柴油机ECU的功能安全的电子电气技术开发

摘要

　　随着电子电气技术在车辆中的广泛应用，如何应对电子技术失效并维护道路车辆的功能安全成为国内外研究的热点。特别是在 ISO26262 标准在 2011 年 11月正式发布后，对车辆功能安全的标准已经趋于完整，其中动力源导致的风险在车辆风险中最重要的。发动机是车辆的动力来源，其电子电气功能安全性尤显突出。

　　本文以提高柴油机ECU的功能安全为主要目的，构建了用于评估柴油机ECU功能安全的 HIL 平台。硬件在环（HIL）测试是发动机控制系统开发过程中的重要环节，是进行功能验证的通用手段。本文依据 ISO26262 等车辆功能安全相关的标准要求，分析了柴油机 ECU 在整个生命周期不同阶段的安全问题，并据此提出了用于发动机控制功能安全评估的破坏者模型思想，从安全的角度，为 ECU的测试提供相关的案例。

　　本文在 MATLAB/SIMULINK 环境下，建立了破坏者模型的的基础模型，该基础模型包括：曲轴动力学模型、喷油器模型、高压共轨管模型、油泵与计量单元模型、VGT 增压器模型、EGR 阀流量模型、进排气门模型、进排气歧管模型、缸内工质模型、燃烧放热模型、摩擦扭矩模型、壁面散热模型、测功机模型以及整车驾驶员模型。本文以意外加速这一 ASIL C 等级的风险为例，分析了可能造成此种风险的电子失效场景，构建了破坏者模型的三个实例，详细阐述了破坏者模型的构建思路和方法。

　　将建立的破坏者模型应用在基于 LABCAR 系统的 HIL 平台上，对 HIL 平台的软硬件进行相应的配置和任务的分配。将自主开发的 ECU 为测试对象，对基础模型和破坏者模型分别进行了验证。针对本文的三种失效，提出了控制算法安全功能改进的建议。通过在 HIL 平台上的实时运行证实：破坏者模型可以为发动机控制器开发提供多种产生风险的案例，是提高发动机控制功能安全的有效工具。

　　关键词：柴油机 ECU,功能安全，破坏者模型，硬件在环测试

ABSTRACT

　　With the wide application of electrical technology on vehicles, how to deal with the failure of electrical system and how to keep the function safety of vehicles have become the hot topic both at home and abroad, especially after the release of ISO 26262 in November 2011. And the electrical function safety of engine is most important as its role in the vehicles.

　　This article builds the HIL platform for evaluating the functional safety of diesel engine ECU to improve the function safety of the diesel engine ECU, and. Hardware-in -the-loop test is an important point in the development process of engine control system, and also is the universal means for functional verification. Based on standard of vehicle functional safety such as ISO26262, this paper analyses the safety problems of diesel engine ECU in the different stage of whole life cycle, and presents a method of break-down model used for functional safety evaluation of engine control. On the view of safety, it supplies relevant cases for ECU test.

　　This article builds the basic model of break-down model in the environment of MATLAB/SIMULINK. The basic model contains crankshaft dynamics model, fuel injector model, high pressure common rail pipe model, fuel pump and measurement unit model, VGT turbocharger model, EGR valve flow model, intake valve and exhaust valve model, in-cylinder model, combustion heat release model, friction torque model, heat transfer model, dynamometer model, vehicle dynamics and driver model. Then this article analyses the unintended-acceleration as an example and elaborates the methods though three cases which can lead to this risk. After the software and hardware of the HIL platform is configured, run the break-down model on LABCAR and verify the basic model and break-down model. At last, the suggestions for improving the safety function of ECU are proposed according to the three cases. It is confirmed that break-down model can supply various risk cases for Development of engine controller and is the effective tool for improving the functional safety of engine control.

　　KEY WORDS:Diesel ECU, Function Safety, Breaker Model, HIL Test

　　目 录

　　第一章绪论

　　1.1引言

　　现阶段我国发动机控制器的市场主要由欧美系的Bosch、SiemensVDO、Delphi、Visteon和ContinentalAG以及日系的Denso、Keihin、Hitachi和Mitsubishi瓜分。国产ECU的开发迫在眉睫，但ECU开发的规范流程和测试案例的制定缺乏经验。因此，探索严谨、标准、快速和安全的开发测试方式对工业界贡献巨大。

　　传统的ECU开发模式包括系统工程师进行功能开发和建模，不同部门流程的分配，硬件工程师硬件设计和软件工程师手工代码实现，软件写入ECU进行软件测试、系统测试和标定及功能测试，匹配工程师利用匹配工具在实车上对ECU进行测试，最后将出现的问题反馈给功能开发部门重新修改[1].

　　在这种开发模式下，存在很多不可靠的开发因素，而且整个开发过程比较费时。不同的部门负责不同的流程，不同部门间的交流通过文档规范容易引起二义性。各组之间的传递错误将会影响到整个开发项目的设计进度，并且测试部分只能在整个设计完成后进行，若出现问题还需要对问题的所在进行较长时间的分析、确认。如果问题出现在设计的开始阶段，那整个设计的修改将是巨大的，将给设计成本、设计周期带来很大的负面影响。硬件设计方面，各功能的对待程度没有区分，一视同仁；软件方面，手工编写代码不但费时，而且维护性差，可读性因人而异。测试必须在完成了全部的手工编码之后，才能进行软件测试，耽误时间，而且不能及时发现问题。如果到最后实车上运行时才发现问题，则问题来源查找困难，且容易造成危险。

　　随着汽车发动机的电控系统日益复杂，研制开发的难度也越来越大，来自系统失效和随机硬件失效而导致汽车安全事故的风险也日益增加，以往的开发模式，问题较多，潜在风险较大，因此，功能安全受到越来越多的关注。为了使得ECU能够在竞争激烈的市场上占有一席之地，新的开发方式必须更快，更可靠，更安全。电子电气功能安全相关标准针对ECU的开发存在的问题，对开发模式、流程和方法进行了严格的规定。

　　功能安全标准首先规范了组织机构内部沟通交流的文档内容、人员责任、企业文化和系统构架等；其次规范了硬件设计中应当避免的问题和随机失效等量化指标；再次要求使用基于模型的代码自动生成进行软件开发和使用经过认证的硬件在环（HIL）测试平台对软件测试，如德国ETAS公司的ASCET工具和LABCAR系统；最后，对使用、维护和报废等也进行了规范。

　　在功能安全标准中要求的方法和工具都是以更快、更安全的开发ECU为目的。其中，HIL测试平台使ECU开发避免了在开发到台架或整车测试再修改的反复过程，减少了人力物力的消耗，有利于ECU紧跟市场的需求，更新换代，使软件开发工程师的办公室里就能够有一辆虚拟的汽车。它可以像一辆真实的汽车那样接收ECU发出的控制信号，并做出相应的反应，向ECU反馈当前的运行状况信号，成为ECU开发最有力的工具。因此，本文在HIL方面探索了提高柴油机ECU功能安全的方法。

　　1.2功能安全的发展

　　功能安全是与EUC（受控设备）或EUC控制系统有关的整体安全的组成部分，取决于电气/电子/可编程电子（E/E/PE）安全系统、其它技术安全系统和外界风险降低设施功能的正确行使，设备或控制系统的安全功能在正常条件和故障条件下都应得到保证。功能安全是从功能设计和管理方面降低由功能失效引起的系统风险，从系统整体的安全要求出发将安全转化为风险目标控制，研究对象是综合性安全相关系统[2].

　　车辆电子电气系统同样需要功能安全的实施。为避免车辆相关EUC和EUC控制系统失效带来的风险，国际标准化组织历时六年，从IEC61508中派生出专门针对车辆电子电气系统功能安全的国际级标准ISO26262.ISO26262是一套关于风险管理和安全技术实现的标准，虽然ISO26262主要用于安装在最大毛重不超过3.5吨的乘用车上的一个或多个E/E系统的安全相关系统，但是它对除了残疾人设计的特殊目的车辆的E/E系统都有指导意义，对于客车或校车，安全要求将比ISO26262所规定的更严格。随着微电子技术、计算机技术和总线技术的迅速发展，这些技术被越来越多地应用到各类控制器中。由于这些技术包含许多无法预计的失效问题，并且可能导致危险发生，从而引起了科学家们的注意，并产生了功能安全的概念。ISO26262的内容如图1-1所示。

　　ISO26262的主要内容包括[3]:

　　1）功能安全是受研发过程（包括具体要求，设计，运行，集成，验证，有效性和配置），生产过程和支持流程以及管理流程影响的。因此，制定了汽车的生命周期（管理，研发，生产，操作，服务，报废）和生命周期中必要的安全相关活动。达到功能安全不是一劳永逸的，而是一个持之以恒、无微不至的过程。

　　整体安全生命周期的每个阶段都有各自的范围、目的、所要求的输入和符合要求的输出，通过这种结构化的分析方法指导过程风险分析、安全相关系统的设计和评估，使隐藏在安全相关系，统中的非安全因素降到最低水平。同时，每个阶段都需要进行确认和评估，以确保该阶段的所有活动正确地执行，使该阶段的输出符合下一阶段要求。

　　2）提供了决定风险等级的具体风险评估方法（汽车安全完整性等级，ASILs），使用ASILs方法来确定获得可接受的残余风险的必要安全要求。ASIL级别越高，安全相关系统能实现所要求的安全功能的概率就越高。但是，达到某个ASIL等级并不意味着系统就是绝对安全或可靠。满足某个ASIL等级的要求，仅仅是提供了一种安全的可信度。具体而言，就是一个系统或功能失效的概率低于该ASIL等级规定的失效概率。安全完整性等级的确定基于风险评估的结果，不恰当的风险评估技术会导致安全相关系统的安全完整性等级过高或过低。安全完整性等级过高会造成浪费，过低将不能满足安全要求而导致发生不可接受风险。

　　3）提供了确保获得可接受的安全等级的有效性措施。不同的等级措施不同。

　　国际上已经有很多公司和高校开始探索提高车辆电子电气功能安全的方法。

　　表1-1为国际研究对车辆中不同的控制器所分配的ASIL等级。MentorGraphics公司的RolfJohansson和ThomasHeurung等工程师在2009年探索了车辆电子电气中的时序设计对功能安全的提高[4].约克大学的IbrahimHabli则通过基于模型的开发去保证功能安全的实现。由于ISO26262在2011年刚正式发布，在国际上尚未强制执行，在国内对功能安全的关注并不是很高。但是，功能安全已经是车辆行业中不可阻挡的潮流。

　　1.3柴油机ECU开发的功能安全

　　IEC61508首先对电子电气系统在道路车辆方面的功能安全要求的具体应用。

　　它适用于所有提供安全相关功能的电力、电子和软件元素等组成的安全相关系统在整个生命周期内的所有活动。安全在将来的汽车研发中是关键要素之一，新的功能不仅用于辅助驾驶，也应用于车辆的动态控制和涉及到安全工程领域的主动安全系统。将来，这些功能的研发和集成必将加强安全系统研发过程的需求，同时，也为满足所有预期的安全目的提供证据。

　　随着系统复杂性的提高，软件和机电设备的应用，来自车辆电子电气设备系统失效和随机硬件失效的风险也日益增加，ISO26262在IEC61508的基础上发展成为专门针对道路车辆功能安全的标准，并将可能在未来成为强制执行的法律。

　　ISO26262包括其导则，都为避免这些风险提供了可行性的要求和流程。系统安全可以从大量的安全措施中获得，包括各种技术的应用（如：机械、液压、气动、电力、电子以及可编程电子元件）。尽管ISO26262是相关与E/E系统的，但它仍然提供了基于其他相关技术的安全相关系统的框架。

　　根据功能安全的标准，功能安全是指无论零部件或者整体系统发生什么样的失效（随机失效、系统失效还是共因失效），都不会导致安全系统的故障，进而不会对人员或者环境产生危害，是指避免由系统功能性故障导致的不可接受的风险。功能安全关注系统故障后的行为，而不是系统的原有功能或性能。产品丧失规定的功能则称为功能失效，失效在一定程度上可以认为是一种"严重故障".

　　ISO26262因此就要求在产品开发的最开始就进行风险的分析评估，建立负责安全的功能。从而保证系统无论是在正常工作状态或者是故障工作状态，控制系统都必须保证系统功能安全。

　　任何设备在运行中百分百不出故障是不可能的，柴油机车辆也不例外，但如何最大限度地降低危险故障的发生概率是需要我们认真去解决的问题。对于那些原因明确的故障如：设计缺陷、操作模式不当、操作手册有误等是可以通过采取适当措施加以避免和控制的，这也被称作系统故障，还有些是原因不明确、随机发生的故障，这些故障就要通过设置一些防护装置，合理的维护检修间隔，合适的检修维护手段和方法来保证了，这也就是现在逐渐兴起的功能安全评估和认证。

　　亦即：不但要实现其功能，还要安全可靠的实现其功能，并且通过合理的设计、正确的生产、安装、维护，合理的管理等方式方法为产品在整个生命周期内的安全可靠运行提供保障。因此，柴油机ECU的功能安全要通过如下步骤得以实现：

　　1）建立良好的企业文化，制定详细的企业规范，人员任命，确保责任可追溯到每个人，保证功能安全有效实现；奖励制度必须以安全和品质为指导，对于走捷径而影响安全和品质的人要做处罚；安全要永远放在第一位，要充分体现每个成员的性格多样性优势，什么时候都要寻求集体智慧，感谢有异议者让我们的眼界更开阔；要有沟通和决策渠道，并鼓励自我发现问题，鼓励被别人指出问题；所有的开发活动都详细记录，有专门的安全负责人。

　　2）产品开发概念阶段的安全活动，如项目定义，危险分析和风险评价，功能安全概念，功能安全要求的分配等。项目定义需包括项目的功能，接口，环境条件，法律规定，风险等，以便为后续工作提供充足的信息。产品的想法，项目的草图，有关专利，已有试验结果，原有系统的文件等，都可以为定义提供参考。

　　风险分析和评估要依据项目的定义来进行。描述所要开发的项目在发生故障时的操作情形和操作模式可能带来的危险，项目正确使用和不正确使用两种情况都要描述。

　　3）产品开发的系统开发阶段的安全活动，如技术安全要求，系统设计，技术安全要求在硬件和软件组件上的分配，软硬件接口规范等。技术安全要求包括：

　　系统特性的定义，如通讯和用户接口等外部接口、环境和功能限制约束条件、系统的可配置需求；针对预测的风险添加的安全措施，安全技术；关于生产，经营，维护，修理和报废的与安全相关的要求的详细描述；系统或者零部件在受到刺激之后的响应；以及对每个技术安全要求和可能的运行模式和系统状态加以详细论述。

　　4）产品开发中硬件开发的安全活动，包括硬件安全要求和硬件设计，硬件架构的限制，随机硬件失效率，单点故障失效覆盖率，潜在故障失效覆盖率，硬件集成和测试等。如ASILD的安全目标要求随机硬件失效率小于10-8h-1,单点故障失效覆盖率指标要求大于99%,潜在故障失效覆盖率要求大于90%.

　　5）产品开发中软件开发的安全活动，如软件安全要求和软件架构设计，软件单元设计和运行，软件单元测试，软件集成和测试等。软件安全要求需考虑安全要求的整体管理，系统和硬件的配置，硬件软件接口规范，硬件安全要求和硬件构架，时序限制，响应时间的限制，外部接口，车辆、系统或硬件的每一种操作模式对软件的影响。

　　6）产品开发中项目集成的安全活动，如硬件和软件集成测试，系统或项目的集成测试，车辆集成测试等。

　　7）产品操作，服务，维护和报废期的安全活动，如确定产品这期间的安全相关的特性。应支持实地监测和数据采集，所收集的数据范围应该根据安全分析和建立的安全机制的结果来确定。设计内容中还应该包括诊断功能的规范，以允许维修工作人员在服务时进行故障识别。另外，还需要制定生产核查措施，诊断数据和服务说明等服务要求，关于报废的要求等等。

　　8）产品认证和发布的安全活动，如认证流程、认证文档和产品发布等。产品功能安全的评估认证是以所有的工作文档为依据的评估。

　　1.4功能安全对HIL测试的要求

　　在ISO26262中规定了硬件在环仿真（HIL）为实施验证软件安全需求的测试环境之一，并建议了具体的案例生成方法和测试方法，可见，HIL是提高功能安全必不可少的阶段。如表1-2,为ISO26262中推荐的HIL测试场景[5].

　　ISO26262规定HIL测试在软件单元测试中案例生成的方法有：需求分析、等价类划分和边界条件分析。对于安全等级比较高的风险对应的功能要对每个测试案例确定目标硬件的资源使用率，并进行模型和代码的背对背测试。软件集成测试的要求与软件单元测试相同。而ISO26262对软硬件集成测试的案例生成方法有需求分析、等价类划分、边界条件分析、内外部接口分析、基于经验和知识的故障猜测、功能相依分析、条件时序和原因分析、环境条件和操作分析、行业经验的案例以及资源使用分析。

　　1.5本课题的研究内容和意义

　　柴油机ECU的功能安全越来越重要，而提高功能安全是一项针对ECU整个生命周期的系统工程。本文从硬件在环仿真测试的方面，探索提高柴油机ECU功能安全的途径，提出了确实可行的评估柴油机ECU的HIL平台的思想和方法。

　　本文的主要研究内容有：

　　1）广泛查阅国内外车辆功能安全相关资料，熟悉和掌握ISO26262和IEC61508等标准和论文中对提高车辆功能安全的方法。

　　2）依据功能安全对ECU开发的要求，提出了破坏者模型的思想和构建方法。

　　3）研究和分析柴油机、测功机和整车驾驶员的工作原理和数学模型，使用模块法逐一构建了VGT增压柴油机各机构系统的数学模型，并使用MATLAB/SIMULINK完成开发集成。

　　4）对LABCAR系统的资源进行合理配置，保证模型的实时性。

　　5）在HIL平台上验证基础模型的动力性和破坏者模型的风险模拟能力，用于评估柴油机ECU的功能安全。

　　第二章 用于柴油机 ECU 功能安全评估的 HIL 平台
　　2.1 规范的柴油机 ECU 基本功能的 HIL 测试
　　2.2 破坏者模型测试

　　第三章 柴油机 ECU 功能安全评估模型的构建
　　3.1 柴油机瞬态实时模型
　　3.1.1 曲轴系动力学模型
　　3.1.2 燃油系统模型
　　3.1.3 进排气系统模型
　　3.1.4 缸内模型
　　3.1.5 摩擦扭矩模型
　　3.1.6 壁面散热模型

　　3.2 测功机模型
　　3.2.1 测功机各工作模式建模
　　3.2.2 测功机工作模式切换
　　3.3 整车驾驶员测功机模型
　　3.4 破坏者模型
　　3.4.1 造成意外加速风险的失效
　　3.4.2 破坏者模型的实现

　　第四章 基于 LABCAR 的功能安全评估 HIL 平台开发
　　4.1 HIL 平台实时仿真原理
　　4.2 HIL 软件平台配置
　　4.2.1 LABCAR 系统软件介绍
　　4.2.2 模型输入输出与板卡的连接
　　4.2.3 实时运算任务管理
　　4.3 HIL 硬件平台配置
　　4.3.1 LABCAR 系统硬件介绍
　　4.3.2 LABCAR 系统资源对 ECU 端子的分配
　　4.4 瞬时转速输出的实现

　　第五章 HIL 仿真平台的运行和分析
　　5.1 柴油机台架试验仿真
　　5.2 整车试验仿真
　　5.3 破坏者模型试验
　　5.3.1 轨压传感器漂移
　　5.3.2 喷油器电磁阀关闭不严或迟缓
　　5.3.3 倒拖工况大量喷油
　　5.4 失效的监控及响应策略
　　5.4.1 轨压传感器漂移的检测和控制建议
　　5.4.2 喷油器电磁阀关闭不严或迟缓的检测和控制建议
　　5.4.3 倒拖大量喷油的检测和控制建议

　　第六章全文总结和展望

　　6.1全文总结

　　道路车辆的电子电气的功能安全受到关注日益增加，特别是随着国际标准ISO26262的提出，对发动机控制相关的电子电气功能安全要求更加严格。ECU作为实车中最重要的电子控制装置，其功能安全更是功能安全研究领域的重中之重。

　　功能安全无法通过单一技术实现，提高ECU的功能安全需要在ECU的整个生命周期各个阶段着手。硬件在环（HIL）测试是ECU开发中有效的辅助工具，是ECU安全生命周期中不可缺少的一步，也是以功能安全为指导开发的重要一步。因此，本文在在硬件在环仿真测试中探索了提高ECU功能安全的具体实施方案。建立了基于曲轴角度的柴油机模型、整车动力学模型以及驾驶员模型，并应用ETAS公司硬件在环仿真系统--LABCAR,完成了评估柴油机ECU功能安全的HIL平台。主要完成的工作及得出的结论有以下几个方面：

　　1）依据控制器安全生命周期各阶段的需求，提出了在HIL平台上运行的破坏者模型完整的概念和构建方法，作为控制器对风险监控和响应的测试案例。

　　2）采用模块化建模的方法建立VGT增压柴油机各机构系统，并搭建了测功机模型和整车模型，可以满足对ECU功能性验证。

　　3）依据破坏者模型构建的方法，分析了柴油机ECU对燃油系统控制算法失效可能造成的意外加速这一风险，建立了轨压漂移失效，喷油器电磁阀关闭不严或迟缓，倒拖大量喷油三个破坏者模型实例。

　　4）将开发的破坏者模型实例应用于HIL仿真平台，对ECU进行功能性测试和功能安全评估。通过HIL仿真试验证实：破坏者模型确实从安全的角度为ECU测试提供了具体可操作案例，是切实可行的。

　　6.2工作展望

　　本文对如何提高柴油机ECU的功能安全从HIL测试的角度进行了深入研究。

　　但是柴油机ECU以及其他车辆控制器的功能安全是一个从设计的概念阶段就开始完整体系，需要在实际开发使用中不断积累经验，是一个不断提高的过程。任何ECU的功能安全不可能通过一项技术一蹴而就，只能尽早研究，不断完善。

　　作者还可以在以下方面继续开展研究工作：

　　1）改进模型搭建方式。使用SIMULINK建模工作量较大，而且调参麻烦，可以使用商业化的车辆机构系统仿真软件，如GT、AMESim等。这些软件不但可以进行性能的匹配和仿真，并且可以与LABCAR联合实时仿真，因此，将为功能安全的测试提供更好更快的平台。

　　2）依据课题组内发动机控制器的开发经验和行业内经验，分析尽可能发生的风险极其ASIL等级，并制定相应的功能安全要求。

　　3）依据功能安全要求构建越来越完善的破坏者模型，提高控制器的功能安全

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　　致谢

　　本论文的工作是在我的导师秦静老师的悉心指导下完成的，秦静老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此表示衷心感谢。

　　在谢辉教授课题组的两年半，我从一个内燃机的门外汉，对电子控制一窍不通的人，渐渐可以依据柴油机原理搭建柴油机模型，构建柴油机HIL平台，成为具有一技之长的硕士毕业生。

　　自从进入这个专业，今后不管我将走到世界各处，不管我将在哪个高校哪个教授门下继续深造，不管我将在哪个企业任职，我都将带有天津大学内燃机国家重点实验室的烙印。感谢内燃机国家重点实验室良好的学术氛围，严谨的治学态度，感谢谢老师为我提供的所有锻炼的机会。

　　研究生两年半时间过的很快，课题组学习生活气氛温暖，很珍贵，感谢全课题组成员的奉献，感谢一起讨论学术问题、一起强身健体的战友们！

　　另外，在项目工作期间，庄继晖、严英、何宇、孙晓东、刘轩、黄登高、杨灿、张连方、何冠章、陈远飞、陈双喜、卢俊以及ECU组凌健、宋康、朱仲文、宁锦标、尹连浩、李颖、杨兆山和刘晓对我的工作给出了莫大的帮助和支持。在此表示感谢！

　　特别在撰写论文期间，陈韬、李楠、李乐、宋康、王新颜、马红杰、赵凯宾、李颖、徐康、夏锌、杨兆山等师兄师弟师妹对我论文中的模型搭建、破坏者模型概念建立、论文版面和语言斟酌方面，给予了热情帮助，在此也向他们表达我的感激之情！

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