2020 年 12 月 – Andrew Choi, My Knowledge Blog

汽車ECU現狀及發展趨勢

如果把發動機比喻成汽車的“心臟”，那麼汽車的“大腦”就應該是ECU了。何為ECU？ECU是如何工作的？本文詳細解析。

何為ECU？ECU有兩個全稱，即Engine Control Unit和Electronic Control Unit，不難看出前者為“發動機控制單元”而後者是“電子控制單元”。這是兩個比較容易混淆的概念，今天我們先主要解析“Engine Control Unit”。

ECU的出現

在1967年之前，汽油機的供給系統是由化油器來供油的，這與今天的電噴發動機原理完全不同。化油器利用節氣門前後的壓力差吸油，不僅無法精准地控制燃油補給量，更制約了汽車動力性、環保性能的提升。Bosch等一批企業因此開發了電子燃油噴射系統，最早的BOSCH電噴系統是D-Jetronic，後期發展出了K-Jetronic和L-Jetronic，在電子技術介入後，BOSCH開發了多套電子化管理的燃油噴射系統，其中KE-Jetronic就是今天被廣泛採用的電噴技術，雖然各家企業的商品名不盡相同，但在構造上大同小異。

電噴系統的工作特性在於“定量、定時”噴射燃油，發動機需要多少燃油，在什麼時刻噴入，這與發動機的轉速、空氣流量等有著直接的關係，此外還牽涉到水溫、機油壓力等各種各樣的參數，這麼多參數如何進行處理，並向噴射系統發出噴油指令呢？這就需要發動機控制單元的介入了，ECU應運而生。

ECU的工作原理

ECU和普通的單片機一樣，由微處理器、記憶體、輸入/輸出介面、模數轉換器以及整形、驅動等積體電路組成。ECU的作用是通過各種感測器來計算車輛的行駛狀況，從而對發動機的點火、空燃比、怠速、廢氣再迴圈等多項參數進行控制。工作溫度在-40～80度，還能承受較大的振動，因此ECU損壞的概率非常小。此外，ECU還有故障自診斷和保護功能，當系統產生故障時，它還能在記憶體中自動記錄故障代碼並採用保護措施從上述的固有程式中讀取替代程式來維持發動機的運轉，使汽車能開到修理廠。

ECU是如何工作的呢？簡單地說就是一個將軍的指揮過程：“思考”、“指揮”，並最終“確認”。

“偵察”交給感測器來完成，感測器負責對整個發動機進行“偵察”，在一台發動機上，大大小小的感測器有數十個之多。節氣門開度感測器、曲軸轉速感測器、氧感測器、曲軸位置感測器、凸輪軸位置感測器、進氣溫度感測器、水溫感測器、爆震感測器是一台轎車發動機中最基本的感測器。感測器無處不在，他們負責採集相關的資訊，並以電信號的形式傳入ECU中，通過模數轉換器A/D變成數位信號後，ECU經過運算，判斷出此時發動機的工作狀態，這就是ECU的“思考”過程。

而“思考”過程依照什麼為標準呢？電腦固然不會有思維，這需要的是ROM存放的程式。這相當於一個軟體，當數據傳入ECU時，ROM程式的故有資料與採集而來的信號進行對比運算，由此ECU得出調整方法。這一套程式是ECU的靈魂所在，這一程式的編寫是建立在大量的實驗資料的基礎上的，往往需要經過台架實驗、道路試驗才能建立起來。通常改裝商更改ECU程式的做法，就是對ROM程式進行重新編寫或者修訂，以改變ECU的運算準則。

讓我們來我們深入的瞭解一下這個過程：

供油量的多寡是以噴油嘴燃料噴射時間的長短來計算，供油電腦（ECU）根據空氣流量、引擎轉速、及各個感應器所提供的補償訊號，利用原先設定的供油程式算出所需的供油時間，這個供油程式可以用圖形的方式來表現。

ECU所算出的燃料噴射時間是“基本噴射時間”、“補償噴射時間”和“無效噴射時間”的總和，單位是微秒（ms），1ms＝0.001秒。其中噴油嘴在單位時間內所噴出的汽油量是由噴油嘴本身口徑的大小及噴油壓力大小所決定。

1. 基本噴射時間

基本噴射時間是由進氣量（此處是指重量）和引擎轉速所決定。當你踩下油門踏板時，控制的是節氣閥的開啟角度，開度越大進氣量越大，供油電腦根據空氣流量計測出的進氣量及當時的引擎轉速來和預先所設定的供油程式比較後，算出所需供油量和相對的噴射時間。

2. 補償噴射時間

補償噴射也就是一般人所稱的『提速』，它是由各種感應器偵測出引擎當時的工作狀況及負荷，將訊號傳給電腦（ECU）以後，算出所需額外的供油量，用以維持引擎穩定、順暢的運轉。補償噴射程式的設定是一複雜的工作，也因車而異。

一般來說的補償噴射程式大致有下列幾項：冷車啟動補償、暖車補償、怠速後啟動補償、高溫時補償、加速補償、高轉速/高負荷補償、理論空然比回饋補償、斷油控制。

3. 無效噴射時間

噴油嘴從線圈通電到全量噴油之間會有一段延遲時間，稱為『開啟延遲』，而線圈斷電後到完全停止噴油也有一段延遲時間，稱為“關閉延遲”。

由於開啟延遲時間大於關閉延遲時間，所以實際的供油量將少於所需，而開啟延遲時間減掉關閉延遲時間就稱為『無效噴射時間』。為了得到正確的供油量，必須把無效噴射時間算進去，也就是說在算出供油量以後要再加上無效噴射時間噴出的油量才會和所想要的相同。因此，無效噴射時間也可視為補償噴射的一項。

當然，ECU也不是一成不變的，記憶體另一個功能如同飛機“黑匣子”，能夠記錄汽車行駛的資料，通常很多ECU都會有“學習”能力，正常情況下，記憶體會不停地記錄你行駛中的資料，成為ECU的學習程式，為適應你的駕駛習慣提供最佳的控制狀態，這個程式也叫自我調整程式。但由於是存儲於記憶體中，就象錯誤碼一樣，一但去掉電瓶而失去供電，所有的資料就會丟失。ECU能從記憶體記錄的資料中不斷地學習駕駛者的駕駛風格，從而更加人性化。當然，一旦出現故障，也可以從記憶體上讀取到資訊，從而為維修做出支援。

完成“思考”之後，ECU下一步需要做的就是“指揮”。受到ECU控制的是噴油器，負責調整噴油量和噴油時刻，同時汽油泵負責向其供油；點火控制器與點火線圈如何進行點火等等都受到ECU的控制。而在此之後，ECU需要再次接收資料以確認一個閉環控制的結束。

隨著今天汽車技術的進步，ECU肩負起了越來越多的重擔。i-VTEC等可變氣門正時技術就需要額外添加凸輪軸的位置感測器，並經過ECU運算，對凸輪軸的相位進行轉換，尤其是寶馬Double-VANOS等連續可變氣門正時系統，更需要ECU做出精密的運算來控制其相位、氣門升程。目前在一些中高級轎車上，不但在發動機上應用ECU，在其它許多地方都可發現ECU的蹤影。例如防抱死制動系統、4輪驅動系統、主動懸架系統、安全氣囊系統、、自動變速箱都需要單獨的控制系統，越來越多的ECU出現在汽車上，汽車添加的諸多設備都需要ECU的管理，而傳統的“EngineControlUnit”已經不能滿足時代發展了，成為了整車控制系統的一個模組。所以，今天我們更願意稱ECU為“ElectricalControlUnit”即電子控制系統。隨著轎車電子化自動化的提高，ECU將會日益增多，線路會日益複雜。為了簡化電路和降低成本，汽車上多個ECU之間的資訊傳遞就要採用一種稱為多工通信網路技術，將整車的ECU形成一個網路系統，也就是CAN資料匯流排，有關CAN會在後文提到。

ECU的升級

1. ECU改裝的可行性

ECU生產廠商均為國際跨國企業，如BOSCH 、SIEMENS 、MM ……。生產產品均銷售至全世界使用。因每個國家汽油品質、溫度、大氣壓力、濕度、引擎形式上的差異，ECU 程式軟體設定上須符合各國的條件來使用，由於現代的汽車要適應各種天氣、環境(如高原、沙漠、嚴寒和劣質汽油等惡劣條件)及各種駕駛者的不同要求，同時它也要保證這種複雜的情況下依然能夠揮灑自如行駛並通過嚴格的尾氣排放、油耗標準，因此在大多情形下，原裝ECU內的程式是一個符合眾多條件的最佳妥協，這樣才不致水土不服，故在設定上保留很多的空間可供改裝。另外，汽車品牌廠商在調校發動機參數時一般是要考慮發動機在最惡劣的環境或者是長時間不保養狀態下也能正常使用，也就是說整車廠商總是按最保守的方式來設置發動機輸出，所以，車主只要能保證定期給汽車做保養，就完全可以通過重新調校發動機參數來獲得更大的輸出來獲得超凡的駕駛快感。

以空燃比（AFR）為例，原廠程式設計員可能會把某些行車情況下（如在等速行車時）的空燃比調得稀一點（即油少氣多）來減低油耗，以便通過一些國家的油耗測試標準，面貌一新其它的時間裡原廠ECU的AFR大都會設定在上文提及的 1 ：14.7 ，因為這是最容易符合尾氣標準的比例。但對大部份發動機來說，能發出最大動力的AFR卻是在混合氣較濃（即油多氣少）的範圍內。同樣為了拓寬車子的燃油適應性（不同地區的不同標號的燃油），原廠設定的點火提前角一般都可適應較低標號的燃油（發動機在不同的點火提前角點火時輸出功率是不一樣的），也就是說你現在發動機的點火提前角未必能與你現在使用標號的燃油搭配最佳，如果可以把原裝程式向偏向動力表現方面修改一個，便能把馬力增大 5-8 ％左右，有些turbo 車更可達 15 ％。

2. ECU改裝的方式

ECU晶片改裝車廠在設計一具引擎時便已將原先設定好的供油程式燒錄在 ROM上，這個程式通常是油耗、污染、運轉平順度等條件妥協下的產物，而且是不可更動的。就因為不可更動，所以若想改變供油程式就必須換用另一種模式的 ROM。通常專業改裝廠都會供應種車型的改裝用電腦晶片，改裝時要先把原電腦的晶片取下（通常原廠供油電腦的 ROM都直接焊在電路板上），焊上一個IC座（如此一來可方便日後再更換），再插上改裝用的晶片。如此所得的供油程式仍是固定的，它只是對原車的程式做修正，其中很重要的一項是可將補償噴射程式中的斷油控制時間延後甚至取消不再有斷油之限制。

要注意的是每一種改裝用晶片都有它設定的適用條件（也就是改裝的程度），改裝時必須選用和您愛車改裝狀況相近的晶片，才能得到最佳的效果，否則可能適得其反。晶片的選用唯有尋求經驗豐富的改裝廠諮詢。一個晶片一種供油程式，聰明的讀者一定會想到：如果裝上兩個、三個，結果又如何呢？沒錯，國內以前就有改裝廠將兩個或三個不同供油模式的晶片，同時裝在同一片電路板上，駕駛人可由一個外接到車內切換開關，隨意選擇所需的供油模式，就有如切換自動變速箱的Ｐ檔、Ｅ檔、Ｓ檔一般，以應付車主不同情況的需求。

ECU電腦程式設計這是ECU系統改裝中比較專業的一項，在國內改裝界最為大家所熟悉的就是HALTEC電腦。經由這個電腦，車主可依照愛車引擎的改裝程度，配合空燃比計的測量，設定出最佳的供油程式，也就是前文所提的基本噴射程式以及各個補償噴射程式都可利用筆記型電腦任意更改。它與改晶片最大的不同，也是它最大的優點是日後引擎再作更動、改裝時，若出現原有供油程式不合用情況，可經由程式的修正立刻獲得解決。電腦程式設計後，原車的供油程式便廢棄不用，但較高等級的電腦能將原車的所有感應器功能悉數保留，也就是說各種供油補償程式都可正常運作，也可更改，不因獲得高性能而將運轉順暢度與實用性而犧牲。

改裝可程式設計ECU的最大困難並不在於安裝，而是供油程式的設定與最佳化修正。這往往需要借助經驗和儀器，經由不斷的測試才能達成。目前改裝廠的作法是先選定一個基本模式為基礎，再經由實際的運轉和測試逐步的修正，直到滿意為止。

3. 改裝ECU過程中幾個常見的問題

可能因為有別於其它機械系統，ECU的功能和工作原理是“看不見”的，加上大部分汽修廠甚至是4S店都不懂，也不能維修或解決ECU產生的問題，因此形成了ECU的神秘感。下面我們就來說說刷ECU過程中幾個常見的問題

1）用原廠ECU還是更全新的ECU

如果是一般的在民用改裝，個人比較推崇用原裝ECU來改裝。因為原裝ECU的功能是非常強的，而且它的程式是經過廠家工程師長期的資料積累和無數的測試而開發出來的，在任何情況下都可以保護發動機，而且不會出現故障碼、警告燈，不會出現其它系統如ABS、防打滑和防盜系統一起工作時出現的排斥問題，更不會把一些車上的重要功能刪掉。另一方面，改裝的成本相對較低。

2）有關ECU改裝的程度及調校風格

以性能改裝的角度來看，ECU的改裝是一個絕不可缺的環節。ECU可以幫助發動機發揮最佳的機械功能，但它不能超越原來設計所容許的極限。像一些專業車隊在開發賽車的發動機時，首先是設計凸輪軸、活塞、連杆等機械配件的配搭，把發動機的壓縮比和最高轉速等資料先定下來，最後才考慮ECU的問題。因為沒有強勁的發動機，ECU再“能幹”也只是白費心機的。所以對於ECU程式的調校方式，除非是用於賽車上，否則一般不會光把焦點放在挖取全油門時的最大馬力。更多的會把注意力放在汽車於低中速時的加速能力和油門反應，因為在民用車來說，是非常少機會用全油門和最高轉速來駕駛的，因此重點在於在2000rpm-4000rpm的轉速範圍、半油門狀況下的加速力和油門反應，而不會特意去爭取在7000rpm時可能多得的兩匹馬力。在這些地方儘量把馬力和扭矩曲線儘量做得順滑和漸進，這樣駕駛者在開車時會覺得油門特別靈敏和聽話，動力充沛。最大馬力的數字可能在宣傳上能吸引眼球，但實際環境中沒有人喜歡開一台加速不順暢的車。所以一般道路改裝車實在沒必要做到媲美競技車的動力程度，比較正確的認知觀念應該是這類改裝產品，能否在一個完全不損及車輛安全的前提下，除了做到動力輸出值的提高之外，還能達到玩家的實用需求！這其中包括：起步順暢度、中高轉域延伸性與順暢度以及再加速能力等等。與此同時，馬力機的測試資料與曲線圖的趨勢，以及車主實際的感官體驗，就扮演一個驗證產品與改裝效果好壞的重要依據！

3 ）ECU升級之後會不會影響汽車的使用壽命和安全性

或許很多人會有這樣的質疑，ECU升級之後會不會影響汽車的使用壽命和安全性，其實不用擔心，刷ECU只是對汽車行車電腦資料作了綜合的優化，而不是為了一味追求某一項指標的提高，將發動機的全部能力全部發揮出來。他的優化是建立在即保證使用壽命經濟性和安全性的基礎上進行的，會為汽車保留絕對安全的使用空間，給汽車發動機帶來一個最舒適的運行空間。但還有另外一種情況，因為成本和技術水準的關係，有些車迷會退而求其次地為愛車裝上一些俗稱“二次進氣”或“燃油追加”等配件來增加進入發動機的燃油和空氣量，這些配件其實都是以繞過原裝感測器或改變感測器電壓的方式來“欺騙”ECU，使其在不知情下改變進入發動機內的空燃比值，令發動機在某些情形(工況)下的動力表現有所改善。這種不全面的改裝方式會帶來其它副作用甚至可能產生安全問題，而正統的改ECU方法雖然成本較高，卻能免卻很多不良的後遺症。

4 ）街車與賽車在ECU設定上的區別

ECU設定一般分成兩種，一種是街車，另一種是賽車。對於賽車來說，因為使用的燃料、場地和車手等因素都是規定好的，所以電腦設定的重點在於如何應對隨時變化的天氣、溫度等環境因素。而街車就複雜多了，既沒有限制駕駛時間，燃料也會變化，即使都使用高品質燃料，不同加油站的也會不同。與賽車相比，街車改裝更需考慮安全因素，所以電腦設定要有所保留。在綜合考慮車主的駕駛風格和車型特點後，再進行設定。而且就算是相同情況、相同的車，也會有變化，所以，使用同樣資料來設定也不一定是最好的。

5）刷ECU時應注意的幾點

很多車主只顧及到馬力有多少匹，而不看重扭矩，這是經常碰到的情況。其實改車並不要太麻木的一味追求馬力，改裝前應先清楚車輛用途和車主自己開車的習慣。

對於改裝店家而言，在改ECU時，建議切勿只注重燃油噴注時間，還應留意燃油供應是否足夠。其實也應該留意點火時間的編排，因為點火時間提前角極其重要。而車上加裝的硬體，也必須先瞭解其特性，這樣改ECU時加以配合就能讓它發揮最佳效果。

另外，如果發動機用了高角度凸輪軸，由於它會改變氣閥開合時間，在改編程式時更是難上加難，所以需要更精確地計算和調校。能否完全發揮改裝零件的性能完全決定於ECU的調節，但通過更換ECU資料來改變發動機的特性是非常困難的工作。

未來汽車控制的趨勢

我們不妨掰著手指頭數數，到底有多少個系統需要控制系統。自動變速箱、ABS系統、車載娛樂影音系統、四輪驅動扭矩分配系統、主動懸掛系統、安全氣囊+安全帶系統等等。這麼多系統，都有自己的感測器和處理器，進行單獨的運算，井水不犯河水……但是，自動變速箱與發動機之間是需要配合的，例如換擋過程需要發動機的收油，大腳油門時需要變速箱的Kickdown降擋……多種狀態下，二者是需要共用一大堆資料的，例如發動機的曲軸轉速，自動變速箱重新建立一套感測器會造成成本浪費，而且也是不切實際的。最好的辦法就是變速箱與發動機ECU共用資料，這就催生了ECU之間的資訊網路系統——CAN資料匯流排。同樣的CAN資料匯流排也在底盤電子設備上採用，例如四驅扭矩分配系統和ABS共用了底盤的諸多感測器參數。

CAN資料匯流排的發展必然將所有的控制系統集為一體。有一種說法，未來的ECU將會是強大的電腦系統，將整合發動機、自動變速箱、ABS系統、車載娛樂影音系統、四輪驅動扭矩分配系統、主動懸掛系統、安全氣囊+安全帶系統等等所有需要管理的部件，我們可以享受汽車影音系統，可以玩PC-Game，可以接受GPS信號，甚至連一個杯架都會處於ECU的管理之中。

更有意思的說法是，今後的ECU有可能建立一套開放式交互軟體，如Windows作業系統，在此基礎上再安裝一堆的發動機管理系統、變速箱管理系統、ABS系統等等，那時候的發動機“ECU”管理系統，不過是一個可以即時更新的軟體而已，你可以選擇1.1版，也可以選擇2.0版。當然你也需要安裝一個防火牆來阻止駭客的入侵。

文章來源：中汽技術資訊
《2017-2022年中國汽車電子控制系統市場投資報告》

月份: 2020 年 12 月

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汽車ECU現狀及發展趨勢

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