ECU 應(yīng)用簡(jiǎn)介

1. ECU 在汽車(chē)系統(tǒng)中的作用

   發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(Engine Control Unit, 簡(jiǎn)稱(chēng)ECU)是現(xiàn)代汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的核心控制模塊，負(fù)責(zé)采集和處理發(fā)動(dòng)機(jī)各類(lèi)傳感器信號(hào)，通過(guò)精確控制燃油噴射、點(diǎn)火時(shí)機(jī)、空氣進(jìn)氣量、排氣處理等策略，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、油耗與排放的最優(yōu)平衡。

2. ECU的工作原理概述

   如圖 1 所示為ECU系統(tǒng)框圖，ECU通過(guò)連接在車(chē)載CAN/LIN總線(xiàn)上的傳感器獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包含曲軸位置、氧氣、節(jié)氣門(mén)、溫度、壓力等。內(nèi)部基于MCU運(yùn)行一套復(fù)雜的控制算法，并通過(guò)PWM、模擬或數(shù)字信號(hào)輸出控制信號(hào)給各類(lèi)執(zhí)行器如電磁閥、噴油器、點(diǎn)火線(xiàn)圈等，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)。

3. ECU相關(guān)負(fù)載類(lèi)型概覽
   圖 1 ECU系統(tǒng)框圖

   圖 1 中ECU系統(tǒng)框圖里面(A)類(lèi)型的負(fù)載就是執(zhí)行器，其他是傳感器，本文著重介紹執(zhí)行器負(fù)載，主要包括：

1. 燃油噴油器(Fuel Injector): 它的主要作用是將燃油霧化并按精確的時(shí)間和噴射量噴入氣缸或進(jìn)氣道，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的效率和穩(wěn)定性。
2. 進(jìn)排氣可變氣門(mén)控制閥(VVT): 在圖1中所示凸輪軸(Camshaft)上，主要作用是通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)排氣門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)機(jī)來(lái)提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力與扭矩，優(yōu)化燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放等。
3. 廢氣再循環(huán)閥(EGR): 主要作用是把一部分排氣重新引入進(jìn)氣歧管，與新鮮空氣混合后再進(jìn)入氣缸燃燒，從而改善燃燒過(guò)程和降低污染物排放。
4. 渦輪增壓控制閥(Turbocharger control valve): 主要作用是精確調(diào)節(jié)進(jìn)入渦輪的廢氣流量，從而控制增壓壓力。既能避免發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪因過(guò)度增壓受損，又能提升動(dòng)力響應(yīng)、改善燃油經(jīng)濟(jì)性和排放表現(xiàn)。
5. 電子節(jié)氣門(mén)閥(ETC): 主要作用是取代傳統(tǒng)機(jī)械拉線(xiàn)，用ECU電子控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量。能實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的空燃比控制，提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能與燃油經(jīng)濟(jì)性。
6. 點(diǎn)火線(xiàn)圈(Ignition coil): 主要作用時(shí)把低壓電源升高到數(shù)萬(wàn)伏的高壓，并在火花塞上產(chǎn)生火花，從而點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的空燃混合氣。

ECU中的電磁閥類(lèi)型與控制需求分析

本文主要介紹ECU中電磁閥類(lèi)型和控制需求以及推薦TI相關(guān)適合的產(chǎn)品，因此下面會(huì)對(duì)燃油噴油器閥、進(jìn)排氣可變氣門(mén)控制閥、廢氣再循環(huán)閥、電子節(jié)氣門(mén)閥和渦輪增壓控制閥的驅(qū)動(dòng)需求進(jìn)行介紹。

1. 燃油噴油器閥: 分為進(jìn)氣歧管?chē)娚湫秃椭眹娦?，都為電磁閥結(jié)構(gòu)，主要區(qū)別在于，進(jìn)氣歧管?chē)娚湫腿加驮谶M(jìn)氣歧管中霧化，而直噴型是通過(guò)多次快速?lài)娚湫纬?，所以最主要區(qū)別是控制的頻率不一樣，直噴型的PWM控制頻率通常為1kHz~2kHz。噴油器電磁閥數(shù)量與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)匹配，例如，四缸機(jī)有4個(gè)燃油噴油器。如圖 2 所示，噴油器主要包括電磁線(xiàn)圈、針閥和彈簧，通過(guò)在電磁線(xiàn)圈通電來(lái)吸起針閥打開(kāi)噴嘴。該電磁閥的驅(qū)動(dòng)一般采用峰值保持 (Peak&Hold) 控制，峰值電流需求在2~4A，保持電流需求0.5~1.5A，通常為PWM控制，典型PWM頻率在1kHz~2kHz。負(fù)載診斷方面需要監(jiān)測(cè)負(fù)載短路、負(fù)載開(kāi)路、輸出短路到地或者12V電源等。
   圖 2 直噴型燃油噴油器
2. 進(jìn)排氣可變氣門(mén)控制閥(VVT): VVT主要為電磁閥，一般每根凸輪軸需要一個(gè)VVT閥，下圖所示為VVT閥的實(shí)例結(jié)構(gòu)圖，電磁閥位于圖中5的位置，6為電連接器，一般采用低邊驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流通常在0.5~1.5A，相對(duì)于噴油器閥，VVT閥驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速度需求較低，一般為100~300Hz PWM控制，但是需要線(xiàn)性恒流控制閥的開(kāi)度，精度一般在5%以?xún)?nèi)。負(fù)載診斷方面需要監(jiān)測(cè)負(fù)載短路、負(fù)載開(kāi)路、輸出短路到地或者12V電源等。
   圖 3 VVT閥結(jié)構(gòu)圖
3. 廢氣再循環(huán)閥(EGR) 、電子節(jié)氣門(mén)閥(ETC): EGR和ETC閥的驅(qū)動(dòng)需求和作用類(lèi)似，一般常見(jiàn)的類(lèi)型有直流電機(jī)型和電磁比例閥型，EGR和ETC都需要雙向線(xiàn)性的調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，并且一般需要配合位置傳感器形成精確的閉環(huán)位置控制，圖 4 為一種EGR的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。主流的EGR和ETC閥需要H橋驅(qū)動(dòng)器，并且需要支持電流檢測(cè)，PWM驅(qū)動(dòng)頻率一般為幾kHz~20kHz，連續(xù)電流能力1.5~3A，堵轉(zhuǎn)電流4~8A，負(fù)載診斷方面需要監(jiān)測(cè)負(fù)載短路、負(fù)載開(kāi)路、輸出短路到地或者12V電源等。
   圖 4 EGR結(jié)構(gòu)圖
4. 渦輪增壓控制閥(Turbocharger control valve): 圖 5 所示為渦輪增壓控制閥，一般為電磁閥型。由于需要具備雙向開(kāi)度的控制，所以一般采用H橋驅(qū)動(dòng)器，電流范圍0.5~1.5A，并且需要具備閉環(huán)線(xiàn)性恒流控制，精度3%~5%。負(fù)載診斷方面需要監(jiān)測(cè)負(fù)載短路、負(fù)載開(kāi)路、輸出短路到地或者12V電源等。
   圖 5 渦輪增壓控制閥結(jié)構(gòu)圖

TI在ECU中相關(guān)電磁閥驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品推薦

ECU系統(tǒng)中傳統(tǒng)的執(zhí)行器負(fù)載驅(qū)動(dòng)方案主要來(lái)自于ST和NXP，包括ST的ECU專(zhuān)用集成IC L9788和L9781、驅(qū)動(dòng)ETC和EGR閥的L9960T雙通道H橋驅(qū)動(dòng)器，以及NXP的ECU專(zhuān)用集成IC MC33PT2001。其中，L9788、L9781、MC33PT2001都集成多路燃油噴油器閥驅(qū)動(dòng)和多路支持peak&hold控制的電磁閥驅(qū)動(dòng)，L9788相對(duì)多集成點(diǎn)火線(xiàn)圈的驅(qū)動(dòng)。這些傳統(tǒng)方案的集成度高，對(duì)于客戶(hù)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是靈活度相對(duì)較低，可替代性較差，設(shè)計(jì)上的更新迭代速度也會(huì)相對(duì)受限，下面來(lái)介紹一些TI在ECU中相關(guān)電磁閥驅(qū)動(dòng)高性?xún)r(jià)比的特色產(chǎn)品。

1. DRV89xx-Q1

   DRV89xx-Q1 系列是TI汽車(chē)多通道半橋驅(qū)動(dòng)器，有4/6/8/10/12路半橋輸出選項(xiàng)，并且互相pin to pin兼容。內(nèi)部集成的MOSFET導(dǎo)通電阻典型值為0.75Ω，每路半橋可以輸出最大1A有效值，并且支持多路并聯(lián)輸出，并聯(lián)最大支持6A有效值。該芯片支持SPI接口，可獨(dú)立配置為高邊、低邊或者H橋驅(qū)動(dòng)模式，并且集成4/8路PWM發(fā)生器，每個(gè)通道占空比和PWM頻率可獨(dú)立配置，頻率可配置選項(xiàng)包括80Hz/100Hz/200Hz/2kHz。DRV89xx-Q1系列產(chǎn)品也集成風(fēng)豐富的診斷保護(hù)功能，有獨(dú)立的nFault引腳作為診斷指示的輸出，包括輸出過(guò)流保護(hù)、負(fù)載開(kāi)路檢測(cè)以及過(guò)熱保護(hù)。因此，DRV89xx-Q1系列產(chǎn)品集成度高和可支持最高2kHz PWM頻率等特點(diǎn)，非常適合驅(qū)動(dòng)ECU中燃油噴油器電磁閥。

2. DRV8243/4/5-Q1

   DRV824x-Q1系列是集成電流采樣的H橋驅(qū)動(dòng)器，其中芯片型號(hào)的尾綴表示不同Rdson的選項(xiàng)，DRV8243-Q1高邊+低邊MOS導(dǎo)通電阻典型值為85mΩ；DRV8244-Q1導(dǎo)通電阻典型值為45mΩ；DRV8245-Q1導(dǎo)通電阻典型值為30mΩ。為方便客戶(hù)選型，我們提供了對(duì)應(yīng)結(jié)溫計(jì)算工具(http://m.cqwzaes.cn/tool/cn/download/SLVRBI3)，可輸入負(fù)載電流需求以計(jì)算芯片的結(jié)溫，從而選取合適的型號(hào)。

   DRV824x-Q1系列PWM頻率最高可支持25kHz，可配置輸出壓擺率和展頻時(shí)鐘使其具備良好的EMI性能。芯片支持的診斷和保護(hù)包括，在離線(xiàn)和導(dǎo)通狀態(tài)下的負(fù)載開(kāi)路和短路檢測(cè)、輸出過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)等，該產(chǎn)品具有SPI和HW硬線(xiàn)控制兩個(gè)版本，SPI版本具有更高的可配置性，提供負(fù)載開(kāi)路及短路等診斷標(biāo)志位，滿(mǎn)足更高的系統(tǒng)功能安全設(shè)計(jì)需求。因此，DRV824x-Q1非常適合用于驅(qū)動(dòng)EGR閥、ETC閥和渦輪增壓控制閥等負(fù)載。

3. DRV3946-Q1

   DRV3946-Q1是一款具有閉環(huán)PWM電流調(diào)節(jié)、可配置峰值和保持電流、集全面診斷功能滿(mǎn)足ASIL-C芯片級(jí)功能安全認(rèn)證的雙通道汽車(chē)螺線(xiàn)管驅(qū)動(dòng)器。內(nèi)置典型值為37mΩ(低側(cè))和57mΩ(高側(cè))導(dǎo)通電阻的MOSFET，適用于驅(qū)動(dòng)持續(xù)電流在3A以?xún)?nèi)的負(fù)載，高側(cè)開(kāi)關(guān)主要用于負(fù)載續(xù)流和快速關(guān)斷功能，低側(cè)開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)負(fù)載驅(qū)動(dòng)。該產(chǎn)品在高側(cè)和低側(cè)都集成±5%精度的電流采樣，最高可支持20kHz PWM頻率。在保護(hù)和診斷功能方面覆蓋全面，支持上電自檢、負(fù)載開(kāi)路和短路的監(jiān)控、在驅(qū)動(dòng)器開(kāi)啟和關(guān)閉期間檢測(cè)失控情況、用作冗余的引腳關(guān)斷、故障指示等。因此，DRV3946-Q1非常適用于需要恒流控制或者電流峰值保護(hù)驅(qū)動(dòng)的電磁閥，如前述介紹的VVT閥。

4. DRV8873-Q1

   DRV8873-Q1是一款集成兩路電流采樣的H橋驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置MOS高側(cè)+低側(cè)導(dǎo)通電阻典型值為150mΩ，考慮開(kāi)關(guān)損耗可支持2.4A左右的持續(xù)電流，10A的峰值電流。相對(duì)于DRV824x-Q1系列產(chǎn)品，DRV8873-Q1可支持高達(dá)100kHz PWM頻率，并且集成獨(dú)立的兩路高側(cè)開(kāi)關(guān)電流采樣和反饋引腳，除了用于驅(qū)動(dòng)直流有刷電機(jī)，也非常適合作為兩個(gè)獨(dú)立半橋驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電磁閥，如需獲得更高的電流控制精度，也可通過(guò)搭配高精度的電流采樣運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn):

• AUTOMOTIVE FUEL INJECTOR CONTROL USING POWER + CONTROL WITH POWER+ ARRAYS
• Control, Computing and Communications: Technologies for the Twenty-First Century Model T
• https://cecas.clemson.edu/cvel/auto/AuE835_Projects_2011/Lucas_project.html
• https://www.gatestechzone.com/en/news/2021-10-vvt-technology-solenoids
• AGCO Automotive Repair Service - Baton Rouge, LA - Detailed Auto Topics - How Does an EGR Valve Work
• What is An Ignition System?- Types, Parts, and Working