汽車電子控制系統在機電集成中的應用與優化

中圖分類號：U469 收稿日期：2025-05-12 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.08.027

Application and Optimization of Automotive Electronic Control Systems in Mechatronics Integration

Liang Feng Lin Zhenkun Zou CunweiQin WanlongWu Nan Nanning Vocational and Technical College，Nanning53ooo8，China

Abstract：Thispaperaddressesthechalengesofcompatibilityreliability，andreal-timeperformancefacedbyautomotiveelectroniccontrolsystemsinmechatroicsintegrationItproposessolutionsincldingodeldesignoptimizationedundancydsigntimization，andoptimizedcontrolalgorithms.Throughmodeldesignoptimization，aunifiedsystemarchitecturemodelandstadardized interfaceswereestablished，significantlyimprovingsystemcompatibilityRedndancydsignptizationintroduceshardwardun dancyandsoftarefaulttlerantmehasmsatultiplelevelssuchassorsctuators，ontrolersndommicatontwork， effectivelyenhancingsystemfaulttolerance.Theadoptionofoptimizedcontrolalgoritms，suchas ModelPredictiveControl（MPC）， notablyimprovestheeal-tieprformanceofteotrolsystemExperimentalresultsvaliateteefectivensofthepropodotii zation strategies，layinga foundation for the development of intelligent connected vehicles.

Keywords：Mechatronics;Automotive electronic control systems;Model design optimization;Redundancy design

1前言

隨著汽車工業的快速發展，現代汽車已經從單純的機械系統演變為復雜的機電一體化系統。在這一過程中，電子控制技術扮演著越來越重要的角色。汽車電子控制系統通過傳感器、執行器、控制器等部件，實現對發動機、底盤、車身等汽車子系統的精確控制，有效提升了汽車的動力性、經濟性、安全性和舒適性[1]。然而，在機電集成過程中，汽車電子控制系統也面臨著諸多挑戰。不同廠商的硬件設備和軟件系統之間存在兼容性問題；惡劣的工作環境對系統可靠性提出了更高要求；實時控制對系統響應速度和數據處理能力也提出了挑戰。

2汽車電子控制系統在機電集成中的應用難題

2.1兼容性問題

不同廠商的電子控制單元（ECU）通信協議差異顯著，如博世發動機ECU采用CANoe協議，而大陸變速箱ECU使用J1939協議，直接導致數據交互中斷。硬件接口也存在適配矛盾，如傳感器輸出信號（模擬量 4-20mA 與數字量PWM）與ECU輸入端口不匹配，需額外加裝轉換模塊，增加成本與故障點。此外，新老系統集成時，老舊ECU難以兼容新能源汽車的高壓控制邏輯，導致混動車型出現動力切換延遲等問題。

汽車電子控制系統在機電集成過程中面臨的首要難題是兼容性問題。現代汽車是由多個獨立的電子控制單元（ECU）組成的分布式系統，不同廠商生產的ECU在硬件架構、軟件協議和接口標準等方面存在差異，導致系統集成時出現兼容性問題[3]。兼容性問題不僅增加了系統開發和測試的復雜度，還可能引發系統故障和安全隱患。例如，在混合動力汽車中，電池管理系統（BMS）與電機控制器（MCU）之間的通信頻繁可能會出現時延和數據丟包現象，導致電機輸出扭矩與BMS的請求不同步，進而引發“加速無力”和“制動失靈”等問題，最終造成車輛失控。除了ECU之間的兼容性外，汽車電子控制系統還需要與其他機械、電氣、液壓等子系統進行集成，不同領域的接口標準和設計理念差異也加劇了兼容性問題。例如，某豪華轎車制造商在開發新一代車型時，采用了德國供應商的動力總成控制模塊（PCM）和美國供應商的車身控制模塊（BCM）。由于兩個模塊采用了不同的CAN總線協議版本和數據幀格式，導致車輛啟動時出現發動機轉速信號無法正確傳遞給車身系統的問題。具體表現為儀表盤轉速顯示異常、自動啟停功能失效，以及空調系統無法根據發動機負荷進行智能調節。工程師團隊耗費了3個月時間重新設計通信協議轉換器，并修改相關軟件代碼，才最終解決了這一兼容性問題，導致項目延期和成本增加超過200萬元。

2.2可靠性問題

汽車復雜工況對電子控制系統穩定性挑戰極大。高溫環境（發動機艙溫度達 120% ）易導致ECU電容鼓包，使自動駕駛的毫米波雷達信號漂移；潮濕環境會引發線束接口氧化，造成ABS系統誤報故障。電磁干擾更成隱患，電機運轉產生的高頻電磁輻射可能干擾ESP的傳感器信號，導致緊急制動時制動力分配失衡，嚴重影響行車安全。

可靠性問題是汽車電子控制系統在機電集成中面臨的一個重要難題。汽車電子控制系統需要在惡劣的環境條件下長期穩定工作，如高低溫、高濕度、強振動、電磁干擾等，這對系統的可靠性提出了嚴苛的要求。系統故障不僅會導致車輛性能下降，如動力損失、油耗增加等，更可能引發嚴重的安全事故。以制動系統為例，如果防抱死制動系統（ABS）的輪速傳感器失效或控制器出現故障，就無法實現車輪滑移率的最優控制，導致制動距離延長，甚至引發車輛側翻等事故。

除了惡劣環境因素外，汽車電子控制系統的復雜性也加劇了可靠性問題。隨著汽車功能的不斷增加，電子控制系統集成了越來越多的傳感器、執行器和控制單元，軟硬件規模不斷增長，這種復雜性導致系統出現故障的概率大大提高。此外，汽車電子控制系統中大量采用了商用級電子元器件，其可靠性與車規級元器件相比有較大差距。在長期疲勞載荷作用下，這些元器件易發生參數漂移、性能降級等失效模式，成為影響系統可靠性的薄弱環節。

2.3實時性問題

多系統協同對響應速度要求嚴苛。例如，自動駕駛系統識別障礙物后，需在 50ms 內完成“感知-決策-執行\"閉環，但當前CAN總線傳輸速率（最高1Mbps）難以滿足，導致制動指令延遲。多任務調度時，娛樂系統與動力系統爭奪CPU資源，可能使動力響應滯后 200ms 以上，影響駕駛體驗與安全性。

實時性問題是汽車電子控制系統在機電集成中面臨的關鍵難題。汽車電子控制系統需要在極短的時間內完成數據采集、處理和決策，并及時輸出控制指令，以滿足汽車動態控制的需求。以發動機控制系統為例，氣缸內的燃燒過程通常在毫秒級別完成，要求控制系統在缸內壓力、溫度等參數變化時，及時調整燃油噴射量和點火時刻，確保燃燒的最優化。

然而，隨著汽車電子控制系統復雜度的不斷提高，實時性問題日益突出。一方面，系統需要處理的數據量急劇增加，對控制器的計算能力提出了更高要求。以自動駕駛系統為例，其需要實時處理來自多個攝像頭、雷達、激光雷達等傳感器的海量數據，并在毫秒級內完成環境感知、路徑規劃和決策控制，對計算平臺的性能提出了極高要求。另一方面，分布式控制架構導致系統內部通信負擔加重，影響了數據傳輸和處理的實時性。汽車內部的CAN總線、LIN總線等通信網絡，其帶寬有限，當多個節點同時請求通信時，可能出現數據延遲和丟包，導致控制指令無法及時傳遞。此外，汽車電子控制系統中廣泛采用的嵌入式實時操作系統（RTOS），其任務調度、中斷響應、內存管理等機制也影響著控制系統的實時性能。

3汽車電子控制系統在機電集成中的優化

3.1模型設計優化

針對汽車電子控制系統在機電集成中面臨的兼容性問題，模型設計優化是一種行之有效的解決方案。通過構建統一的系統架構模型和標準化接口，可以顯著提高不同ECU和子系統之間的兼容性?；谀Ｐ偷脑O計（MBD）方法（見圖1）已成為汽車電子控制系統開發的主流范式，其核心是以模型為中心，貫穿系統設計、仿真、驗證和代碼生成的全過程[4]。在MBD框架下，汽車電子控制系統的功能需求首先被抽象為平臺無關的模型，如MATLAB/Simulink模型，然后通過模型變換和代碼自動生成等技術，將模型映射到特定的硬件平臺和軟件環境。

這種自頂向下的設計方法，可以顯著減少人工編碼引入的錯誤和不一致性，提高系統的兼容性。同時，模型還可以作為不同領域工程師之間交流的“共同語言”，促進多學科協同設計。在模型設計優化中，還需要充分考慮不同ECU和總線的特性，合理劃分軟硬件邊界，并采用標準化的接口協議，如AUTOSAR（AUTomotiveOpenSystemARchitecture）。AUTOSAR定義了一套標準化的軟件架構和接口規范，實現了應用軟件與底層硬件的解耦，不同廠商的軟硬件組件可以“即插即用”，顯著提高了系統的兼容性和可移植性。

3.2余設計優化

針對汽車電子控制系統在機電集成中面臨的可靠性問題，冗余設計優化是一種行之有效的解決方案。冗余設計是指在系統中引入額外的硬件、軟件或信息，以實現容錯和故障恢復的能力5。在汽車電子控制系統中，冗余設計可以從傳感器、執行器、控制器和通信網絡等多個層面入手。

圖1基于模型的設計（MBD）方法框架圖

以制動系統為例，采用多個獨立的輪速傳感器對每個車輪進行速度測量，通過多數表決機制判斷傳感器是否出現故障，提高了速度信號的可靠性。同時，制動系統還引入了電子液壓制動（EHB）和電子機械制動（EMB）等多種執行機構，實現了制動力矩的多重備份，即使單個執行器失效，也能保證基本的制動功能。

在控制器方面，采用雙通道甚至三通道的冗余設計，通過兩個或多個獨立的處理器對控制算法進行并行計算，并交叉比較計算結果，一旦出現不一致，則切換到安全狀態。在軟件方面，采用容錯性編程技術，如多版本編程、N一版本編程，對關鍵功能模塊進行備份和多樣化設計。同時，引入看門狗定時器、存儲器糾錯碼等機制，對控制器的運行狀態進行實時監測和糾錯。在通信網絡方面，采用FlexRay、TTCAN等容錯性總線協議，通過冗余通道、時間觸發等機制，確保關鍵數據的可靠傳輸。

3.3優化控制算法

針對汽車電子控制系統在機電集成中面臨的實時性問題，優化控制算法是一種行之有效的解決方案。傳統的控制算法，如PID控制，雖然結構簡單，但難以滿足日益復雜的汽車控制需求。為了提高控制系統的實時性能，需要采用更先進、高效的控制算法[。模型預測控制（MPC）是一種基于優化的控制策略，通過在線求解優化問題，預測系統未來的行為，并提前計算最優控制序列。與傳統的反饋控制相比，MPC可以顯著提高系統的動態響應速度和魯棒性。

此外，隨著人工智能技術的發展，智能控制算法在汽車電子控制系統中得到了廣泛應用。以深度學習為代表的智能算法，通過對海量數據的學習和挖掘，可以自動提取系統的動態特性，生成最優控制策略。相比傳統的模型驅動控制，智能控制算法具有自適應、自學習的能力，可以顯著提高控制系統的實時性和魯棒性。

4實驗驗證

4.1實驗平臺搭建與方案實施

為了驗證上述優化汽車電子控制系統的策略的有效性，搭建了一個專門的實驗平臺。該平臺由一個真實的汽車發動機控制系統硬件在環（HiL）平臺和一套專門開發的軟件工具組成。HiL平臺包括發動機控制單元、油門執行器、曲軸位置傳感器、溫度傳感器等多個部件，可精確模擬發動機的工作狀態和環境條件。

在實施優化策略方面，首先采用MBD方法，以MATLAB/Simulink為工具，建立了發動機控制系統的統一模型。該模型包括發動機動力學模型、傳感器模型、執行器模型和控制器模型等多個子系統，可準確描述發動機各部件之間的相互作用。在此基礎上，我們引入了AUTOSAR標準，定義了統一的軟件架構和標準化接口，實現了應用軟件與底層硬件的解耦，有效提高了系統的兼容性和可移植性。

為了增強系統的可靠性，在發動機控制系統中采用冗余設計策略。具體而言，在ECU中引人了雙通道冗余結構，兩個獨立的微處理器并行執行控制算法，并交叉比較計算結果，一旦出現不一致則切換到安全狀態。同時，還采用了N版本軟件容錯技術，對發動機控制系統的關鍵功能模塊進行了多樣化備份設計，從而提高了系統的容錯能力。此外，在通信網絡方面，采用了FlexRay總線協議，通過冗余通道和時間觸發機制確保了關鍵數據的可靠傳輸。

為了提高控制系統的實時性能，優化了發動機控制策略，引人了MPC和深度學習等先進算法。MPC算法通過在線求解約束優化問題，可以準確預測發動機的未來行為，并生成最優控制序列，從而顯著提高了系統的動態響應速度[8]。

圖2實驗平臺搭建示意圖

4.2實驗結果分析

需要說明的是，上述結果是在發動機轉速2000r/min?50% 負荷工況下測試得到的，對于其他工作點，數據會有一定變化，但總體趨勢是一致的。

為了全面評估上述優化策略在提高汽車電子控制系統兼容性、可靠性和實時性方面的效果，對實驗平臺進行了大量測試，并收集了關鍵性能指標數據，主要結果如下：

a.在兼容性方面，引入AUTOSAR標準架構和標準化接口后，不同供應商ECU之間的集成效率大幅提升。如表1所示，與傳統集成方式相比，系統集成時間縮短了 45% ，集成缺陷數量減少了 67% ，這極大地降低了工程開發成本。

b.在可靠性方面，ECU雙通道冗余、N版本軟件容錯、FlexRay通信冗余等冗余設計策略的應用，顯著提高了系統的容錯能力。在模擬的惡劣工況下，例如高溫、振動、電磁干擾等環境，優化后的系統發生嚴重故障的概率僅為 4% ，而未優化系統則高達 32% ，可靠性提升了7倍以上。

c.在實時性能方面，MPC算法和深度學習技術的引入取得了顯著成效。如表1所示，系統的最大響應時延縮短了 35% ，控制精度提高了 22% ，百公里油耗降低了6% 。這為滿足現代汽車對動態響應的苛刻要求提供了有力支撐。

表1優化策略效果評估結果

5結語

汽車電子控制系統作為現代汽車的核心，在機電一體化集成過程中扮演著關鍵角色。本文從汽車電子控制系統在機電集成中面臨的兼容性、可靠性和實時性等難題出發，深入探討了模型設計優化、冗余設計優化和優化控制算法等解決方案，并通過實驗驗證了這些策略的有效性。展望未來，隨著汽車自動駕駛、車聯網等新興技術的不斷發展，汽車電子控制系統的復雜度和實時性要求將進一步提高。因此，在繼續優化現有策略的基礎上，亟須開發新的系統架構、容錯機制和智能控制算法，以滿足未來汽車對系統性能的更高需求。

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[8]張存宏.機電一體化技術在汽車智能制造中的應用[J].汽車測試報告，2023（2）：39-41.

作者簡介：

梁鋒，男，1975年生，講師/工程師，研究方向為汽車電子技術。林振琨（通訊作者），男，1972年生，教授，研究方向為汽車制造與試驗技術。