豐田旗下外銷安全氣囊ECU與內用的不同

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、發展快，20世紀80年代后期引進了碰撞測試儀器，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研究與生產。然而汽車安全氣囊的國內需求快速增長的同時，其零配件的國內自給率仍然不高，包括ECU、氣體發生器、氣袋甚至氣袋布料仍然需要進口，這在一定程度上阻礙了國產汽車安全氣囊行業的順利發展。

中國汽車業的高速發展，帶動中國汽車安全氣囊市場需求持續大幅增長。中國汽車安全氣囊的市場容量增長主要取決于4個因素：一是法規強制安裝因素；二是汽車產量；三是匹配安全氣囊的車型數量；四是平均每輛車應用安全氣囊的數量。目前中國安全氣囊市場正處于普及應用的成長期，政策法規和汽車產量這兩個因素起著主導作用。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絕對配套優勢的競爭格局。

據中國產業調研網發布的《中國汽車安全氣囊行業市場現狀研究與未來前景趨勢報告 （2015年）》顯示，目前，國內有將近20家左右的安全氣囊生產廠家，由Autoliv、Plast、Delphi、TRW等跨國公司在中國投資的企業仍然占據了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品牌企業所配套的中低端經濟型轎車的產量近年有所上升，但由于中低端經濟型轎車安全氣囊的標配數量不多，其中選裝或者不裝的車型比例較高，所以中國汽車產量的增加并未提升國產品牌的市場份額。在中國汽車安全氣囊市場，國產品牌仍然處于不利的競爭地位。安全氣囊雖然具有技術要求高、投資大、風險高等特點，但中國汽車業高速發展所帶來的巨大商機仍吸引著國外企業進入中國汽車安全氣囊市場。

在“2010中國國際汽車半導體產業峰會”上，中國汽車工程學會裝備部部長陳長年呼吁中國企業研發核心部件，進軍ECU。中國汽車業缺失核心零部件，受制于人；汽車電子、尤其ECU是中國非常缺失的部件，如果國內企業愿意在ECU方面發展，市場前景廣闊。

ECU （Electronic Control Unit，電子控制單元）相當于汽車的“CPU”。汽車發動機、ABS系統、四輪驅動、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、日本電裝等少數國外企業壟斷。

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

2 安全氣囊ECU構成

2.1 安全氣囊ECU的簡介

安全氣囊ECU的基本構成如圖1所示。安全氣囊系統主要由傳感器、電子控制裝置、氣體發生器和氣袋等部件組成。檢測是否發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行分析，當碰撞強度達到安全氣囊點爆條件時，電子控制裝置向氣體發生器發出點火信號；氣體發生器點火爆炸后產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物體隔開；當司乘人員與氣袋發生接觸時，氣袋背面的排氣孔發揮阻尼作用，吸收碰撞慣性動能，從而起到保護作用。

圖1 安全氣囊ECU的基本構成

安全氣囊系統的結構應能保證：車輛發生碰撞時所產生的沖擊應如實、可靠地傳遞至內部的傳感器上，碰撞產生沖擊的傳遞途徑如圖2所示。

圖2 碰撞產生沖擊的傳遞途徑

當安全氣囊ECU不能工作或產生誤動作的話，則無法保護乘員，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，而且應確保在發生碰撞事故時，能夠可靠地工作。由此看來，對于ECU及其系統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向安全氣囊ECU繼續供電，以實現安全氣囊的控制。

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，其作用是防止系統的誤動作。

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′）分別設置了1個功率管MOSFET，以供給點火能量，如圖3所示。在導通時刻，點火電流通過上游、下游的功率管MOSFET以及安全傳感器。考慮到需要抑制ASIC的發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通，由此可以加強系統對于誤動作的失效保護功能。

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進行自我監視、診斷的電路以及判定發生故障時通知用戶的報警燈控制電路。在ECU內部處于故障狀態或ECU外部處于故障狀態時，自我診斷就可以檢測出來。下面以ECU外部處于故障狀態為例稍加說明，圖4是檢測點火電路出現開路、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。

當點火電路出現開路、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，而且數值相近，要想檢測出點火電路的故障，就要對電流進行高精度檢測。因此，在ASIC中設置了高精度的恒流電源，利用這一電流對點火電路上產生的電位差經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的內部電源到點火線路接有電阻，通過在點火線路上設定某一電位，通過此線路上的電壓變化來診斷其上是否出現開路、短路。其次，當根據自我診斷結果，微機判斷已出現故障的場合，報警燈控制電路則接通報警燈驅動電路，車輛儀表板內的報警燈點亮。

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

圖5 電壓監測電路關閉報警燈以保護ECU

4 對發展中國家開發的安全氣囊系統ECU

豐田集團旗下的富士通天公司從1993年起開始研發安全氣囊用ECU，到現在共開發了10多種機型供國內廠家選用。目前，在日本國內、歐洲、北美及東盟的分廠每年生產的安全氣囊用ECU超過300萬套。為適應包括金磚國家在內的發展中國家將安全氣囊系統作為標準裝備的規定，以及降低車載部件成本的要求，該公司開發了面向發展中國家用的安全氣囊系統ECU。另一方面，安全氣囊系統是與汽車安全行駛密切相關的系統，對可靠性的要求相當高，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機型的基礎上，開發了面向發展中國家用的安全氣囊系統ECU。

開發的目標是降低原材料費用與減輕安全氣囊系統ECU的質量，開發項目的電路圖方案見圖6，開發的目標圖見圖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 開發目標的示意圖

安全氣囊ECU中，電源電路的零件個數、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進行簡化的重要環節。批量生產的06機型安全氣囊用ECU的電源電路是按點火通道數可以到8的電源能力設計的。但是，對點火通道數為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。由此則按其規格的要求，設計出最佳的電源規格，即簡化電源電路的構成，開發出較小型的電源電路。老式ECU，即06型安全氣囊ECU的電源構成如圖8所示。

圖8 06型安全氣囊ECU的電源電路構成

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。出口發展中國家的安全氣囊用ECU的電源電路構成如圖9所示。

圖9 發展中國家的安全氣囊用ECU的電源電路構成

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，令人擔心專用集成塊（ASIC）中的Tr溫升將會升高。為此，采用模擬法進行熱解析，對ASIC的結構加以研究，還在實際設備上測量，保證了ASIC中的Tr溫升在150℃以下，如圖10所示。

圖10 熱解析模擬的結果

研究結果表明，當車輛線束發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比例為最小值，而實現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

4.1.2 減小備用電源的電容器

由于減少了點火的通道數量，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，電路的構成也加以簡化。

關于微機與CAN共用5 V電源，在討論方案時就決定了設計前提是：即便CAN總線出現失效保護，安全氣囊的功能也不應受到影響。

CAN總線出現失效保護所通過的電流將會引起5V電源的電壓波動，對此則采取設定限流電路來抑制電壓波動的措施。但是實際上，由于電路的響應滯后，在限流功能還沒有發揮作用的時候，已經發現了電壓波動，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，發展中國家用ECU的專用集成電路采用新的工藝規程，芯片尺寸約縮小了45%，利用新工藝技術，抑制了寄生現象，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規格的最佳化、削減IC功能的角度出發，決定縮小芯片尺寸，經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

因為先確定發展中國家用的ECU的點火通道數為4，所以插座及底板都可以實現小型化。但是，對裝載ECU的車輛來說，隨著標準化的進行，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所示的裝車標準，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，質量就會增加，很難以降低成本。

圖14 安全氣囊ECU的裝車標準

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

從不加固的狀態，抽出設計參數，利用品質工程技術，搞清有助于G傳遞性能與強度的設計參數。

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

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

圖15 ECU本體設計示意圖

圖16 ECU安裝支架的形狀

5 結語

通過上述的研究與開發，完成了對發展中國家用的低成本安全氣囊系統ECU。