车身功能控制与监视的中枢 ——车身控制模块BCM

来源：陈天殷/美国亚派克机电(杭州)有限公司

1.BCM概述

车身控制模块BCM是高集成度的芯片。BCM的英文全称是Body Control Module。其控制对象是采用高灵敏度带唤醒及睡眠检测的高频收发器，实现车门车窗遥控上锁与开锁、电动后视镜、中控门锁、玻璃升降装置、车灯(远光灯、近光灯、位置灯、制动灯、转向灯、雾灯和车内照明等)、车窗加热化霜装置、仪表背光调节和电源分配。驱动负载的执行元件为电机(步进电机、永磁电机、伺服电机等)、电磁阀与电磁开关。负载功率从数瓦到数十瓦、上百瓦不等。BCM内部装置有继电器等功率器件。可直接控制较大的负载。

中国市场的汽车，轿车一般采用12V电系，载货汽车和客车一般采用24V电系。在12V电系中BCM采用线性稳压器。24V电系的BCM采用开关稳压器(转换效率高。但成本较高)。

BCM的输入电压范围在-0.5～32V之间．输出电压为3.3V或5V。当今汽车上用电设备日益增多。对于电源的要求，和所有用电设备一样，BCM也需要充分将自身的静态电流设计得足够低，以应对停车时间或怠机过长，蓄电池因过放电会使车辆无法起动。而且车身控制模块应尽量安放在远离热源之处，并提供过温保护。

图1为车身控制模块BCM的系统架构图。

展示了智能化的汽车车身电子控制与监视的方案，汽车车身(车灯、门锁、车窗等)的相关功能表达在BCM的系统架构中。

汽车车身上众多部件和组件的功能操作通过BCM实现电子控制和监视。各电子设备之间信息共享越来越多，一项信息能同时供多个部件和组件使用。所以，BCM不仅功能更加强大，其通信功能也越来越强大。单一集中式的BCM难以完成日益庞大的控制。总线化、网络化的BCM成为必然的发展趋势。

BCM能实现内外灯光控制、刮水洗涤逻辑控制和自动功能、中央门锁控制、喇叭除霜和四轮驱动功能等。BCM在基本功能上具备逻辑功能的关联、人性化设计等。如前照灯自动熄灭、遥控锁车后会自动关窗、刮水器可根据车速及雨量自动调节刮水速度等。

2.BCM与ECU的分工

系统通过智能化的电子控制方案。使汽车车身(车灯、门锁、车窗等)的相关功能像CAN和UN网络的网关一样工作，通过CAN/LIN与远程ECU通信或直接来自DBM。通常，车身控制模块融入了遥控开锁和发动机防盗锁止系统等的射频识别(RFID)功能。

对众多车身的功能部件电器进行控制，实现综合这些离散的控制器功能，设计了功能强大的控制模块——车身控制模块BCM。解决了大量分立的电控单元、分离模块间复杂的数据通信、布线繁杂、成本增加和故障率上升的问题。

ECU为电子控制单元．俗称车载电脑，实则是汽车专用的微机控制器，早先被称作车用单片机。这种汽车专用的单片机由微处理器(CPU)、存储器(ROM／RAM)、输入／输出接13(I／O)、模数转换器(A／D)组成，包括中断系统、定时器、计数器等功能(可能还包括模拟多路转换器、显示驱动电路和脉宽调制电路等)。

作为行车电脑，ECU的控制重点是发动机。其中与之通信的是基于CAN总线的动力总成(发动机和自动变速器)控制模块PCM(如2013年款君威GL8)。

PCM用于动力输出的控制，接收传感器和空气流量计的信息，根据其内存的程序和数据进行运算、判断、处理，然后向喷油器提供一定宽度的电脉；中信号，以控制喷油量、空气的配给(电子节气门)、喷油及点火的时机、进气压力的调整。

还要根据温度、负荷、爆震、燃烧状况等来决定发动机的补偿控制系数。ECU实物照片见图2。

无论ECU还是BCM，以及汽车电子器件之间的通信，系统皆需凭借车用总线K—LINE、CAN(H-speed、L-speed)、LIN、FlexRay、MOST等相互联络。表l对各类总线接口做了简介。

总线通信需满足相应的硬件接口规范和信号规范。标准规定。通信的各方只有符合标准才能发生联系，并同时满足应用通信协议。如信息矩阵等。符合上述条件才能实现系统的功能规范。

BCM实物照片见图3。

一般情况下，ECU装置在仪表板下方。也有装在发动机机舱内的。形状是四方形板状，为便于散热。制成铝制外壳，足以应对汽车恶劣的工况。

一旦BCM出现故障(即失效)时，监测、记录故障代码后，为保护系统及行驶安全，系统会进入一种安全保护模式。使车辆能够暂时继续行驶，同时点亮故障指示灯，警告驾驶员就近尽快维修。此时，ECU直接采用存储器中预先存入的代用值来替代。使系统继续工作。但不同的控制系统，失效保护操作不同，而且同一控制系统的失效保护模式也未必相同．不同的故障点有不同的失效保护操作。

以2014年款雷克萨斯LS460L实际车型为例，其ECU电压工作范围在6.5-16V,工作电流在0.015～0.1A。工作温度可低至-80℃，能承受1000Hz以下的振动,因此可靠性极高。ECU的核心CPU实施运算与控制功能，存储器ROM中存放的程序是经过精确计算和大量试验获取的数据为基础，发动机工作时，该固定程序不断地与采集来的各传感器的信号进行比较和精算。将比较和计算的结果用于发动机的点火、空燃比、怠速、废气再循环等多项参数的控制。它还有故障自诊断和保护功能，当系统发生故障时，它能在RAM中自动记录故障代码，并采用保护措施从上述的固有程序中读取替代程序来维持发动机运转，使汽车能开到修理厂。

RAM能不停地记录车辆行驶中的数据，成为ECU的学习程序，为适应驾车人驾驶习惯提供最佳的控制状态。该程序即为自适应程序。必须注意，由于它是存储在RAM之中。如同错误码一样，一旦去掉蓄电池或断电，所有数据会丢失。

不仅发动机应用ECU，防抱死制动系统、四轮驱动系统、电控自动变速器、主动悬架系统、安全气囊系统和多向可调电控座椅等皆有各自的ECU。为简化电路和降低成本，ECU间，ECU与BCM之间的信息传递皆采用多路复用通信网络技术，将整车的ECU/BCM形成一体化的网络系统，也就是CAN数据总线。

3. BCM系统组成及控制原理

控制器局域网络(CAN)和本地互联网络(LIN)及FlexRay是常用的汽车总线。

CAN总线是串行多主站控制器实时控制的局域网总线，信息传输方式是同步的。物理层为单线；架构为一个主设备，2～10个从设备。LIN信息传输方式是异步的，物理层为双线；架构为多个主设备，10～300个从设备。两者皆有较高的扩展能力。CAN数据率为20kB/s，LIN数据率高速达1MB/s，低速为125kB/s。低速CAN总线能增加总线的传输距离。提高抗干扰能力，降低硬件成本。

控制对象是数量较多，对信息传输的实时性要求不高，如以低速电机、电磁阀、各类灯具和开关器件等为主。而通过LIN总线进行通信是主控模块、门控模块、中控锁模块和语音报警模块等，它们是带宽、复杂性等要求较低的低速系统，如开关类负载或位置型系统的控制。

汽车刮水器、气流循环系统的风机、风扇皆为大电感性负载，欲降低开关时强烈的反电势对系统电源的冲击，运用脉宽调制(PWM)实现软启动，也同时保护了用电装置，提高整车的电磁兼容性。PWM是通过调整输出周期(该输出通常是一固定频率的开关信号)的占空比大小(脉冲宽度)，控制照明灯的点亮熄灭时间，来达到亮度的调节。

图4为CAN／LIN混合总线的车身控制模块BCM功能原理方框图。

MCU(微控制器或称单片机)是整个车身控制模块的核心，它像总线和网络接口的网关那样工作，监视并控制着车身控制器中的各种负载驱动器按协议要求工作。

对相应的输入作出反应，根据预先的逻辑规划做出相应的输出控制，是系统的中枢。其特点是可实现信号共享，一个输入信号，通过BCM实现车身的多项控制功能。有个性化编程，驾驶者简单操作可改变某些与BCM相关的控制功能。

且并联有瞬态电压抑制器，以有效抑制当瞬间电源负载突降(如发动机起动的瞬间)出现高达+45V的高压脉；中及不稳定的电源杂波——该指标须符合汽车12V电源系统的IS016750-2-2003中4.6的过电压测试规范。

3.1 输入控制

由于负载能力、抗干扰能力等客观情况。许多信号量无法直接施加至MCU之上，须有适当的输入电路(Input circuit)将信号进行隔离、调理，方可安全可靠地传递给MCU。

下面以开关信号和脉冲信号2种来分述。

1)开关信号的输入。

即将系统与电源正(+B)或者电源搭铁(GND)来判断是否存在开关动作。开关输入仅2种状态：接高电平与搭铁。

如点火开关，开关接通，BCM接入信号为+B；而点火开关断开，BCM信号变为悬空。又如门接触开关，车门打开，开关便接通，到BCM的信号是搭铁；车门关闭，到BCM的信号便会悬空。这正是常需信号电压幅度的原因。

2)脉冲信号输入。

脉冲信号可视为某种有周期规律的开关信号。如解码器的数据输入信号，气囊信号。车速信号等。所有电子部件之间凡有信号交互通信，其接口皆必须有软硬件匹配，才可保证系统可靠工作。

BCM内部处理电路有其自身稳定的逻辑电平状态。外界的输入会试图改变这种逻辑状态，于是被BCM最终识别。一般可靠的高电平要求大于0.7V，可靠的低电平要求小于0.2V。而介于两者之间的电平输入，MCU有可能逻辑误判。开关自身接触电阻过大会有可能引起输入信号的变异。

通信接口(Interface)。车内各独立的电子控制模块间以及车身控制模块的远程子模块之间进行数据交换皆需经通信接口。高速CAN(据ISO 119898，速率高达1MB/s)系一项双线容错的差动总线。具有共模范围宽输入和差动信号技术。是互连车内各个电子模块的主要汽车总线类型。LIN总线支持低速(20kB/s)单总线有线网络。应对与信息娱乐系统的远程子功能的通信。通过CAN总线以及诊断插头等接口实现通信检测。

A/D转换。由传感器输入信息(雨量、阳光)或电流信息(车窗电机是否堵转)的检测皆是对电压模拟量的测量。如果是一些较小的电压微量变化，则难以被MCU识别，得由放大电路提升信号幅度。

射频识别(RFID)。最常见的是遥控开锁系统和发动机防盗止锁系统两项功能。设计制造商提供用于点火开关钥匙(发动机防盗锁止系统)进行加密通信的LF IC，以及用于与远程通信的UHF(频率低于1 GHz)收发器，它具有超低功耗(静态电流小于30μA，驱动电流范围在100～300mA之间)，以对车门和报警系统进行锁定/解锁。

3.2 输出控制

负载驱动器(Load Drive)。BCM中的主要负载驱动器类型是各类灯具和继电器。控制车外部灯的电源开关和驱动器直接安装在控制器上。继电器是用作较大功率负载或其它电子模块供电。整车的电池充放电和负载管理其他ECU的负载分配。则由电流监控功能来实现。

由于负载能力的先天限制，许多负载不能直接由MCU的I/O进行控制，须由适当的输出接口电路实现BCM对外部负载进行控制。

BCM的主要输出控制有下述3类。

1)继电器控制输出：由BCM控制外部继电器，启动继电器。

2)小功率负载输出：由BCM直接控制警示灯、指示灯及较小功率灯具(如顶灯、安全带指示灯、踏步灯等)。

3)大功率负载输出：直接控制外部大功率负载，如电动车窗和中控锁控制输出等。以中央门锁控制功能而言。

其功能可列出如下10余项：车门开关、安全气囊、组合仪表、左右前门玻璃升降器开关、点火开关、左右前闭锁器、左右后闭锁器、声响警报(喇叭等)、安全带未扣开关信号和前照灯组合等。

其他如车速信号输入，其相应节点串联在中控门锁的继电器中，使行车时无法打开车门，确保安全。

不论何种输出方式。皆须保证整个回路的任何部分其负载能力能承受并给出足够大的裕量。

3.3 电源管理

电源管理(power management)有足够低的静态电流的线性稳压器。对断开点火开关的操作模式的待机状态极有利。极大减少漏电流损失和较大的压降，防止超出负载突降的电压容限。

开关电源的场效应晶体管(EFT)不仅提高转换效率，还可以通过多个开关电源(SMPS)，采用电源定序。选用合适的输入电容限制浪涌电流，实现软启动减少纹波电流，也有利于改善电磁干扰(EMI)，提高电磁兼容性。稳压电源可提供极佳的总体稳压精度、瞬态响应和简单的环路补偿。

电源管理还涵盖高低压保护．延时断电和系统休眠等功能。性能优异的车身控制模块不仅有极低的静态电流，还提供睡眠模式(低的发射功率，却有高的接收灵敏度．低功耗及适宜的频率范围等)。如安森美半导体公司的一款ON-53480高频收发器，其静态电流低至1μA，信号电平10dBm，接收灵敏度低于-100dBm，工作电流10mA，频率范围为280-343MHz，带有唤醒及睡眠检测功能。

电源电路的保护(如浪涌电流保护、跌落保护)以应对汽车恶劣的运行环境。保证系统安全、稳定工作。对应的标准是IS011542，IS07637-2等。

3.4 高频接收电路

遥控接收电路的作用是将遥控器发送端发送的高频调制信号接收后，再将数据解调出来，由BCM对数据进行处理和判断。常用的调制/解调高频接收电路(High frequency receiving circuit)其工作模式可分为超再生和超外差两种。

超外差接收机的优点是频率稳定，抗干扰能力好，与单片机配合的性能较稳定。缺点是灵敏度低于超再生接收机，价格也远高于超再生接收机。

高频接收电路决定遥控接收效果。除自身的性能和遥控发射器性能要求外。还需要适配高效的接收天线。BCM常用的有橡胶天线、外拖软导线和直接使用PCB印制天线。外拖天线和印制天线。通常取所用频率波长的1/2n效果最佳，波长λ=c/f（c=光速)。

美国安森美半导体(ON Semiconductor)产品有高能效高性能的电子器件和控制器。在汽车电子技术有较出色的表现。表2介绍了安森美BCM各类汽车总线的特性与典型收发器的比较。可在其网站上查到。

4. 车身控制模块的失效保护

失效保护模式是指汽车电子控制模块在检测到某一驱动器、传感器或其电路出现故障(即失效)时。在记录故障代码后，为保护系统及行驶安全，系统进入的一种安全保护模式，使车辆能够暂时行驶，同时点亮故障指示灯。警告驾驶员就近尽快维修。

固态开关和熔断器成为BCM的重要组成部件。车灯、门锁作为车身控制模块的负载皆有驱动器驱动。各驱动器支路皆配备熔断器。BCM会有多个由蓄电池方向过来为数十个负载馈送电源的支路，每一电源馈路亦应装有熔断器。也有一些类型的BCM仅集中装2～3个熔断器，这种场合，一旦输出失效时，BCM依靠固态开关提供“熔断器”的保护功能。

4.1 熔断器保护

熔断器特性功耗I2R与熔断时间t的关系如图5所示。其中I是通过熔断器的电流，电流越大，熔断或开路时间t的时间越短。

熔断器的容错能力极差，又不能自动复位，必然会被固态开关替代。固态开关有过热和超负载保护功能，在输出短路而限制负载电流时是极佳的选择。

4.2 智能固态开关保护

BCM负载中的照明光源是传统的白炽灯，由于正温度系数，冷态阻值甚小，开灯瞬间浪涌电流过大。而新型的LED灯，开关电源的脉宽调制(PWM)调整常需要若干个时钟周期，开启关断电源的操作过电压会烧毁恒流环，甚至开关管，毁坏LED灯。但当没有发生极端的硬短路事件时，高浪涌电流的元器件准许异常高的稳态电流在线束中流动。电流强度不足以激活智能开关的限流功能，但足以烧毁线束或电路板。固态开关会出现仅保护自身，而不保护所在系统的状况。

短路是一个严重的故障，却相对易于实现保护。驱动器限制负载电流．驱动器上的电压降和相应的限流造成了功耗，大部分的功耗不发生在线束上，而是发生在智能开关之上，于是开关温度急速上升，激活其过热关断功能，也就保护了相关的线束。

智能固态开关与熔断器性能比较见图6。

图6中红色曲线表示智能固态开关。红线与蓝色点划线的交点(30A，2s附近)向右的一段，蓝色点划线在红线的下方，智能开关如果还在继续工作。此时线束已开始因过热而自毁，甚至殃及线路板。

智能开关烧毁示意见图7。于是有必要根据浪涌电流，开发出一个能高度仿真熔断器特性的智能开关。

高仿真熔断器特性由智能电路保护算法来实现。负载电流和关断时间曲线见图8。

通过A、B 2个区域来表达不同的关断情况。图8中曲线下右单斜线的阴影面积A区域是保护算法的I2一t的界限以内，而B区域斜格阴影所表示的是某段时间的恒定超负载条件。此时，超负载电流比智能开关的限流值小。很明显。当限流值高于曲线时，智能开关接通，继续工作；而当B区突破A区时，开关断开。

BCM既要开展输出又要监测输入，BCM故障须根据产品定义的不同逻辑共用输入信号来判断。一些常见的开关输入电路，BCM对开关的不正常响应皆是因为对这些开关的判断出现了偏差。

造成误判的原因可能是：开关搭铁是否良好?是否发生了开关的接触电阻骤然增大?是否因为不寻常的剧烈震动导致开关触点发生不正常的导通或断开?

不让瞬间错误造成误判的特例见图9。

瞬间的过电流超出曲线与A区域的界限。但是，因为时间甚短，不足以产生误判而关断开关的条件。该保护算法允许出现多路浪涌电流，而并不强制系统来处理远超正常值的稳态电流。这种算法十分理想，有强大的保护功能，不仅保护了开关的自身，也保护了由开关驱动的线束。内置的看门狗和激活功能等其他安全机制。更加提高了这一解决方案的可靠性。

升降序计算器以流经开关的电流，为参数。在芯片上实现该算法。参考电流值决定计数器的方向，当检测电流低于参考电流的阈值(threshold value)时，计数器以固定值降序计数，其设定的降序计数值实为更好地估算熔断器的散热性。而当检测电流高于参考电流时，计数器升序计数，其速率正比于检测电流和参考电流两者之差的平方。注意，该阈值浪涌电流相比线束的处理能力稍低。计数器一旦达到某一预设值之后，输出即被关断，达到该算法以熔断器特性保护线束的目的。直至微控制器重新初始化，驱动器一直处于关断状态。初始化后，输出会重新导通。

 

图10画出了采用保护算法外推了I2-t曲线。该类保护方法的智能开关特性(绿色细实线)可与熔断器特性(红色细实线)相近，降低了车身控制模块的线束成本，减少了熔断器的数量。同时提高了整个部件的安全性和可靠性。

通过保护算法将特性曲线外推，使之与熔断器特性曲线相近，实现理想的失效保护模式。程序软件设计蕴含较为复杂的计算机控制技术，即'保护算法'。需先对状态参数变量进行恰当准确的估算，结合电器动力学仿真软件进行仿真和验证，为开关控制策略提供模型和数据依据。软件程序通过MCU进行开关的驱动与制动动作的控制，确保其准确地工作。