具體應(yīng)用的控制功能，示意如下：

https://components.omron.com/products/relays/automotive具體來說，繼電器是一種將小電流控制大電流的電器開關(guān)，它通過控制電磁鐵的通斷來開關(guān)高功率電路。ECU中繼電器通常用于控制高功率電路的開關(guān)，比如：

• 啟動電機：汽車發(fā)動機啟動需要大電流，這時控制器會通過繼電器將電池的電流輸出到發(fā)動機的起動電機上，以實現(xiàn)發(fā)動機的啟動。
• 燈光：汽車的燈光通常需要大功率電流，控制器會通過繼電器控制燈光的開關(guān)，以實現(xiàn)燈光的控制。
• 風(fēng)扇：汽車的散熱風(fēng)扇需要大功率電流，控制器會通過繼電器控制風(fēng)扇的開關(guān)，以實現(xiàn)散熱風(fēng)扇的控制。
• 電動窗戶：汽車電動窗戶通常需要大功率電流，控制器會通過繼電器控制窗戶電機的正反轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)窗戶的升降。

除了上述的這些功能，在新能源汽車中，BMS和OBC會使用到多個繼電器，來控制充放電及其保護(hù)功能，以BMS為例：

https://www.ionenergy.co/resources/blogs/hv-bms

BMS使用了3個繼電器：

• 充電繼電器：充電繼電器用于控制電池的充電，當(dāng)充電器充電時，充電繼電器將電池連接到充電器，以實現(xiàn)電池的充電。
• 放電繼電器：放電繼電器用于控制電池的放電，當(dāng)電池需要放電時，放電繼電器將電池連接到負(fù)載上，以實現(xiàn)電池的放電。
• 保護(hù)繼電器：保護(hù)繼電器用于監(jiān)測電池系統(tǒng)的狀態(tài)，當(dāng)電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，保護(hù)繼電器會切斷電池與負(fù)載之間的連接，以保護(hù)負(fù)載和電池。

電池管理系統(tǒng)可能還配備絕緣監(jiān)測繼電器，用于監(jiān)測電池系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)，當(dāng)電池系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)出現(xiàn)問題時，絕緣監(jiān)測繼電器會切斷電池與負(fù)載之間的連接，以避免電池漏電或其他安全問題。

5 ECU硬件的電源管理

上面介紹完了ECU硬件的傳感器和執(zhí)行器，本來微控制器也是非常重要的點，但考慮到微控制器其實更多的在ECU軟件開發(fā)被研究，直接跳到ECU硬件的電源管理。

電源管理確保電子控制單元穩(wěn)定、高效運行的關(guān)鍵一環(huán)，下圖示意電源管理模塊與ECU硬件的其他模塊的關(guān)系：

1）傳感器供電

傳感器需要穩(wěn)定且可靠的電源供應(yīng)才能正常工作，其供電電壓范圍依傳感器類型和具體的設(shè)計而定，典型的車用傳感器供電電壓有：5V和12V。比如溫度傳感器、壓力傳感器和位置傳感器等，需采用5V供電；比如轉(zhuǎn)速傳感器，需要12V的電源。另外，在商用車或特殊應(yīng)用場景下，會使用24V供電。下面列舉了常見傳感器的電壓范圍：

• 位置傳感器，電壓范圍4.75V-5.25V，典型值為5V。

• 轉(zhuǎn)速傳感器，電壓范圍4V-24V，常取12V。

2）微控制器供電

微控制器的供電電壓可以分為以下幾種：

• 5V：最常見的微控制器供電電壓。
• 3.3V：現(xiàn)代微控制器中較為普遍的供電電壓，包括許多32位微控制器和16位微控制器。
• 1.3V：一些新型微控制器，尤其是在低功耗和高性能方面，需要更低的供電電壓。

不同微控制器可能有不同的供電電壓要求，具體根據(jù)具體的規(guī)格書來確定，如下列舉了英飛凌 Aurix TC3XX系列的幾種供電電壓值。

TC3xx有1.3V，3.3V和5V三種供電電壓。為了保證微控制器的穩(wěn)定運行，需要為微控制器提供穩(wěn)定的電源，通常使用專門的電源管理芯片和硬件處理電路來保證，比如常聽說的TLE35584就是一款很常用的電源管理芯片。

3）執(zhí)行器供電

汽車控制器通過控制信號和電能轉(zhuǎn)換等方式控制執(zhí)行器，通常都不是通過微控制器直接驅(qū)動，而是需要通過外圍芯片來驅(qū)動，通過這些驅(qū)動芯片來給執(zhí)行器提供穩(wěn)定或可調(diào)節(jié)的供電電壓，如下圖為BLDC的驅(qū)動芯片，該芯片需要3.3V和5V兩種供電電壓。

4）通訊器件的供電

關(guān)于通訊器件相關(guān)的供電，以CAN通訊為例，需要使用CAN收發(fā)器，將CAN總線的差分電壓信號轉(zhuǎn)換成邏輯電平信號，CAN收發(fā)器需要被供電才能正常運行，通常需要5V供電，如下所示：

6 總結(jié)

以上就是對于ECU硬件的組成和作用功能，以與此相關(guān)的傳感器，執(zhí)行器和電源管理等內(nèi)容介紹。按照這個思路，可以專注于一個ECU的深入研究，一方面可以從硬件角度，深入了解具體的硬件電路是怎樣的，另一方面可以從軟件角度，了解輸入給軟件的每一個信號都被硬件做了什么，以及軟件需要對每一個信號做什么。

來源：謙益行