董 輝

1 安全氣囊ECU概述

中國在汽車安全性方面的研究起步晚、發(fā)展快，20世紀(jì)80年代后期引進(jìn)了碰撞測試儀器，推行了汽車安全帶強制使用措施，之后開始了汽車安全氣囊的相關(guān)研究與生產(chǎn)。然而汽車安全氣囊的國內(nèi)需求快速增長的同時，其零配件的國內(nèi)自給率仍然不高，包括ECU、氣體發(fā)生器、氣袋甚至氣袋布料仍然需要進(jìn)口，這在一定程度上阻礙了國產(chǎn)汽車安全氣囊行業(yè)的順利發(fā)展。

中國汽車業(yè)的高速發(fā)展，帶動中國汽車安全氣囊市場需求持續(xù)大幅增長。中國汽車安全氣囊的市場容量增長主要取決于4個因素：一是法規(guī)強制安裝因素；二是汽車產(chǎn)量；三是匹配安全氣囊的車型數(shù)量；四是平均每輛車應(yīng)用安全氣囊的數(shù)量。目前中國安全氣囊市場正處于普及應(yīng)用的成長期，政策法規(guī)和汽車產(chǎn)量這兩個因素起著主導(dǎo)作用。中國汽車安全氣囊市場需求容量的快速增長并沒有改變外資品牌占據(jù)絕對配套優(yōu)勢的競爭格局。

據(jù)中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的《中國汽車安全氣囊行業(yè)市場現(xiàn)狀研究與未來前景趨勢報告 （2015年）》顯示，目前，國內(nèi)有將近20家左右的安全氣囊生產(chǎn)廠家，由Autoliv、Plast、Delphi、TRW等跨國公司在中國投資的企業(yè)仍然占據(jù)了90%以上的市場份額。雖然以東方久樂、錦恒、和昌、比亞迪、太航常青等為代表的國產(chǎn)品牌企業(yè)所配套的中低端經(jīng)濟(jì)型轎車的產(chǎn)量近年有所上升，但由于中低端經(jīng)濟(jì)型轎車安全氣囊的標(biāo)配數(shù)量不多，其中選裝或者不裝的車型比例較高，所以中國汽車產(chǎn)量的增加并未提升國產(chǎn)品牌的市場份額。在中國汽車安全氣囊市場，國產(chǎn)品牌仍然處于不利的競爭地位。安全氣囊雖然具有技術(shù)要求高、投資大、風(fēng)險高等特點，但中國汽車業(yè)高速發(fā)展所帶來的巨大商機仍吸引著國外企業(yè)進(jìn)入中國汽車安全氣囊市場。

在“2010中國國際汽車半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)峰會”上，中國汽車工程學(xué)會裝備部部長陳長年呼吁中國企業(yè)研發(fā)核心部件，進(jìn)軍ECU。中國汽車業(yè)缺失核心零部件，受制于人；汽車電子、尤其ECU是中國非常缺失的部件，如果國內(nèi)企業(yè)愿意在ECU方面發(fā)展，市場前景廣闊。

ECU （Electronic Control Unit，電子控制單元）相當(dāng)于汽車的“CPU”。汽車發(fā)動機、ABS系統(tǒng)、四輪驅(qū)動、自動變速器、安全氣囊等都配置有各自的ECU。目前被德國博世、英飛凌、日本電裝等少數(shù)國外企業(yè)壟斷。

英飛凌的前身是西門子半導(dǎo)體，博世最早的發(fā)動機電噴系統(tǒng)就選用了英飛凌的半導(dǎo)體部件。其產(chǎn)品在工業(yè)界和機車已經(jīng)家喻戶曉，現(xiàn)在在路上跑的汽車，以及北京-天津的高速列車上都有英飛凌的產(chǎn)品。但洋巨頭再次用實例闡述了這個高技術(shù)行業(yè)的門檻。英飛凌科技高級市場工程師曹洪宇表示，汽車電子產(chǎn)品要求15年穩(wěn)定生產(chǎn)，其認(rèn)證比工業(yè)產(chǎn)品嚴(yán)格很多，過程漫長；中國本土供應(yīng)商雖有意愿進(jìn)入，但行動不多，未來幾年還會以國外廠商為主。

2 安全氣囊ECU構(gòu)成

2.1 安全氣囊ECU的簡介

安全氣囊ECU的基本構(gòu)成如圖1所示。安全氣囊系統(tǒng)主要由傳感器、電子控制裝置、氣體發(fā)生器和氣袋等部件組成。檢測是否發(fā)生碰撞的為電子式加速度傳感器，以下簡稱為G傳感器。在汽車行駛過程中，前G傳感器將檢測出的加速度等相關(guān)信息輸入到前G傳感器的信號輸入電路，電子控制裝置對這些信息進(jìn)行分析，當(dāng)碰撞強度達(dá)到安全氣囊點爆條件時，電子控制裝置向氣體發(fā)生器發(fā)出點火信號；氣體發(fā)生器點火爆炸后產(chǎn)生大量氣體充滿氣袋，膨脹的氣袋將司乘人員的頭部和胸部與車內(nèi)物體隔開；當(dāng)司乘人員與氣袋發(fā)生接觸時，氣袋背面的排氣孔發(fā)揮阻尼作用，吸收碰撞慣性動能，從而起到保護(hù)作用。

圖1 安全氣囊ECU的基本構(gòu)成

安全氣囊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)能保證：車輛發(fā)生碰撞時所產(chǎn)生的沖擊應(yīng)如實、可靠地傳遞至內(nèi)部的傳感器上，碰撞產(chǎn)生沖擊的傳遞途徑如圖2所示。

圖2 碰撞產(chǎn)生沖擊的傳遞途徑

當(dāng)安全氣囊ECU不能工作或產(chǎn)生誤動作的話，則無法保護(hù)乘員，所以對安全氣囊ECU的可靠性有較高的要求。通過介紹安全氣囊ECU的構(gòu)成與功能也可以說明這一點。

1）自我診斷功能 在車輛的壽命中，安全氣囊ECU的功能只工作1次，而且應(yīng)確保在發(fā)生碰撞事故時，能夠可靠地工作。由此看來，對于ECU及其系統(tǒng)是否能正常工作自我診斷功能是非常重要的；自我診斷功能屬于常時工作的功能。

2）電源備份功能 在發(fā)生碰撞、車上的蓄電池遭到破壞或者蓄電池電纜斷開時，即使蓄電池不向安全氣囊ECU供電時，電源備份功能仍可以保證在一定的時間內(nèi)向安全氣囊ECU繼續(xù)供電，以實現(xiàn)安全氣囊的控制。

3）安全功能 這一功能通過電子電路與安全傳感器的組合得以實現(xiàn)，其作用是防止系統(tǒng)的誤動作。

2.2 安全氣囊ECU主要功能所控制的電路

安全氣囊ECU主要功能所控制的電路見表1。

表1 安全氣囊ECU主要功能所控制的電路

3 專用集成電路（綜合ASIC）中包含的電路

3.1 點火電路

為了分別控制各點火電路，在各點火電路的上游 （a）與下游 （a′）分別設(shè)置了1個功率管MOSFET，以供給點火能量，如圖3所示。在導(dǎo)通時刻，點火電流通過上游、下游的功率管MOSFET以及安全傳感器?？紤]到需要抑制ASIC的發(fā)熱與碰撞時備份功能的效率，所以對上游功率管MOSFET實施限流控制與點火限時控制，以免消耗過多的能量。

圖3 點火電路的方框圖

此外，從電路的構(gòu)成來看，在串行通信與并行通信的AND在條件不成立時，來自微機的點火控制將不會使點火電路導(dǎo)通，由此可以加強系統(tǒng)對于誤動作的失效保護(hù)功能。

3.2 自我診斷電路及報警燈控制電路

這是指綜合ASIC中包含有一直對點火電路的狀態(tài)進(jìn)行自我監(jiān)視、診斷的電路以及判定發(fā)生故障時通知用戶的報警燈控制電路。在ECU內(nèi)部處于故障狀態(tài)或ECU外部處于故障狀態(tài)時，自我診斷就可以檢測出來。下面以ECU外部處于故障狀態(tài)為例稍加說明，圖4是檢測點火電路出現(xiàn)開路、短路以及點火線路與電源火線短路、與電源搭鐵線短路的檢測電路。

當(dāng)點火電路出現(xiàn)開路、短路故障時，其中有電流通過，這由其上的電壓可以檢測出來。但因為點火電路與線束的電阻為低電阻，而且數(shù)值相近，要想檢測出點火電路的故障，就要對電流進(jìn)行高精度檢測。因此，在ASIC中設(shè)置了高精度的恒流電源，利用這一電流對點火電路上產(chǎn)生的電位差經(jīng)差動放大器放大后加以診斷，如圖4所示。

圖4 點火電路開路、短路的檢測電路

綜合ASIC的內(nèi)部電源到點火線路接有電阻，通過在點火線路上設(shè)定某一電位，通過此線路上的電壓變化來診斷其上是否出現(xiàn)開路、短路。其次，當(dāng)根據(jù)自我診斷結(jié)果，微機判斷已出現(xiàn)故障的場合，報警燈控制電路則接通報警燈驅(qū)動電路，車輛儀表板內(nèi)的報警燈點亮。

在報警燈出現(xiàn)短路或者點火線路與電源火線短路的故障持續(xù)較長時間的場合下，電壓監(jiān)測電路則關(guān)閉報警燈以保護(hù)ECU，如圖5所示。

圖5 電壓監(jiān)測電路關(guān)閉報警燈以保護(hù)ECU

4 對發(fā)展中國家開發(fā)的安全氣囊系統(tǒng)ECU

豐田集團(tuán)旗下的富士通天公司從1993年起開始研發(fā)安全氣囊用ECU，到現(xiàn)在共開發(fā)了10多種機型供國內(nèi)廠家選用。目前，在日本國內(nèi)、歐洲、北美及東盟的分廠每年生產(chǎn)的安全氣囊用ECU超過300萬套。為適應(yīng)包括金磚國家在內(nèi)的發(fā)展中國家將安全氣囊系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)裝備的規(guī)定，以及降低車載部件成本的要求，該公司開發(fā)了面向發(fā)展中國家用的安全氣囊系統(tǒng)ECU。另一方面，安全氣囊系統(tǒng)是與汽車安全行駛密切相關(guān)的系統(tǒng)，對可靠性的要求相當(dāng)高，既要滿足可靠性的要求，又要滿足低成本的要求，是要解決一些課題的。為此富士通天公司在06機型的基礎(chǔ)上，開發(fā)了面向發(fā)展中國家用的安全氣囊系統(tǒng)ECU。

開發(fā)的目標(biāo)是降低原材料費用與減輕安全氣囊系統(tǒng)ECU的質(zhì)量，開發(fā)項目的電路圖方案見圖6，開發(fā)的目標(biāo)圖見圖7。

4.1 電源的簡化

圖6 外銷安全氣囊ECU的電路方框圖方案

圖7 開發(fā)目標(biāo)的示意圖

安全氣囊ECU中，電源電路的零件個數(shù)、電路總成的裝配面積占有較高的比重，因此，電源的簡化將是整個ECU進(jìn)行簡化的重要環(huán)節(jié)。批量生產(chǎn)的06機型安全氣囊用ECU的電源電路是按點火通道數(shù)可以到8的電源能力設(shè)計的。但是，對點火通道數(shù)為4的低成本ECU來說，如用06型安全氣囊用ECU的電源電路，其能力則超過了后者對電源的要求。由此則按其規(guī)格的要求，設(shè)計出最佳的電源規(guī)格，即簡化電源電路的構(gòu)成，開發(fā)出較小型的電源電路。老式ECU，即06型安全氣囊ECU的電源構(gòu)成如圖8所示。

圖8 06型安全氣囊ECU的電源電路構(gòu)成

為簡化電路，采取的方案是：①刪除降壓電源；②減小備用電源的電容器；③共用5 V電源，即微機與CAN共用5 V電源。出口發(fā)展中國家的安全氣囊用ECU的電源電路構(gòu)成如圖9所示。

圖9 發(fā)展中國家的安全氣囊用ECU的電源電路構(gòu)成

4.1.1 取消降壓電源的理由

采用降壓電源的目的是減少電力損耗，但取消降壓電源后可能增加5 V電源的電力損耗，令人擔(dān)心專用集成塊（ASIC）中的Tr溫升將會升高。為此，采用模擬法進(jìn)行熱解析，對ASIC的結(jié)構(gòu)加以研究，還在實際設(shè)備上測量，保證了ASIC中的Tr溫升在150℃以下，如圖10所示。

圖10 熱解析模擬的結(jié)果

研究結(jié)果表明，當(dāng)車輛線束發(fā)生串線等故障造成點火線與+B短路類失效故障時，ASIC中的Tr溫升會超過150℃。

此外，通過將外接附加晶體管的電力分擔(dān)比例為最小值，而實現(xiàn)了部件尺寸的最小值與成本的最低值。如圖11所示。

圖11 5 V電源的電力分擔(dān)

4.1.2 減小備用電源的電容器

由于減少了點火的通道數(shù)量，消耗的電流減少，因此在滿足備用電源性能的前提下，對所需要的電容容量加以修改，老式ECU采用的電容器為φ18XH25，外銷采用φ18XH16.5的較小電容器。此外，備用電源的電容器也是濾波用的，因此，電路的構(gòu)成也加以簡化。

關(guān)于微機與CAN共用5 V電源，在討論方案時就決定了設(shè)計前提是：即便CAN總線出現(xiàn)失效保護(hù)，安全氣囊的功能也不應(yīng)受到影響。

CAN總線出現(xiàn)失效保護(hù)所通過的電流將會引起5V電源的電壓波動，對此則采取設(shè)定限流電路來抑制電壓波動的措施。但是實際上，由于電路的響應(yīng)滯后，在限流功能還沒有發(fā)揮作用的時候，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了電壓波動，如圖12所示。

圖12 5 V電源的電壓波動示意圖

由于5 V電源的電壓波動將直接影響到安全氣囊ECU對碰撞的判斷功能，考慮到這一狀況，在低成本ECU上實際并沒有采用共用5 V電源這一方案。

4.2 縮小專用集成電路芯片的尺寸

與老式 （06型）ECU上的集成電路芯片尺寸相比，發(fā)展中國家用ECU的專用集成電路采用新的工藝規(guī)程，芯片尺寸約縮小了45%，利用新工藝技術(shù)，抑制了寄生現(xiàn)象，縮小了元件之間的間隔，從而大幅度地縮小了元件的尺寸。

還有，加之從安全氣囊ECU規(guī)格的最佳化、削減IC功能的角度出發(fā)，決定縮小芯片尺寸，經(jīng)對邏輯門充分研究之后，使邏輯門減少了12000個，與過去相比，減少了57%；模擬元件的數(shù)量減少到3200個，即減少到原來的18%，芯片尺寸 （芯片面積）減少了22%，如圖13所示。

圖13 芯片尺寸 （芯片面積）減少了22%的示意圖

4.3 縮小本體的尺寸

因為先確定發(fā)展中國家用的ECU的點火通道數(shù)為4，所以插座及底板都可以實現(xiàn)小型化。但是，對裝載ECU的車輛來說，隨著標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)行，ECU在車輛上的位置、插座的位置和原來06機型的一樣才好。

為了滿足圖14所示的裝車標(biāo)準(zhǔn)，就需要加長安裝支架的尺寸。安全氣囊ECU本體的基本功能是：必須將車輛碰撞時的G確實傳遞到底板上的G傳感器，以及保護(hù)底板，安裝支架的剛性下降的話就可能降低這兩個功能。為了滿足功能的要求加固的話，質(zhì)量就會增加，很難以降低成本。

圖14 安全氣囊ECU的裝車標(biāo)準(zhǔn)

為此，在發(fā)展中國家用的ECU的本體小型化設(shè)計過程中，在滿足性能要求的前提下，①只進(jìn)行必要的最小限度的加固 （增加質(zhì)量）；②實現(xiàn)輕量化。

從不加固的狀態(tài)，抽出設(shè)計參數(shù)，利用品質(zhì)工程技術(shù)，搞清有助于G傳遞性能與強度的設(shè)計參數(shù)。

對功能要求比較重要的參數(shù)有前、后安裝支架加強筋的長度、高度、條數(shù)及前、后安裝支架相連部位的厚度和長度，同時再考慮到最佳設(shè)計的因素，根據(jù)這些項目完成本體設(shè)計。如圖15所示。

利用上述研究的形狀，經(jīng)用模具試制，可以確認(rèn)試制品的振動特性 （傳遞特性）及強度都可以滿足規(guī)格的要求，因此就確定下來安裝支架的形狀，如圖16所示。

圖15 ECU本體設(shè)計示意圖

圖16 ECU安裝支架的形狀

5 結(jié)語

通過上述的研究與開發(fā)，完成了對發(fā)展中國家用的低成本安全氣囊系統(tǒng)ECU。