一文了解ECU硬件都有什么

汽车ECU，全称为Electronic Control Unit，是一种专为汽车电子系统设计的微型计算机，它在现代汽车中扮演着至关重要的角色。ECU的主要作用是通过接收来自各种传感器的数据，处理这些信息，并根据预设的逻辑或算法控制各种执行器，确保汽车各个系统能高效、安全地运行。本文打算来介绍ECU硬件，包括其组成和作用，与此强相关的传感器，执行器和电源管理模块等内容。

1 ECU硬件的组成

首先，关于ECU硬件的组成，可以概括如下图所示：

总结下来，ECU的硬件组成主要包含以下几个关键部分：

• 微控制器（MCU，Microcontroller）。MCU作为ECU的核心，它集成了CPU、存储器和其他外围接口。CPU执行控制逻辑，处理来自传感器的数据，并生成控制信号。比如TC系列、STM32系列和Cortex-M系列等；
• 外围电路。输入接口用于接收传感器信号，包括模拟输入（如A/D转换器）和数字输入；输出接口控制执行器，比如控制电机或电磁阀或功率器件。
• 通信接口。支持多种通信协议，如CAN、LIN、UART、以太网等，用于与其他ECU或车载网络通信。
• 电源管理模块。确保ECU稳定供电，可能包括电压调节器和保护电路。
• 其他。比如监控模块用于检测ECU状态，确保系统稳定性，如看门狗定时器；电容、电感用于滤波和稳定电路中的电流和电压；变压器、开关管在电源管理和功率输出中发挥作用等。

这些组件协同工作，确保ECU能够准确地接收信息、处理数据并发出控制指令。

2 ECU硬件的作用

ECU硬件具体起了什么作用，总结如下：

1）传感器信号处理

传感器的原始信号因干扰存在噪声，需要在硬件层面进行处理，因此通常设计相应的硬件电路进行抗干扰，信号滤波和传感器保护（STG，STB和OL）等。

总体来说，传感器大多数是不在PCB上，少数在PCB上，比如加速第传感器和温度传感器等，对于传感器的信号类型分为两类，一类是常见的模拟信号，数字信号和频率信号；另一类是协议信号，比如SENT, SPI和AK协议等。对于不同类型的传感器信号，需要不同的硬件电路来处理。

2）通讯处理

ECU之间常见的通讯有Lin、 CAN和以太网等形式。以CAN通讯为例，物理电压信号通过CAN_H和CAN_L两根线传输，ECU硬件需要设计硬件处理电路，防止EMC干扰等，然后使用相应的CAN收发器将CAN_H和CAN_L两根线的差分电压转换成逻辑电平，最后传输给CAN控制器。

source: CAN接口电路设计

3）执行器的驱动处理

ECU执行器的驱动电路一般采用驱动外围芯片外加部分处理电路的形式，主要是针对电磁阀、电机和功率开关类器件。以变速箱控制器上电磁阀的硬件驱动电路为例，有些关键电磁阀有高低边驱动芯片配置，以保证电磁阀工作满足预期的行为。

4）控制

微控制器作为ECU的大脑，负责上述的传感器信号采集，CAN通讯配置和执行器的驱动等作用，从ECU硬件角度选择符合要求的微控制器至关重要，同时合理的分配微控制器引脚的使用也十分重要。

5）电源的管理

不管是传感器，CAN收发器，执行器和微控制器，它们只有供电得到保证后才能正常工作，所以ECU硬件需要配置相应的电源管理芯片/模块，以此输出不同的电压值，来满足不同器件的供电要求。

6）信号的检测

ECU需要设计一些硬件电路，将电信号（电压/电流）输入给微控制器，从而微控制器可以通过该电信号判断是否电路存在异常，比如下图所示的传感器1，通过硬件处理电路输入给微控制器的信号无法判断所有的硬件故障，这时就需要增加额外的电路，以保证所有的硬件故障能被覆盖，故将这部分额外的电路成为诊断电路，检测硬件电路的状态。

7）ECU的测试

一方面是在PCB需要能够对电路直接进行检测，因此设计时需要布置一些触点，方便用欧万用表等测试设备直接进行测试；另一方面，为了软件调试目的，在PCB会留有调试接口等，比如JTAP口。

接下来我们在了解下ECU硬件的重要组成部件：传感器和执行器。

3 ECU硬件的传感器

汽车上使用的传感器非常多，可以从以下两个角度来了解：

1) 检测的物理信号类型

汽车上的传感器可以检测多种物理信号，比如：

• 速度：车速传感器，转速传感器和轮速传感器等，可以检测车辆的速度和转速等信息。
• 位置：拨叉位置传感器，可以检测变速箱的拨叉位置信息。
• 温度：冷却液温度传感器、进气温度传感器、排气温度传感器等，可以检测发动机和各个系统的温度。
• 压力：油压传感器、机油压力传感器、燃油压力传感器等可以检测各种液体和气体的压力。
• 加速度：加速度计和陀螺仪可以检测车辆的加速度和姿态，帮助车辆保持平衡和稳定性。

具体可以了解参考博世的传感器手册，如下示意：

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

2) 传输的信号类型

这些传感器有着不同的工作原理和作用，按照其输出类型可分为：

• 模拟信号：模拟信号是一种连续变化的信号，通常以电压、电流、电阻等物理量的形式表示。传感器的输出信号通常是模拟信号，需要经过模数转换器转换成数字信号才能进行数字处理和存储，比如温度传感器和压力传感器等。
• 数字信号：数字信号是一种离散的信号，通常以二进制数的形式表示，直接输出数字信号，不需要经过模数转换器。比如拨档传感器和门传感器等。
• 脉冲信号：脉冲信号是一种具有固定频率和占空比的矩形波信号，通常用于计数和测量，比如转速传感器。
• 脉冲宽度调制信号：PWM信号是一种将模拟信号转换成数字信号的技术，通过不同占空比的脉冲信号来模拟连续变化的模拟信号。比如位置传感器。
• 串行信号：串行信号是一种按照一定规则依次发送的信号，通常用于长距离传输和多设备连接。串行信号有多种协议，如I2C、SENT, SPI，AK, PSI5等。最常用的SPI协议，用来板载传感器的信号传输，比如加速度传感器。

对于不同类型的传感器信号，需要不同的处理方式，以便进行数字处理、存储、传输和控制。因此这就意味着控制器硬件设计需要考虑各个传感器传输的信号类型，以满足采集要求。

4 ECU硬件的执行器

1）电机

汽车的很多控制功能都需要使用电机作为执行器，这些执行电机一般是直流电机或步进电机，它俩都可以根据控制信号来完成精确的位置和速度控制。

• 直流电机：是一种将电能转换成机械能的电动机，它可以通过改变电流的方向和大小来控制电机的转速和转向。在汽车控制器中，直流电机通常用于控制发动机的进气量、空调系统的送风量、电动窗户的开合等。
• 步进电机：是一种具有定量位置和转角的电机，它可以通过给定特定的脉冲序列来控制电机的转动，从而实现精确的角度和位置控制。在汽车控制器中，步进电机通常用于控制车辆的换挡、离合器的离合过程、转向系统的转向角度等。

除了直流电机和步进电机之外，汽车控制器中还可能包括交流电机、无刷直流电机等类型的执行电机。不同的执行电机类型应用于不同的汽车控制器系统，如下所示：

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

这里再介绍下BLDC（Brushless DC Motor, 无刷直流电机）的硬件电路为例，BLDC通过电子控制器来控制电机的转速和方向，BLDC控制器通常包括电机驱动器、控制电路和传感器等部分，如下图所示。

电机驱动器将电源电压转换为电机需要的电压和电流，控制电路接收来自车辆的控制信号，并将信号转换成电机的驱动信号，传感器用于监测电机的位置和转速信息，以实现精确的电机控制。

2）电磁阀

ECU执行器系统常用的阀有：

• 电磁阀：是一种通过电磁作用将阀芯移动来控制介质通断，压力或流量的阀门，广泛应用于汽车的电液系统中。
• 气动阀：是一种利用压缩空气来控制阀芯运动的阀门，常用于汽车空气制动系统、排气系统等控制中。
• 机械阀：是一种通过机械作用来控制介质通断或流量的阀门，常用于汽车的燃油系统、冷却系统等控制中。

这些执行器阀在汽车控制系统中起着重要的作用，通过控制介质的通断或流量来控制汽车的各种操作。这些执行器阀可以单独使用，也可以组合使用，以实现更为复杂的控制需求，这里以自动变速箱的电液系统为例：

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

该电液系统包含的电磁阀有：

• 1个主油路油压调节电磁阀，用来调节主油路油压；
• 2个离合器油压调节电磁阀，分别用来调节两个离合器油压大小；
• 1个离合器冷却油量调节电磁阀，根据油温传感器信号来调节离合器冷却油量；
• 4个换档电磁阀（开关阀），用来切换1档/3档、4档/6档、5档/7档、2档/R档；
• 1个档位切换电磁阀，通电时进行偶数档的切换，不通电时进行奇数档的切换；
• 2个安全电磁阀，在传动中出现安全故障时，用于避免该支路会失去压力。

3）继电器

继电器在新能源汽车中起着越来越重要的作用，尤其对高功率电路的控制，可以保证汽车各部件的正常运行，具体应用的控制功能，示意如下：

https://components.omron.com/products/relays/automotive具体来说，继电器是一种将小电流控制大电流的电器开关，它通过控制电磁铁的通断来开关高功率电路。ECU中继电器通常用于控制高功率电路的开关，比如：

• 启动电机：汽车发动机启动需要大电流，这时控制器会通过继电器将电池的电流输出到发动机的起动电机上，以实现发动机的启动。
• 灯光：汽车的灯光通常需要大功率电流，控制器会通过继电器控制灯光的开关，以实现灯光的控制。
• 风扇：汽车的散热风扇需要大功率电流，控制器会通过继电器控制风扇的开关，以实现散热风扇的控制。
• 电动窗户：汽车电动窗户通常需要大功率电流，控制器会通过继电器控制窗户电机的正反转，以实现窗户的升降。

除了上述的这些功能，在新能源汽车中，BMS和OBC会使用到多个继电器，来控制充放电及其保护功能，以BMS为例：

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

BMS使用了3个继电器：

• 充电继电器：充电继电器用于控制电池的充电，当充电器充电时，充电继电器将电池连接到充电器，以实现电池的充电。
• 放电继电器：放电继电器用于控制电池的放电，当电池需要放电时，放电继电器将电池连接到负载上，以实现电池的放电。
• 保护继电器：保护继电器用于监测电池系统的状态，当电池系统出现故障时，保护继电器会切断电池与负载之间的连接，以保护负载和电池。

电池管理系统可能还配备绝缘监测继电器，用于监测电池系统的绝缘状态，当电池系统的绝缘状态出现问题时，绝缘监测继电器会切断电池与负载之间的连接，以避免电池漏电或其他安全问题。

5 ECU硬件的电源管理

上面介绍完了ECU硬件的传感器和执行器，本来微控制器也是非常重要的点，但考虑到微控制器其实更多的在ECU软件开发被研究，直接跳到ECU硬件的电源管理。

电源管理确保电子控制单元稳定、高效运行的关键一环，下图示意电源管理模块与ECU硬件的其他模块的关系：

1）传感器供电

传感器需要稳定且可靠的电源供应才能正常工作，其供电电压范围依传感器类型和具体的设计而定，典型的车用传感器供电电压有：5V和12V。比如温度传感器、压力传感器和位置传感器等，需采用5V供电；比如转速传感器，需要12V的电源。另外，在商用车或特殊应用场景下，会使用24V供电。下面列举了常见传感器的电压范围：

• 位置传感器，电压范围4.75V-5.25V，典型值为5V。

• 转速传感器，电压范围4V-24V，常取12V。

2）微控制器供电

微控制器的供电电压可以分为以下几种：

• 5V：最常见的微控制器供电电压。
• 3.3V：现代微控制器中较为普遍的供电电压，包括许多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，需要更低的供电电压。

不同微控制器可能有不同的供电电压要求，具体根据具体的规格书来确定，如下列举了英飞凌 Aurix TC3XX系列的几种供电电压值。

TC3xx有1.3V，3.3V和5V三种供电电压。为了保证微控制器的稳定运行，需要为微控制器提供稳定的电源，通常使用专门的电源管理芯片和硬件处理电路来保证，比如常听说的TLE35584就是一款很常用的电源管理芯片。

3）执行器供电

汽车控制器通过控制信号和电能转换等方式控制执行器，通常都不是通过微控制器直接驱动，而是需要通过外围芯片来驱动，通过这些驱动芯片来给执行器提供稳定或可调节的供电电压，如下图为BLDC的驱动芯片，该芯片需要3.3V和5V两种供电电压。

4）通讯器件的供电

关于通讯器件相关的供电，以CAN通讯为例，需要使用CAN收发器，将CAN总线的差分电压信号转换成逻辑电平信号，CAN收发器需要被供电才能正常运行，通常需要5V供电，如下所示：

6 总结

以上就是对于ECU硬件的组成和作用功能，以与此相关的传感器，执行器和电源管理等内容介绍。按照这个思路，可以专注于一个ECU的深入研究，一方面可以从硬件角度，深入了解具体的硬件电路是怎样的，另一方面可以从软件角度，了解输入给软件的每一个信号都被硬件做了什么，以及软件需要对每一个信号做什么。