汽車(chē)電子控制技術(shù)的應用與發(fā)展趨勢

一、概述

近年來(lái)，隨著(zhù)電子技術(shù)、計算機技術(shù)和信息技術(shù)的應用，汽車(chē)電子控制技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，尤其在控制精度、控制范圍、智能化和網(wǎng)絡(luò )化等多方面有了較大突破。汽車(chē)電子控制技術(shù)已成為衡量現代汽車(chē)發(fā)展水平的重要標志。

汽車(chē)電子控制系統基本由傳感器、電子控制器(ECU)、驅動(dòng)器和控制程序軟件等部分組成，與車(chē)上的機械系統配合使用(通常與動(dòng)力系統、底盤(pán)系統和車(chē)身系統中的子系統融合)，并利用電纜或無(wú)線(xiàn)電波互相傳輸訊息，即所謂的“機電整合”，如電子燃油噴射系統、制動(dòng)防抱死控制系統、防滑控制系統、電子控制懸架系統、電子控制自動(dòng)變速器、電子助力轉向等。汽車(chē)電子控制系統大體可分為四個(gè)部分：發(fā)動(dòng)機電子控制系統，底盤(pán)綜合控制系統，車(chē)身電子安全系統，信息通訊系統。其中，前兩種系統與汽車(chē)的行駛性能有直接關(guān)系。

二、電子控制技術(shù)的應用

(一)發(fā)動(dòng)機電子控制系統

發(fā)動(dòng)機電子控制系統(EECS)是通過(guò)對發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火、噴油、空氣與燃油的比率、排放廢氣等進(jìn)行電子控制，使發(fā)動(dòng)機在最佳工況狀態(tài)下工作，以達到提高其整車(chē)性能、節約能源、降低廢氣排放的目的。

1.電控點(diǎn)火裝置(ESA)

電控點(diǎn)火裝置由微處理機、傳感器及其接口、執行器等構成。該裝置根據傳感器測得的發(fā)動(dòng)機參數進(jìn)行運算、判斷，然后進(jìn)行點(diǎn)火時(shí)刻的調節，可使發(fā)動(dòng)機在不同轉速和進(jìn)氣量等條件下，保證在最佳點(diǎn)火提前角下工作，使發(fā)動(dòng)機輸出最大的功率和轉矩，降低油耗和排放，節約燃料，減少空氣污染。

2.電控燃油噴射(EFI)

控燃油噴射裝置因其性能優(yōu)越而逐漸取代了機械式或機電混合式燃油噴射系統。當發(fā)動(dòng)機工作時(shí)，該裝置根據各傳感器測得的空氣流量、進(jìn)氣溫度、發(fā)動(dòng)機轉速及工作溫度等參數，按預先編制的程序進(jìn)行運算后與內存中預先存儲的最佳工況時(shí)的供油控制參數進(jìn)行比較和判斷，適時(shí)調整供油量，保證發(fā)動(dòng)機始終在最佳狀態(tài)下工作，使其在輸出一定功率的條件下，發(fā)動(dòng)機的綜合性能得到提高。

3.廢氣再循環(huán)控制(EGR)

廢氣再循環(huán)控制系統是目前用于降低廢氣中氧化氮排放的一種有效措施。其主要執行元件是數控式EGR閥，作用是獨立地對再循環(huán)到發(fā)動(dòng)機的廢氣量進(jìn)行準確的控制。ECU根據發(fā)動(dòng)機的工況適時(shí)地調節參與再循環(huán)廢氣的循環(huán)率，發(fā)動(dòng)機在負荷下運轉時(shí)，EGR閥開(kāi)啟，將一部分排氣引入進(jìn)氣管與新混合氣混合后進(jìn)入氣缸燃燒，從而實(shí)現再循環(huán)，并對送入進(jìn)氣系統的排氣進(jìn)行最佳的控制，從而抑制有害氣體氧化氮的生成，降低其在廢氣中的排出量。但過(guò)度的廢氣參與再循環(huán)，將會(huì )影響混合氣的點(diǎn)火性能，從而影響發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性，特別是在發(fā)動(dòng)機怠速、低速、小負荷及冷機時(shí)，再循環(huán)的廢氣會(huì )明顯地影響發(fā)動(dòng)機性能。

4.怠速控制(ISC)

怠速控制系統是通過(guò)調節空氣通道面積以控制進(jìn)氣流量的方法來(lái)實(shí)現的。主要執行元件是怠速控制閥(ISC)。ECU根據從各傳感器的輸入信號所決定的目標轉速與發(fā)動(dòng)機的實(shí)際轉速進(jìn)行比較，根據比較得出的差值，確定相當于目標轉速的控制量，去驅動(dòng)控制空氣量的執行機構，使怠速轉速保持在最佳狀態(tài)附近。

除以上控制裝置外，發(fā)動(dòng)機部分利用電子技術(shù)的還有：節氣門(mén)正時(shí)、二次空氣噴射、發(fā)動(dòng)機增壓、油汽蒸發(fā)、燒室的容積、壓縮比等方面，并已在部分車(chē)型上得到了應用。

(二)底盤(pán)綜合控制系統

底盤(pán)綜合控制系統包括電控自動(dòng)變速器、防抱死制動(dòng)系統(ABS)與驅動(dòng)防滑系統(ASR)、電子轉向助力系統(EPS)、自適應懸掛系統(ASS)、巡行控制系統(CCS)等。

1.電控自動(dòng)變速器(ECAT)

一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)驅動(dòng)輪所需的轉速和轉矩，與發(fā)動(dòng)機所能提供的轉速和轉矩有較大差別，因而需要傳動(dòng)系統來(lái)改變從發(fā)動(dòng)機到驅動(dòng)輪之間的傳動(dòng)比，將發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力傳至驅動(dòng)輪，以便能夠適應外界負載與道路條件變化的需要。此外，停車(chē)、倒車(chē)等也靠傳動(dòng)系統來(lái)實(shí)現，適時(shí)地協(xié)調發(fā)動(dòng)機與傳動(dòng)系統的工作狀況，充分地發(fā)揮動(dòng)力傳動(dòng)系統的潛力，使其達到最佳的匹配，這是變速控制系統的根本任務(wù)。ECAT可以根據發(fā)動(dòng)機的載荷、轉速、車(chē)速、制動(dòng)器工作狀態(tài)及駕駛員所控制的各種參數，經(jīng)計算、判斷后自動(dòng)地改變變速桿的位置，按照換檔特性精確地控制變速比，從而實(shí)現變速器換擋的最佳控制，得到最佳擋位和最佳換擋時(shí)間。該裝置具有傳動(dòng)效率高、低油耗、換檔舒適性好、行駛平穩性好以及變速器使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。采用電子技術(shù)特別是微電子技術(shù)控制變速系統，已經(jīng)成為當前汽車(chē)實(shí)現自動(dòng)變速功能的主要方法。

2.防抱死制動(dòng)系統(ABS)與驅動(dòng)防滑系統(ASR)

汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統可以感知制動(dòng)輪每一瞬時(shí)的運動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)控制防止汽車(chē)制動(dòng)時(shí)車(chē)輪的抱死來(lái)保證車(chē)輪與地面達到最佳滑動(dòng)率，從而使汽車(chē)在各種路面上制動(dòng)時(shí)，車(chē)輪與地面都能達到縱向的峰值附著(zhù)系數和較大的側向附著(zhù)系數，以保證車(chē)輛制動(dòng)時(shí)不發(fā)生抱死拖滑、失去轉向能力等不安全的因素，可使汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)維持方向穩定性和縮短制動(dòng)距離，有效地提高了行車(chē)的安全性。它是應用在汽車(chē)安全上的最有價(jià)值的一項應用。

汽車(chē)制動(dòng)防抱死系統的功能完善和擴展則是驅動(dòng)防滑系統(ASR)，兩系統有許多共同組件。該系統利用驅動(dòng)輪上的轉速傳感器感受驅動(dòng)輪是否打滑，當打滑時(shí)，控制元件便通過(guò)制動(dòng)或通過(guò)油門(mén)降低轉速，使之不再打滑。它實(shí)質(zhì)上是一種速度調節器，可以在起步和彎道中速度發(fā)生急劇變化時(shí)，改善車(chē)輪與路面間的縱向附著(zhù)力，提供最大的驅動(dòng)力，提高其安全性，維持汽車(chē)行駛的方向穩定性。

3.電子轉向助力系統(EPS)

電子轉向助力系統采用電動(dòng)機與電子控制技術(shù)對轉向進(jìn)行控制，利用電動(dòng)機產(chǎn)生的動(dòng)力協(xié)助駕車(chē)者進(jìn)行動(dòng)力轉向，系統不直接消耗發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力。EPS一般是由轉矩(轉向)傳感器、電子控制單元、電動(dòng)機、減速器、機械轉向器以及蓄電池電源等構成。汽車(chē)在轉向時(shí)，轉矩(轉向)傳感器會(huì )感知轉向盤(pán)的力矩和擬轉動(dòng)的方向，這些信號會(huì )通過(guò)數據總線(xiàn)發(fā)給電控單元，電控單元會(huì )根據傳動(dòng)力矩、擬轉的方向等數據信號，向電動(dòng)機控制器發(fā)出動(dòng)作指令，電動(dòng)機就會(huì )根據具體的需要輸出相應大小的轉動(dòng)力矩，從而產(chǎn)生了助力轉向。如果不轉向，則本套系統就不工作，處于待調用狀態(tài)。電子轉向助力系統提高了汽車(chē)的轉向能力和轉向響應特性，增加了汽車(chē)低速時(shí)的機動(dòng)性以及調整行駛時(shí)的穩定性。目前國內中高檔轎車(chē)應用助力轉向較多。

4.自適應懸掛系統(ASS)

自適應懸掛系統能根據懸掛裝置的瞬時(shí)負荷，自動(dòng)、適時(shí)地調整懸掛的阻尼特性及懸架彈簧的剛度，以適應瞬時(shí)負荷，保持懸掛的既定高度，極大地提高了車(chē)輛行駛的穩定性、操縱性和乘坐的舒適性。

5.巡行控制系統(CCS)

巡航控制(Cruise Control)又稱(chēng)恒速行駛系統是讓駕駛員無(wú)需操作油門(mén)踏板就能保證汽車(chē)以某一固定的預選車(chē)速行駛的控制系統。在長(cháng)途行駛時(shí)，可采用巡行控制系統，駕駛員不必經(jīng)常踏油門(mén)，恒速行駛裝置將根據行車(chē)阻力自動(dòng)調整節氣門(mén)開(kāi)度以調整車(chē)速在恒速狀態(tài)附近。若遇爬坡，車(chē)速有下降趨勢，微機控制系統則自動(dòng)加大節氣門(mén)開(kāi)度;在下坡時(shí)，又自動(dòng)關(guān)小節氣門(mén)開(kāi)度，以調節發(fā)動(dòng)機功率達到一定的轉速。當駕駛員換低速擋或制動(dòng)時(shí)，這種控制系統則會(huì )自動(dòng)斷開(kāi)。該系統可以減輕駕駛員長(cháng)途駕駛之疲勞，給駕駛帶來(lái)了很大的方便，同時(shí)也可以得到較好的燃油經(jīng)濟性。

(三)車(chē)身電子安全系統

車(chē)身電子安全系統包括車(chē)身系統內的電子設備，主要有自適應前照燈系統、汽車(chē)夜視系統、安全氣囊、碰撞警示與預防系統、輪胎壓力監測系統、自動(dòng)調節座椅系統、安全帶控制系統等，提高了駕駛人員和乘客乘坐的舒適和方便性。

1.自適應前照燈系統(AFS)

自適應前照燈系統可在前照燈照明范圍內，根據車(chē)身的動(dòng)態(tài)變化、轉向機構的動(dòng)作特性等綜合因素進(jìn)行計算和判斷，從而判定汽車(chē)當前的行駛狀態(tài)并對前照燈近光進(jìn)行相應的調整，并能在會(huì )車(chē)時(shí)自動(dòng)啟閉和防眩。它能夠有效地降低駕駛者在夜晚彎路上行車(chē)的疲勞程度，使駕駛者能夠看清轉彎處的實(shí)際路況，使駕駛者能夠擁有充分的時(shí)間進(jìn)行轉向操縱和應付緊急情況，從而明顯提高夜晚彎路上行車(chē)的安全性。在日本，一些汽車(chē)商在其高檔轎車(chē)中已標配AFS系統，如豐田汽車(chē)公司在獵犬上采用了可變式前燈“自適應性前照燈系統。

2.汽車(chē)夜視系統(N VS)

夜視系統是全天候的電子眼，延伸了駕駛員的視力范圍，使其視力范圍達到近光燈照射距離的3到5倍，且能幫助駕駛員看到遠處來(lái)車(chē)的燈光，在雨雪、濃霧天氣公路上的物體也能盡收眼底，大大提高了汽車(chē)行駛的安全性。車(chē)載夜視系統是根據紅外成像原理工作的，屬被動(dòng)式紅外成像技術(shù)。該系統本身不發(fā)出任何信號，而是通過(guò)一個(gè)起攝影作用的傳感器來(lái)探測前方物體熱量，熱能被集中到一個(gè)可以通過(guò)各種紅外線(xiàn)波長(cháng)的探測器，被探測器的紅外線(xiàn)敏感元件(與溫度有關(guān)的電容器，其電容大小隨所接收紅外線(xiàn)的多少而變化)吸收，而后將輻射依次變換為電信號和數字信號，再通過(guò)眼前顯示(HUD)或車(chē)內顯示屏將圖像顯示給駕駛者。目前，越來(lái)越多的汽車(chē)廠(chǎng)家開(kāi)始開(kāi)發(fā)和使用車(chē)載夜視系統，但由于價(jià)格原因，國外各大汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家只是在其頂級豪華車(chē)型中使用了該系統，像悍馬H2SUT、寶馬七系列轎車(chē)、奔馳全新S級轎車(chē)、卡迪拉克帝威等。隨著(zhù)科技的發(fā)展和夜視系統生產(chǎn)成本的降低，車(chē)載夜視系統將會(huì )得到全面普及。

3.安全氣囊(SRS)

該系統是國內外汽車(chē)上一種常見(jiàn)的被動(dòng)安全裝置。在車(chē)輛相撞時(shí)，由電控元件用電流引爆安置在方向盤(pán)中央(有的在儀表盤(pán)板雜務(wù)箱后邊也安裝)等處氣囊中的滲氮物，迅速燃燒產(chǎn)生氮氣，瞬間充滿(mǎn)氣囊。氣囊的作用是在駕駛員與方向盤(pán)之間、前座乘員與儀表板間形成一個(gè)緩沖軟墊，避免硬性撞擊而受傷。此裝置一定要與安全帶配合使用，否則效果大為降低。

4.碰撞警示和預防系統(CWAS)

該系統有多種形式，有的在汽車(chē)行駛中，當兩車(chē)的距離小到安全距離時(shí)，即自動(dòng)報警，若繼續行駛，則會(huì )在即將相撞的瞬間，自動(dòng)控制汽車(chē)制動(dòng)器將汽車(chē)停住;有的是在汽車(chē)倒車(chē)時(shí)，顯示車(chē)后障礙物的距離，有效地防止倒車(chē)事故發(fā)生。

5.輪胎壓力監測系統(TPWS)

汽車(chē)輪胎內充氣壓力的高低，直接影響到整車(chē)行駛的舒適性和安全性。如果保持適宜的輪壓，則可以減小輪胎的磨損、降低油耗、防止因輪壓不足而引起的輪胎損壞，并能保證汽車(chē)的行駛穩定和安全性。輪胎壓力監測系統通過(guò)連續地監測輪胎的壓力、溫度和車(chē)輪轉速，能夠自動(dòng)地為駕駛員發(fā)出警告。

6.自動(dòng)調節座椅系統(AAS)

該裝置是人體工程技術(shù)與電子控制技術(shù)相結合的產(chǎn)物，它通過(guò)傳感器感知乘坐人員的體態(tài)，并使座椅狀態(tài)與之相適應，滿(mǎn)足乘客的舒適性要求。

除以上控制系統外，安全帶控制系統、疲勞監視系統、自動(dòng)雨刷系統、智能性型后視等系統在一些車(chē)型上也已得到應用。

(四)信息通訊系統

信息通訊系統包括汽車(chē)導航與定位系統、語(yǔ)音系統、信息系統、通信系統等。

1.汽車(chē)導航系統與定位系統(NTIS)

該系統可在城市或公路網(wǎng)范圍內，定向選擇最佳行駛路線(xiàn)，并能在屏幕上顯示地圖，表示汽車(chē)行駛中的位置，以及到達目的地的方向和距離。這實(shí)質(zhì)是汽車(chē)行駛向智能化發(fā)展的方向，再進(jìn)一步就可成為無(wú)人駕駛汽車(chē)。

2.語(yǔ)音系統(VS)

該系統包括語(yǔ)音報警和語(yǔ)音控制兩類(lèi)。語(yǔ)音報警是在汽車(chē)出現不正常情況，如燃油溫度、冷卻液溫度、油壓、充電、尾燈、前照燈、排氣溫度、制動(dòng)液量、手制動(dòng)、車(chē)門(mén)未關(guān)嚴等出現不正?，F象或自診斷系統測出有故障時(shí)，計算機經(jīng)過(guò)邏輯判斷后輸出信息至揚聲器或警示器報警。語(yǔ)音控制是用駕駛員的聲音來(lái)指揮和控制汽車(chē)的某個(gè)部件、設備進(jìn)行動(dòng)作。

3.信息系統(IS)

該系統可將發(fā)動(dòng)機的工況和其它信息參數，通過(guò)微處理機處理后，輸出對駕駛員有用的信息。顯示的信息除冷卻液溫度、油壓、車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速等常見(jiàn)的內容外，還有瞬時(shí)耗油量、平均耗油量、平均車(chē)速、行駛里程、車(chē)外溫度等，根據駕駛員的需要，可隨時(shí)調出顯示這些信息。

4.通訊系統(CS)

這方面真正使用且采用最多的是汽車(chē)電話(huà)，在美國、日本、歐洲等發(fā)達國家較普及，目前的水平在不斷地提高，除車(chē)與路之間，車(chē)與車(chē)之間，車(chē)與飛機等交通工具之間的通話(huà)外，還可通過(guò)衛星與國際電話(huà)網(wǎng)相聯(lián)，實(shí)現行駛過(guò)程中的國際間電話(huà)通信，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )信息交換，圖像傳輸等?，F在汽車(chē)由于有了支持無(wú)線(xiàn)電話(huà)網(wǎng)絡(luò )、寬帶數字信號、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )以及其它新興的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，使人們能夠隨時(shí)隨地獲取信息和服務(wù)。

三、汽車(chē)電子技術(shù)應用的發(fā)展趨勢

隨著(zhù)集成控制技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)電子技術(shù)已明顯向集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò )化三個(gè)主要方向發(fā)展。

(一)集成化

近年來(lái)嵌入式系統、局域網(wǎng)控制和數據總線(xiàn)技術(shù)的成熟，使汽車(chē)電子控制系統的集成成為汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。將發(fā)動(dòng)機管理系統和自動(dòng)變速器控制系統，集成為動(dòng)力傳動(dòng)系統的綜合控制;將制動(dòng)防抱死控制系統、牽引力控制系統和驅動(dòng)防滑控制系統綜合在一起進(jìn)行制動(dòng)控制;通過(guò)中央底盤(pán)控制器，將制動(dòng)、懸架、轉向、動(dòng)力傳動(dòng)等控制系統通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行連接，控制器通過(guò)復雜的控制運算，對各子系統進(jìn)行協(xié)調，將車(chē)輛行駛性能控制到最佳水平，形成一體化底盤(pán)控制系統。

(二)智能化

智能化傳感技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，加快了汽車(chē)的智能化進(jìn)程。汽車(chē)智能化相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題已受到汽車(chē)制造商的高度重視。其主要技術(shù)中“自動(dòng)駕駛儀”的構想必將依賴(lài)于電子技術(shù)實(shí)現。智能交通系統(ITS)的開(kāi)發(fā)將與電子、衛星定位等多個(gè)交叉學(xué)科相結合，它能根據駕駛員提供的目標資料，向駕駛員提供距離最短而且能繞開(kāi)車(chē)輛密度相對集中處的最佳行駛路線(xiàn)。它裝有電子地圖，可以顯示出前方道路、并采用衛星導航。從全球定位衛星獲取沿途天氣、車(chē)流量、交通事故、交通堵塞等各種情況，自動(dòng)篩選 出最佳行車(chē)路線(xiàn)。

(三)網(wǎng)絡(luò )化

隨著(zhù)電控器件在汽車(chē)上越來(lái)越多的應用，車(chē)載電子設備間的數據通信變得越來(lái)越重要。以分布式控制系統為基礎構造汽車(chē)車(chē)載電子網(wǎng)絡(luò )系統是十分必要的。大量數據的快速交換、高可靠性及低成本是對汽車(chē)電子網(wǎng)絡(luò )系統的要求。在該系統中，各子處理機獨立運行，控制改善汽車(chē)某一方面的性能，同時(shí)在其它處理機需要時(shí)提供數據服務(wù)。主處理機收集整理各子處理機的數據，并生成車(chē)況顯示。