汽車電子技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

2004年6月A版

摘   要：本文從發(fā)動機系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、車身、電動汽車、智能汽車、整車控制系統(tǒng)幾個方面對當代汽車電子技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展進行了分類介紹與綜述。

關(guān)鍵詞：電子控制；TPMS；ITS；CAN /LAN； X-By-Wire

引言

　　近年來，汽車電子技術(shù)的迅猛發(fā)展極大地改善了汽車的各項性能。專家預(yù)測：未來5年內(nèi)汽車上的電子裝置成本將占汽車整車成本的25％以上。汽車已經(jīng)由單純的機械產(chǎn)品發(fā)展成為高級的機電一體化產(chǎn)品。

　　21世紀汽車的三大任務(wù)是：安全、節(jié)能、環(huán)保。其中環(huán)保與節(jié)能主要體現(xiàn)在發(fā)動機與傳動系的電子控制以及燃料電池、CAN通訊、X-By-Wire為代表的電動汽車、整車控制技術(shù)方面，而行駛安全性則主要體現(xiàn)在ABS、TCS、VDC、4WS、TPMS等核心電子控制技術(shù)的發(fā)展上。除此之外，還有為提高行駛舒適性而開發(fā)的電控懸架技術(shù)，以及為提高汽車智能化而開發(fā)的自動避撞系統(tǒng)、車載導(dǎo)航系統(tǒng)等電子控制技術(shù)。

　　現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的發(fā)展可以分為以下六大類：發(fā)動機電子控制、底盤系統(tǒng)電子控制、車身電子控制、電動汽車技術(shù)、智能汽車與智能交通(ITS)技術(shù)、整車控制技術(shù)。

發(fā)動機電子控制

　　目前，汽油機的電子控制技術(shù)已經(jīng)日趨完善，而國內(nèi)外的柴油機電子控制技術(shù)則發(fā)展迅猛，新技術(shù)層出不窮。近年來，高壓燃油直噴系統(tǒng)和高壓共軌噴射系統(tǒng)的發(fā)展使柴油機的燃油經(jīng)濟性和排放性都有了很大的改善。廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)、氧化催化器和微粒捕捉器改善了柴油機的各項排放。

　　發(fā)動機管理系統(tǒng)則對噴油和進氣過程進行綜合控制，保證發(fā)動機能夠在保持良好動力性的基礎(chǔ)上，達到最優(yōu)的燃油經(jīng)濟性和排放性，同時降低噪聲和振動。發(fā)動機管理系統(tǒng)的核心技術(shù)是單片機(MCU)，它為汽車動力傳動系統(tǒng)從機械系統(tǒng)向電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)變提供了更強的計算處理能力。近幾年由于單片機功能的增強，智能傳感器、智能功率集成電路的出現(xiàn)，使得電子控制單元(ECU)硬件電路的設(shè)計變得非常簡單，工作更為可靠。 燃油噴射系統(tǒng)使用的主要傳感器，如進氣歧管壓力傳感器和曲軸轉(zhuǎn)速、曲軸位置傳感器，隨著半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)的提高，已將敏感元件及其輸出信號的處理電路都集成在一塊硅片上，傳感器的輸出信號可以直接送給單片機。除此之外，還增加了過電壓、電源極性反接和抗干擾輸出保護的功能。 智能化功率集成電路，已將線性放大電路，數(shù)字電路和功率器件都集成在一塊硅片上，并且還增加了一些特定的功能。例如，噴油器驅(qū)動電路是一片四路低端開關(guān)智能功率集成電路，可分別驅(qū)動四個獨立的噴油器，并且還具有負載開路檢測、電感性負載高電壓鉗位、過熱、過電壓和過電流斷電保護以及自恢復(fù)等功能。器件的輸入端可以直接和單片機引腳相連，還可將工作狀態(tài)診斷報告，通過SPI口送給單片機進行處理。使用新器件設(shè)計電路板時，可以省去傳感器輸入信號的調(diào)理電路和用于驅(qū)動功率管的前置放大電路以及監(jiān)測電路，使電路板變得非常簡單。

　　目前，單片機技術(shù)的發(fā)展趨勢是低電壓、低功耗、高速度、高集成度。Strategy Analytics的報告指出，2004年汽車電子業(yè)總市值(TAM)將達到151億美元。其中用于發(fā)動機管理系統(tǒng)進行快速數(shù)據(jù)處理的32位MCU和用于車身電路系統(tǒng)的8/16位MCU需求將會增加。受這些應(yīng)用的推動，2010年每輛汽車所需的半導(dǎo)體將從2001年的200美元增長到超過300美元。

底盤系統(tǒng)電子控制

自動變速器

　　采用自動變速器，在駕駛時可以不踩離合器，實現(xiàn)自動換檔，而且發(fā)動機不會熄火，從而可以有效的提高駕駛方便性。20世紀80年代以來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，變速器自動控制更加完善，在各種使用工況下均能實現(xiàn)發(fā)動機與傳動系的最佳匹配。目前得到廣泛采用的自動變速器主要有三種類型：

　　液力機械式自動變速器(AT)：由變矩器，自動變速器，液壓電子控制系統(tǒng)三部分組成，目前技術(shù)成熟，應(yīng)用最廣。其電子液壓控制系統(tǒng)由傳感器、電控單元、換檔電磁閥、油壓調(diào)節(jié)電磁閥、油泵和換檔閥等組成；電控機械式自動變速器(AMT)：由傳統(tǒng)的離合器與手動齒輪變速器采用電控進行自動變速，目前在重型貨車上選用較多；電控機械式無級變速器(CVT)：由V型剛帶與可調(diào)半徑的帶輪得到無級變速，在兩升以下的轎車上被廣泛采用。CVT的主要優(yōu)點是：速比變化是無級的，在各種行駛工況下都能選擇最佳的速比，其動力性、經(jīng)濟性和排放性與AT相比，大約可以改善5％左右。

電控懸架

　　目前，汽車的懸架系統(tǒng)一般是彈簧剛度和減振器阻尼特性不能改變的被動懸架，它不能根據(jù)使用工況和路面輸入的變化進行控制和調(diào)整，故難以滿足汽車平順性和操縱穩(wěn)定性的更高要求。近年來，隨著電控和隨動液壓技術(shù)的發(fā)展，彈簧剛度和減振器阻尼特性參數(shù)可調(diào)的電控主動和半主動懸架，在汽車上逐步得到應(yīng)用和發(fā)展。

　　主動懸架：一般由傳感器檢測系統(tǒng)運動的狀態(tài)信號，反饋到電控單元ECU，然后由ECU發(fā)出指令給執(zhí)行機構(gòu)主動力發(fā)生器，構(gòu)成閉環(huán)控制。通常采用電液伺服液壓缸作為主動力發(fā)生器，它由外部油源提供能量。力發(fā)生器產(chǎn)生主動控制力作用于振動系統(tǒng)，自動改變彈簧剛度和減振器阻力系數(shù)。主動懸架除可控制振動外，還可以控制車的姿態(tài)和高度。圖1為主動懸架結(jié)構(gòu)示意圖。

　　半主動懸架：實時閉環(huán)控制的半主動懸架—主要是通過電磁閥控制可調(diào)阻尼減震器，其控制方法和主動懸架類似，屬于實時閉環(huán)控制； 車速控制的可調(diào)阻尼懸架－可調(diào)阻尼減振器由直流電機帶動具有不同節(jié)流孔的轉(zhuǎn)閥得到舒適(軟)、正常(中)、運動(硬)三個等級的阻尼； 空氣彈簧半主動懸架－由剛度控制閥改變主、副氣室的通道面積得到軟、中、硬不同的剛度，其控制與由車速控制的可調(diào)阻尼懸架類似。

操縱穩(wěn)定性的電子控制系統(tǒng)

　　提高汽車的操縱穩(wěn)定性，過去一直局限于通過改進輪胎、懸架、轉(zhuǎn)向與傳動系的性能來實現(xiàn)。隨著計算機、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的迅速發(fā)展，各國研發(fā)了各種顯著改善操縱穩(wěn)定性和安全性的電子控制系統(tǒng)。如防抱死制動系統(tǒng) (Anti-Lock Braking System簡稱ABS)、牽引力控制系統(tǒng)(Traction Control System簡稱TCS，也稱ASR)、四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (4WS)、車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)(Vehicle Dynamic Control 簡稱VDC，也稱VSC、ESP)、輪胎壓力檢測系統(tǒng)(Tire Pressure Monitoring System簡稱TPMS)等。

　　其中， VDC是在ABS和TCS的基礎(chǔ)上，增加汽車轉(zhuǎn)向行駛時橫擺運動的角速度傳感器，通過ECU控制各個車輪的驅(qū)動力和制動力，確保汽車行駛的橫向穩(wěn)定性，防止轉(zhuǎn)向時車輛被推離彎道或從彎道甩出。它綜合了ABS和TCS的功能，用左右兩側(cè)車輪制動力之差產(chǎn)生的橫擺力矩來防止出現(xiàn)難以控制的側(cè)滑現(xiàn)象。從而使汽車由被動改變性能進入主動進行控制，使駕駛員以正常操作方式即可順利地通過難以駕御的危險工況。

　　四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(4WS)是指使后輪與前輪一起轉(zhuǎn)向，是一種提高車輛反應(yīng)性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)。使后輪與前輪同相位轉(zhuǎn)向，可以減小車輛轉(zhuǎn)向時的旋轉(zhuǎn)運動(橫擺)，改善高速行駛的穩(wěn)定性。使后輪與前輪逆相位轉(zhuǎn)向，能夠改善車輛中低速行駛的操縱性，提高快速轉(zhuǎn)向性。

　　輪胎壓力檢測系統(tǒng)(TPMS)是在每一個輪胎上安裝高靈敏度的傳感器，在行車狀態(tài)下實時監(jiān)視輪胎的各種數(shù)據(jù)，通過無線方式發(fā)射到接收器，并在顯示器上顯示各種數(shù)據(jù)，任何原因(如鐵針扎入輪胎、氣門芯漏氣)等導(dǎo)致的輪胎漏氣、溫度升高，系統(tǒng)都會自動報警。從而確保汽車行駛中的安全，延長輪胎的使用壽命，降低燃油的消耗，是一種真正不同于ABS、安全帶、安全氣囊等現(xiàn)有汽車安全裝備的"事前主動"型安保產(chǎn)品。目前，TPMS主要分為兩種類型，一種是Wheel-Speed Based TPMS(簡稱WSB TPMS，或稱為間接式TPMS)，這種系統(tǒng)是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較車輪之間的轉(zhuǎn)速差別，以達到監(jiān)視胎壓的目的。該類型系統(tǒng)的主要缺點是無法對兩個以上的輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100公里/小時的情況進行判斷。另一種是Pressure-Sensor Based TPMS(簡稱PSB TPMS，或稱為直接式TPMS)，這種系統(tǒng)是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進行顯示及監(jiān)視，當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統(tǒng)會自動報警。一般認為PSB TPMS從功能和性能上均優(yōu)于WSB TPMS。

車身電子控制

　　汽車車身電子控制技術(shù)所涉及的內(nèi)容很多，如汽車的視野性、方便性、舒適性、娛樂性、通信功能等。

　　視野性是指駕駛員在駕駛過程中，不改變操作姿勢時對道路及周圍環(huán)境觀察的可見范圍。視野控制技術(shù)指的是對汽車照明燈(包括前照燈、鑰匙孔照明燈、車門燈和日光燈)和轉(zhuǎn)向信號燈的電子控制，以及對電動刮水器、洗滌器和除霜器等的電子控制；方便性除指駕駛員、乘員進出車廂和行李貨物裝卸方便外，還包括對汽車電動門窗、電動門鎖與點火鑰匙鎖、電動后視鏡、電動車頂(天窗)等的控制；車身電控設(shè)備主要包括照明系統(tǒng)、自動座椅系統(tǒng)(如存儲式座椅)、自動空調(diào)系統(tǒng)、自動雨刮和車窗系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)等。

　　目前車身電控技術(shù)呈現(xiàn)如下的發(fā)展趨勢：進一步滿足用戶個性化的需求；更強調(diào)乘座舒適性、安全性和環(huán)保性；先進的駕駛和乘座信息系統(tǒng)，如車輛遙控檢測、智能型汽車防盜、乘座適應(yīng)性控制、42伏電子系統(tǒng)、環(huán)保設(shè)計系統(tǒng)等等。

電動汽車

　　隨著傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的大范圍推廣應(yīng)用，人們的生活變得日益方便舒適，但同時也引起了一系列的能源與環(huán)境問題?；旌蟿恿﹄妱悠囈约叭剂想姵仉妱悠嚕鳛榻鉀Q環(huán)境和能源問題的一種切實可行的方案，逐漸得到了世界各大汽車廠商的青睞。這是因為與傳統(tǒng)汽車、純電動汽車技術(shù)相比，它們具有以下一些優(yōu)勢：1)效率高；2)續(xù)駛里程長；3)綠色環(huán)保；4)過載能力強；5)低噪音；6)設(shè)計方便靈活。

　　隨著Toyota Prius在日本市場的出現(xiàn)和暢銷，混合動力電動汽車以其優(yōu)良的性能、極高的燃油經(jīng)濟性和低排放性能引起了汽車界的高度重視。而在燃料電池電動汽車領(lǐng)域，從20世紀90年代初開始，戴姆勒-奔馳汽車公司就先后推出了Necar1至Necar4這一系列的燃料電池電動汽車；美國通用汽車公司在2003年國際巡展北京站中展出的燃料電池原型車“氫動三號”和基于“Hy-by wire”技術(shù)的燃料電池概念車已經(jīng)具備了較好的動力性和燃油經(jīng)濟性能。

智能汽車與智能交通

　　智能汽車是指運行于智能交通系統(tǒng)中的車輛。智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System 簡稱 ITS)是指將先進的電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、運籌學(xué)等有效的綜合用于“道路－車輛－行人”系統(tǒng)中，以形成統(tǒng)一、高效的汽車智能系統(tǒng)。它具有自動控制車速、自主尋路、自動導(dǎo)航、主動避撞、自動電子收費、無人駕駛等功能。智能汽車是今后國內(nèi)外汽車發(fā)展的熱點領(lǐng)域，是未來汽車發(fā)展的必由之路。智能交通系統(tǒng)主要包括以下幾部分內(nèi)容。

　　自動避撞系統(tǒng)：利用裝于車輛上的傳感器及計算機控制器，實時準確判斷發(fā)生碰撞的可能，隨時提醒駕駛?cè)藛T注意，并在必要時采取緊急措施以避免或減輕碰撞危險；交通管理系統(tǒng)：為防止由交通事故引發(fā)的二次損失，在盡早發(fā)現(xiàn)交通事故、實施相應(yīng)交通管制的同時，通過車載機或其他信息提供裝置將交通管制信息提供給駕駛員；電子收費系統(tǒng)：解決收費站的堵塞問題，為駕駛員提供更多的便利、減少管理費用，在收費道路的收費站實施無須停車的自動收費；救援系統(tǒng)：當駕駛員需要應(yīng)急服務(wù)時〔如感覺不適、發(fā)生交通事故)，啟用車載設(shè)備呼叫救援中心，為駕駛?cè)藛T提供救援服務(wù)；車載定位、導(dǎo)航系統(tǒng)：將經(jīng)由路線的堵塞信息、所需時間、交通管制信息、停車場的滿空信息等通過導(dǎo)航系統(tǒng)提供給駕駛員來輔助駕駛汽車。車輛定位及導(dǎo)航系統(tǒng)是ITS環(huán)境中駕駛員信息支持系統(tǒng)的核心設(shè)備。其主要功能包括查詢、尋路、導(dǎo)航、行車信息服務(wù)及提供車載娛樂等。

整車控制技術(shù)

CAN/LIN通訊

　　CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。起先，CAN總線被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。CAN總線是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10Km時，CAN總線仍可提供高達5Kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于CAN串行通訊總線具有這些特性，它很自然地在汽車、制造業(yè)以及航空工業(yè)中受到廣泛應(yīng)用。作為一種技術(shù)先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，CAN總線已被廣泛應(yīng)用到工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中。從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價位的多路接線都可以使用CAN總線。在汽車電子、自動控制、智能樓宇、電力系統(tǒng)、安防監(jiān)控等領(lǐng)域中，CAN總線 都具有不可比擬的優(yōu)越性。

　　 LIN(Local Interconnect Network)是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN的目標是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)(例如CAN總線)提供輔助功能。因此，LIN總線是一種輔助的串行通訊總線網(wǎng)絡(luò)。在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場合，比如智能傳感器和制動裝置之間的通訊，使用LIN總線可大大節(jié)省成本。LIN技術(shù)規(guī)范中，除定義了基本協(xié)議和物理層外，還定義了開發(fā)工具和應(yīng)用軟件接口。LIN通訊是基于SCI(UART)數(shù)據(jù)格式，采用單主控制器/多從設(shè)備的模式，僅使用一根12V信號總線，和一個無固定時間基準的節(jié)點同步時鐘線。

X-By-Wire

　　X-By-Wire也稱Anything-By-Wire，它的全稱是“沒有機械和液力后備系統(tǒng)的安全相關(guān)的容錯系統(tǒng)”。"X"表示任何與安全相關(guān)的操作，包括轉(zhuǎn)向、制動等等。 "By-Wire"表示X-By-Wire是一個電子系統(tǒng)。在X-By-Wire系統(tǒng)中，所有元件的控制和通訊都通過電子來實現(xiàn)。X-By-Wire系統(tǒng)是沒有機械和液力后備系統(tǒng)的，傳統(tǒng)的機械和液力系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)的原因(間隙、運動慣量等)，從控制指令發(fā)出到指令執(zhí)行會有一定的延遲，這在極限情況下是不能允許的。X-By-Wire系統(tǒng)用電來控制會大大的減小延遲，為危險情況下的緊急處理贏得了寶貴的時間。

　　X-By-Wire系統(tǒng)主要由三部分組成：控制系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的功能是根據(jù)駕駛員的意圖和車輛行駛狀況，對執(zhí)行器給出執(zhí)行的設(shè)定值。執(zhí)行系統(tǒng)的功能是在控制系統(tǒng)的控制下，完成具體的執(zhí)行動作(轉(zhuǎn)向、制動等)。通訊系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)部及它們之間的信息傳輸。

　　目前，通用公司在Autonomy上已使用Steer-By-Wire和Brake-By-Wire。預(yù)計，到2010年40％的歐洲生產(chǎn)的汽車將全部采用X-By-Wire技術(shù)。隨著X-By-Wire的發(fā)展，Brake-By-Wire, Thrust-By-Wire, Steer-By-Wire, Shift-By-Wire等By-Wire系統(tǒng)將成為X-By-Wire系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)，它們之間會有一些數(shù)據(jù)要共享，將有一個更大的通訊系統(tǒng)來實現(xiàn)它們之間的通訊，從而使整個汽車成為一個完全的X-By-Wire系統(tǒng)。

結(jié)語

　　電子技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車的各個領(lǐng)域，極大的改善了汽車的綜合性能，使汽車在安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適等各方面都有了長足的進步。目前，汽車電控技術(shù)發(fā)展的最新動向包括：智能控制方法的引入(自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制、最優(yōu)控制等)；控制系統(tǒng)開發(fā)方式的革新(車載CAN網(wǎng)絡(luò)的采用、現(xiàn)代開發(fā)工具dSPACE的運用、層次化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、X－By－Wire控制方式開發(fā)等)；控制系統(tǒng)單元技術(shù)的發(fā)展(半導(dǎo)體、多重通訊  FDI與故障診斷支持、 ECU軟件開發(fā)系統(tǒng)等)。從而形成了汽車電子技術(shù)中信息處理部分的集中化，控制處理部分的分散化( 危險分散、功能分散)等分層控制思想的發(fā)展趨勢。

參考文獻：

1.  清華大學(xué)汽車工程系,‘汽車電子學(xué)光盤’. 2001

2.  舒華、姚國平，‘汽車電子控制技術(shù)’，人民交通出版社,2002

3.  吳誥，‘汽車電子控制技術(shù)和車內(nèi)局域網(wǎng)’，電子工業(yè)出版社, 2003