汽車(chē)電子技術(shù)的現狀與發(fā)展

2004年6月A版

摘   要：本文從發(fā)動(dòng)機系統、底盤(pán)系統、車(chē)身、電動(dòng)汽車(chē)、智能汽車(chē)、整車(chē)控制系統幾個(gè)方面對當代汽車(chē)電子技術(shù)的現狀和發(fā)展進(jìn)行了分類(lèi)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(lái)，汽車(chē)電子技術(shù)的迅猛發(fā)展極大地改善了汽車(chē)的各項性能。專(zhuān)家預測：未來(lái)5年內汽車(chē)上的電子裝置成本將占汽車(chē)整車(chē)成本的25％以上。汽車(chē)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(chē)的三大任務(wù)是：安全、節能、環(huán)保。其中環(huán)保與節能主要體現在發(fā)動(dòng)機與傳動(dòng)系的電子控制以及燃料電池、CAN通訊、X-By-Wire為代表的電動(dòng)汽車(chē)、整車(chē)控制技術(shù)方面，而行駛安全性則主要體現在A(yíng)BS、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(kāi)發(fā)的電控懸架技術(shù)，以及為提高汽車(chē)智能化而開(kāi)發(fā)的自動(dòng)避撞系統、車(chē)載導航系統等電子控制技術(shù)。

　　現代汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展可以分為以下六大類(lèi)：發(fā)動(dòng)機電子控制、底盤(pán)系統電子控制、車(chē)身電子控制、電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)、智能汽車(chē)與智能交通(ITS)技術(shù)、整車(chē)控制技術(shù)。

發(fā)動(dòng)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(lái)，高壓燃油直噴系統和高壓共軌噴射系統的發(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(dòng)機管理系統則對噴油和進(jìn)氣過(guò)程進(jìn)行綜合控制，保證發(fā)動(dòng)機能夠在保持良好動(dòng)力性的基礎上，達到最優(yōu)的燃油經(jīng)濟性和排放性，同時(shí)降低噪聲和振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機管理系統的核心技術(shù)是單片機(MCU)，它為汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統從機械系統向電子系統轉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，使得電子控制單元(ECU)硬件電路的設計變得非常簡(jiǎn)單，工作更為可靠。 燃油噴射系統使用的主要傳感器，如進(jìn)氣歧管壓力傳感器和曲軸轉速、曲軸位置傳感器，隨著(zhù)半導體制造工藝技術(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(guò)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(xiàn)性放大電路，數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，噴油器驅動(dòng)電路是一片四路低端開(kāi)關(guān)智能功率集成電路，可分別驅動(dòng)四個(gè)獨立的噴油器，并且還具有負載開(kāi)路檢測、電感性負載高電壓鉗位、過(guò)熱、過(guò)電壓和過(guò)電流斷電保護以及自恢復等功能。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(guò)SPI口送給單片機進(jìn)行處理。使用新器件設計電路板時(shí)，可以省去傳感器輸入信號的調理電路和用于驅動(dòng)功率管的前置放大電路以及監測電路，使電路板變得非常簡(jiǎn)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(chē)電子業(yè)總市值(TAM)將達到151億美元。其中用于發(fā)動(dòng)機管理系統進(jìn)行快速數據處理的32位MCU和用于車(chē)身電路系統的8/16位MCU需求將會(huì )增加。受這些應用的推動(dòng)，2010年每輛汽車(chē)所需的半導體將從2001年的200美元增長(cháng)到超過(guò)300美元。

底盤(pán)系統電子控制

自動(dòng)變速器

　　采用自動(dòng)變速器，在駕駛時(shí)可以不踩離合器，實(shí)現自動(dòng)換檔，而且發(fā)動(dòng)機不會(huì )熄火，從而可以有效的提高駕駛方便性。20世紀80年代以來(lái)，隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，變速器自動(dòng)控制更加完善，在各種使用工況下均能實(shí)現發(fā)動(dòng)機與傳動(dòng)系的最佳匹配。目前得到廣泛采用的自動(dòng)變速器主要有三種類(lèi)型：

　　液力機械式自動(dòng)變速器(AT)：由變矩器，自動(dòng)變速器，液壓電子控制系統三部分組成，目前技術(shù)成熟，應用最廣。其電子液壓控制系統由傳感器、電控單元、換檔電磁閥、油壓調節電磁閥、油泵和換檔閥等組成；電控機械式自動(dòng)變速器(AMT)：由傳統的離合器與手動(dòng)齒輪變速器采用電控進(jìn)行自動(dòng)變速，目前在重型貨車(chē)上選用較多；電控機械式無(wú)級變速器(CVT)：由V型剛帶與可調半徑的帶輪得到無(wú)級變速，在兩升以下的轎車(chē)上被廣泛采用。CVT的主要優(yōu)點(diǎn)是：速比變化是無(wú)級的，在各種行駛工況下都能選擇最佳的速比，其動(dòng)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(chē)的懸架系統一般是彈簧剛度和減振器阻尼特性不能改變的被動(dòng)懸架，它不能根據使用工況和路面輸入的變化進(jìn)行控制和調整，故難以滿(mǎn)足汽車(chē)平順性和操縱穩定性的更高要求。近年來(lái)，隨著(zhù)電控和隨動(dòng)液壓技術(shù)的發(fā)展，彈簧剛度和減振器阻尼特性參數可調的電控主動(dòng)和半主動(dòng)懸架，在汽車(chē)上逐步得到應用和發(fā)展。

　　主動(dòng)懸架：一般由傳感器檢測系統運動(dòng)的狀態(tài)信號，反饋到電控單元ECU，然后由ECU發(fā)出指令給執行機構主動(dòng)力發(fā)生器，構成閉環(huán)控制。通常采用電液伺服液壓缸作為主動(dòng)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(dòng)控制力作用于振動(dòng)系統，自動(dòng)改變彈簧剛度和減振器阻力系數。主動(dòng)懸架除可控制振動(dòng)外，還可以控制車(chē)的姿態(tài)和高度。圖1為主動(dòng)懸架結構示意圖。

　　半主動(dòng)懸架：實(shí)時(shí)閉環(huán)控制的半主動(dòng)懸架—主要是通過(guò)電磁閥控制可調阻尼減震器，其控制方法和主動(dòng)懸架類(lèi)似，屬于實(shí)時(shí)閉環(huán)控制； 車(chē)速控制的可調阻尼懸架－可調阻尼減振器由直流電機帶動(dòng)具有不同節流孔的轉閥得到舒適(軟)、正常(中)、運動(dòng)(硬)三個(gè)等級的阻尼； 空氣彈簧半主動(dòng)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(chē)速控制的可調阻尼懸架類(lèi)似。

操縱穩定性的電子控制系統

　　提高汽車(chē)的操縱穩定性，過(guò)去一直局限于通過(guò)改進(jìn)輪胎、懸架、轉向與傳動(dòng)系的性能來(lái)實(shí)現。隨著(zhù)計算機、傳感器和執行機構的迅速發(fā)展，各國研發(fā)了各種顯著(zhù)改善操縱穩定性和安全性的電子控制系統。如防抱死制動(dòng)系統 (Anti-Lock Braking System簡(jiǎn)稱(chēng)ABS)、牽引力控制系統(Traction Control System簡(jiǎn)稱(chēng)TCS，也稱(chēng)ASR)、四輪轉向系統 (4WS)、車(chē)輛動(dòng)力學(xué)控制系統(Vehicle Dynamic Control 簡(jiǎn)稱(chēng)VDC，也稱(chēng)VSC、ESP)、輪胎壓力檢測系統(Tire Pressure Monitoring System簡(jiǎn)稱(chēng)TPMS)等。

　　其中， VDC是在A(yíng)BS和TCS的基礎上，增加汽車(chē)轉向行駛時(shí)橫擺運動(dòng)的角速度傳感器，通過(guò)ECU控制各個(gè)車(chē)輪的驅動(dòng)力和制動(dòng)力，確保汽車(chē)行駛的橫向穩定性，防止轉向時(shí)車(chē)輛被推離彎道或從彎道甩出。它綜合了ABS和TCS的功能，用左右兩側車(chē)輪制動(dòng)力之差產(chǎn)生的橫擺力矩來(lái)防止出現難以控制的側滑現象。從而使汽車(chē)由被動(dòng)改變性能進(jìn)入主動(dòng)進(jìn)行控制，使駕駛員以正常操作方式即可順利地通過(guò)難以駕御的危險工況。

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

　　輪胎壓力檢測系統(TPMS)是在每一個(gè)輪胎上安裝高靈敏度的傳感器，在行車(chē)狀態(tài)下實(shí)時(shí)監視輪胎的各種數據，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)射到接收器，并在顯示器上顯示各種數據，任何原因(如鐵針扎入輪胎、氣門(mén)芯漏氣)等導致的輪胎漏氣、溫度升高，系統都會(huì )自動(dòng)報警。從而確保汽車(chē)行駛中的安全，延長(cháng)輪胎的使用壽命，降低燃油的消耗，是一種真正不同于A(yíng)BS、安全帶、安全氣囊等現有汽車(chē)安全裝備的"事前主動(dòng)"型安保產(chǎn)品。目前，TPMS主要分為兩種類(lèi)型，一種是Wheel-Speed Based TPMS(簡(jiǎn)稱(chēng)WSB TPMS，或稱(chēng)為間接式TPMS)，這種系統是通過(guò)汽車(chē)ABS系統的輪速傳感器來(lái)比較車(chē)輪之間的轉速差別，以達到監視胎壓的目的。該類(lèi)型系統的主要缺點(diǎn)是無(wú)法對兩個(gè)以上的輪胎同時(shí)缺氣的狀況和速度超過(guò)100公里/小時(shí)的情況進(jìn)行判斷。另一種是Pressure-Sensor Based TPMS(簡(jiǎn)稱(chēng)PSB TPMS，或稱(chēng)為直接式TPMS)，這種系統是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進(jìn)行顯示及監視，當輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)報警。一般認為PSB TPMS從功能和性能上均優(yōu)于WSB TPMS。

車(chē)身電子控制

　　汽車(chē)車(chē)身電子控制技術(shù)所涉及的內容很多，如汽車(chē)的視野性、方便性、舒適性、娛樂(lè )性、通信功能等。

　　視野性是指駕駛員在駕駛過(guò)程中，不改變操作姿勢時(shí)對道路及周?chē)h(huán)境觀(guān)察的可見(jiàn)范圍。視野控制技術(shù)指的是對汽車(chē)照明燈(包括前照燈、鑰匙孔照明燈、車(chē)門(mén)燈和日光燈)和轉向信號燈的電子控制，以及對電動(dòng)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(jìn)出車(chē)廂和行李貨物裝卸方便外，還包括對汽車(chē)電動(dòng)門(mén)窗、電動(dòng)門(mén)鎖與點(diǎn)火鑰匙鎖、電動(dòng)后視鏡、電動(dòng)車(chē)頂(天窗)等的控制；車(chē)身電控設備主要包括照明系統、自動(dòng)座椅系統(如存儲式座椅)、自動(dòng)空調系統、自動(dòng)雨刮和車(chē)窗系統、多媒體系統等。

　　目前車(chē)身電控技術(shù)呈現如下的發(fā)展趨勢：進(jìn)一步滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化的需求；更強調乘座舒適性、安全性和環(huán)保性；先進(jìn)的駕駛和乘座信息系統，如車(chē)輛遙控檢測、智能型汽車(chē)防盜、乘座適應性控制、42伏電子系統、環(huán)保設計系統等等。

電動(dòng)汽車(chē)

　　隨著(zhù)傳統內燃機汽車(chē)的大范圍推廣應用，人們的生活變得日益方便舒適，但同時(shí)也引起了一系列的能源與環(huán)境問(wèn)題?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車(chē)以及燃料電池電動(dòng)汽車(chē)，作為解決環(huán)境和能源問(wèn)題的一種切實(shí)可行的方案，逐漸得到了世界各大汽車(chē)廠(chǎng)商的青睞。這是因為與傳統汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)相比，它們具有以下一些優(yōu)勢：1)效率高；2)續駛里程長(cháng)；3)綠色環(huán)保；4)過(guò)載能力強；5)低噪音；6)設計方便靈活。

　　隨著(zhù)Toyota Prius在日本市場(chǎng)的出現和暢銷(xiāo)，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)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(chē)界的高度重視。而在燃料電池電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，從20世紀90年代初開(kāi)始，戴姆勒-奔馳汽車(chē)公司就先后推出了Necar1至Necar4這一系列的燃料電池電動(dòng)汽車(chē)；美國通用汽車(chē)公司在2003年國際巡展北京站中展出的燃料電池原型車(chē)“氫動(dòng)三號”和基于“Hy-by wire”技術(shù)的燃料電池概念車(chē)已經(jīng)具備了較好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟性能。

智能汽車(chē)與智能交通

　　智能汽車(chē)是指運行于智能交通系統中的車(chē)輛。智能交通系統(Intelligent Transportation System 簡(jiǎn)稱(chēng) ITS)是指將先進(jìn)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(chē)輛－行人”系統中，以形成統一、高效的汽車(chē)智能系統。它具有自動(dòng)控制車(chē)速、自主尋路、自動(dòng)導航、主動(dòng)避撞、自動(dòng)電子收費、無(wú)人駕駛等功能。智能汽車(chē)是今后國內外汽車(chē)發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域，是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的必由之路。智能交通系統主要包括以下幾部分內容。

　　自動(dòng)避撞系統：利用裝于車(chē)輛上的傳感器及計算機控制器，實(shí)時(shí)準確判斷發(fā)生碰撞的可能，隨時(shí)提醒駕駛人員注意，并在必要時(shí)采取緊急措施以避免或減輕碰撞危險；交通管理系統：為防止由交通事故引發(fā)的二次損失，在盡早發(fā)現交通事故、實(shí)施相應交通管制的同時(shí)，通過(guò)車(chē)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：解決收費站的堵塞問(wèn)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(shí)施無(wú)須停車(chē)的自動(dòng)收費；救援系統：當駕駛員需要應急服務(wù)時(shí)〔如感覺(jué)不適、發(fā)生交通事故)，啟用車(chē)載設備呼叫救援中心，為駕駛人員提供救援服務(wù)；車(chē)載定位、導航系統：將經(jīng)由路線(xiàn)的堵塞信息、所需時(shí)間、交通管制信息、停車(chē)場(chǎng)的滿(mǎn)空信息等通過(guò)導航系統提供給駕駛員來(lái)輔助駕駛汽車(chē)。車(chē)輛定位及導航系統是ITS環(huán)境中駕駛員信息支持系統的核心設備。其主要功能包括查詢(xún)、尋路、導航、行車(chē)信息服務(wù)及提供車(chē)載娛樂(lè )等。

整車(chē)控制技術(shù)

CAN/LIN通訊

　　CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò )，是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。起先，CAN總線(xiàn)被設計作為汽車(chē)環(huán)境中的微控制器通訊，在車(chē)載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車(chē)電子控制網(wǎng)絡(luò )。比如：發(fā)動(dòng)機管理系統、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統中，均嵌入CAN控制裝置。CAN總線(xiàn)是一種多主方式的串行通訊總線(xiàn)，基本設計規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(shí)，CAN總線(xiàn)仍可提供高達5Kbps的數據傳輸速率。由于CAN串行通訊總線(xiàn)具有這些特性，它很自然地在汽車(chē)、制造業(yè)以及航空工業(yè)中受到廣泛應用。作為一種技術(shù)先進(jìn)、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(xiàn)已被廣泛應用到工業(yè)自動(dòng)化控制系統中。從高速的網(wǎng)絡(luò )到低價(jià)位的多路接線(xiàn)都可以使用CAN總線(xiàn)。在汽車(chē)電子、自動(dòng)控制、智能樓宇、電力系統、安防監控等領(lǐng)域中，CAN總線(xiàn) 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(shí)現汽車(chē)中的分布式電子系統控制。LIN的目標是為現有汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )(例如CAN總線(xiàn))提供輔助功能。因此，LIN總線(xiàn)是一種輔助的串行通訊總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。在不需要CAN總線(xiàn)的帶寬和多功能的場(chǎng)合，比如智能傳感器和制動(dòng)裝置之間的通訊，使用LIN總線(xiàn)可大大節省成本。LIN技術(shù)規范中，除定義了基本協(xié)議和物理層外，還定義了開(kāi)發(fā)工具和應用軟件接口。LIN通訊是基于SCI(UART)數據格式，采用單主控制器/多從設備的模式，僅使用一根12V信號總線(xiàn)，和一個(gè)無(wú)固定時(shí)間基準的節點(diǎn)同步時(shí)鐘線(xiàn)。

X-By-Wire

　　X-By-Wire也稱(chēng)Anything-By-Wire，它的全稱(chēng)是“沒(méi)有機械和液力后備系統的安全相關(guān)的容錯系統”。"X"表示任何與安全相關(guān)的操作，包括轉向、制動(dòng)等等。 "By-Wire"表示X-By-Wire是一個(gè)電子系統。在X-By-Wire系統中，所有元件的控制和通訊都通過(guò)電子來(lái)實(shí)現。X-By-Wire系統是沒(méi)有機械和液力后備系統的，傳統的機械和液力系統由于結構的原因(間隙、運動(dòng)慣量等)，從控制指令發(fā)出到指令執行會(huì )有一定的延遲，這在極限情況下是不能允許的。X-By-Wire系統用電來(lái)控制會(huì )大大的減小延遲，為危險情況下的緊急處理贏(yíng)得了寶貴的時(shí)間。

　　X-By-Wire系統主要由三部分組成：控制系統，執行系統，通訊系統?？刂葡到y的功能是根據駕駛員的意圖和車(chē)輛行駛狀況，對執行器給出執行的設定值。執行系統的功能是在控制系統的控制下，完成具體的執行動(dòng)作(轉向、制動(dòng)等)。通訊系統的功能是實(shí)現控制系統和執行系統內部及它們之間的信息傳輸。

　　目前，通用公司在A(yíng)utonomy上已使用Steer-By-Wire和Brake-By-Wire。預計，到2010年40％的歐洲生產(chǎn)的汽車(chē)將全部采用X-By-Wire技術(shù)。隨著(zhù)X-By-Wire的發(fā)展，Brake-By-Wire, Thrust-By-Wire, Steer-By-Wire, Shift-By-Wire等By-Wire系統將成為X-By-Wire系統的各個(gè)子系統，它們之間會(huì )有一些數據要共享，將有一個(gè)更大的通訊系統來(lái)實(shí)現它們之間的通訊，從而使整個(gè)汽車(chē)成為一個(gè)完全的X-By-Wire系統。

結語(yǔ)

　　電子技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于汽車(chē)的各個(gè)領(lǐng)域，極大的改善了汽車(chē)的綜合性能，使汽車(chē)在安全、節能、環(huán)保、舒適等各方面都有了長(cháng)足的進(jìn)步。目前，汽車(chē)電控技術(shù)發(fā)展的最新動(dòng)向包括：智能控制方法的引入(自適應控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制、魯棒控制、最優(yōu)控制等)；控制系統開(kāi)發(fā)方式的革新(車(chē)載CAN網(wǎng)絡(luò )的采用、現代開(kāi)發(fā)工具dSPACE的運用、層次化系統結構、X－By－Wire控制方式開(kāi)發(fā)等)；控制系統單元技術(shù)的發(fā)展(半導體、多重通訊  FDI與故障診斷支持、 ECU軟件開(kāi)發(fā)系統等)。從而形成了汽車(chē)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：

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