汽車電子技術的現狀與發展

2004年6月A版

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

關鍵詞：電子控制；TPMS；ITS；CAN /LAN； X-By-Wire

引言

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

　　21世紀汽車的三大任務是：安全、節能、環保。其中環保與節能主要體現在發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、整車控制技術方面，而行駛安全性則主要體現在ABS、TCS、VDC、4WS、TPMS等核心電子控制技術的發展上。除此之外，還有為提高行駛舒適性而開發的電控懸架技術，以及為提高汽車智能化而開發的自動避撞系統、車載導航系統等電子控制技術。

　　現代汽車電子技術的發展可以分為以下六大類：發動機電子控制、底盤系統電子控制、車身電子控制、電動汽車技術、智能汽車與智能交通(ITS)技術、整車控制技術。

發動機電子控制

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

　　發動機管理系統則對噴油和進氣過程進行綜合控制，保證發動機能夠在保持良好動力性的基礎上，達到最優的燃油經濟性和排放性，同時降低噪聲和振動。發動機管理系統的核心技術是單片機(MCU)，它為汽車動力傳動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單，工作更為可靠。 燃油噴射系統使用的主要傳感器，如進氣歧管壓力傳感器和曲軸轉速、曲軸位置傳感器，隨著半導體制造工藝技術的提高，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，噴油器驅動電路是一片四路低端開關智能功率集成電路，可分別驅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，還可將工作狀態診斷報告，通過SPI口送給單片機進行處理。使用新器件設計電路板時，可以省去傳感器輸入信號的調理電路和用于驅動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單。

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

底盤系統電子控制

自動變速器

　　采用自動變速器，在駕駛時可以不踩離合器，實現自動換檔，而且發動機不會熄火，從而可以有效的提高駕駛方便性。20世紀80年代以來，隨著電子技術的發展，變速器自動控制更加完善，在各種使用工況下均能實現發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，液壓電子控制系統三部分組成，目前技術成熟，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；電控機械式自動變速器(AMT)：由傳統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，它不能根據使用工況和路面輸入的變化進行控制和調整，故難以滿足汽車平順性和操縱穩定性的更高要求。近年來，隨著電控和隨動液壓技術的發展，彈簧剛度和減振器阻尼特性參數可調的電控主動和半主動懸架，在汽車上逐步得到應用和發展。

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

　　半主動懸架：實時閉環控制的半主動懸架—主要是通過電磁閥控制可調阻尼減震器，其控制方法和主動懸架類似，屬于實時閉環控制； 車速控制的可調阻尼懸架－可調阻尼減振器由直流電機帶動具有不同節流孔的轉閥得到舒適(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阻尼懸架類似。

操縱穩定性的電子控制系統

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

　　其中， VDC是在ABS和TCS的基礎上，增加汽車轉向行駛時橫擺運動的角速度傳感器，通過ECU控制各個車輪的驅動力和制動力，確保汽車行駛的橫向穩定性，防止轉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，用左右兩側車輪制動力之差產生的橫擺力矩來防止出現難以控制的側滑現象。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。

　　四輪轉向系統(4WS)是指使后輪與前輪一起轉向，是一種提高車輛反應性和穩定性的關鍵技術。使后輪與前輪同相位轉向，可以減小車輛轉向時的旋轉運動(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)是在每一個輪胎上安裝高靈敏度的傳感器，在行車狀態下實時監視輪胎的各種數據，通過無線方式發射到接收器，并在顯示器上顯示各種數據，任何原因(如鐵針扎入輪胎、氣門芯漏氣)等導致的輪胎漏氣、溫度升高，系統都會自動報警。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、安全氣囊等現有汽車安全裝備的"事前主動"型安保產品。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)，這種系統是通過汽車ABS系統的輪速傳感器來比較車輪之間的轉速差別，以達到監視胎壓的目的。該類型系統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視，當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統會自動報警。一般認為PSB TPMS從功能和性能上均優于WSB TPMS。

車身電子控制

　　汽車車身電子控制技術所涉及的內容很多，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境觀察的可見范圍。視野控制技術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；車身電控設備主要包括照明系統、自動座椅系統(如存儲式座椅)、自動空調系統、自動雨刮和車窗系統、多媒體系統等。

　　目前車身電控技術呈現如下的發展趨勢：進一步滿足用戶個性化的需求；更強調乘座舒適性、安全性和環保性；先進的駕駛和乘座信息系統，如車輛遙控檢測、智能型汽車防盜、乘座適應性控制、42伏電子系統、環保設計系統等等。

電動汽車

　　隨著傳統內燃機汽車的大范圍推廣應用，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境問題。混合動力電動汽車以及燃料電池電動汽車，作為解決環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。這是因為與傳統汽車、純電動汽車技術相比，它們具有以下一些優勢：1)效率高；2)續駛里程長；3)綠色環保；4)過載能力強；5)低噪音；6)設計方便靈活。

　　隨著Toyota Prius在日本市場的出現和暢銷，混合動力電動汽車以其優良的性能、極高的燃油經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”技術的燃料電池概念車已經具備了較好的動力性和燃油經濟性能。

智能汽車與智能交通

　　智能汽車是指運行于智能交通系統中的車輛。智能交通系統(Intelligent Transportation System 簡稱 ITS)是指將先進的電子技術、計算機技術、通訊技術、傳感技術、運籌學等有效的綜合用于“道路－車輛－行人”系統中，以形成統一、高效的汽車智能系統。它具有自動控制車速、自主尋路、自動導航、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外汽車發展的熱點領域，是未來汽車發展的必由之路。智能交通系統主要包括以下幾部分內容。

　　自動避撞系統：利用裝于車輛上的傳感器及計算機控制器，實時準確判斷發生碰撞的可能，隨時提醒駕駛人員注意，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：為防止由交通事故引發的二次損失，在盡早發現交通事故、實施相應交通管制的同時，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：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：當駕駛員需要應急服務時〔如感覺不適、發生交通事故)，啟用車載設備呼叫救援中心，為駕駛人員提供救援服務；車載定位、導航系統：將經由路線的堵塞信息、所需時間、交通管制信息、停車場的滿空信息等通過導航系統提供給駕駛員來輔助駕駛汽車。車輛定位及導航系統是ITS環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、尋路、導航、行車信息服務及提供車載娛樂等。

整車控制技術

CAN/LIN通訊

　　CAN(Controller Area Network)即控制器局域網絡，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。起先，CAN總線被設計作為汽車環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絡。比如：發動機管理系統、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總線是一種多主方式的串行通訊總線，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的數據傳輸速率。由于CAN串行通訊總線具有這些特性，它很自然地在汽車、制造業以及航空工業中受到廣泛應用。作為一種技術先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網絡通訊控制方式，CAN總線已被廣泛應用到工業自動化控制系統中。從高速的網絡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、安防監控等領域中，CAN總線 都具有不可比擬的優越性。

　　 LIN(Local Interconnect Network)是一種低成本的串行通訊網絡，用于實現汽車中的分布式電子系統控制。LIN的目標是為現有汽車網絡(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絡。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總線可大大節省成本。LIN技術規范中，除定義了基本協議和物理層外，還定義了開發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，和一個無固定時間基準的節點同步時鐘線。

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的安全相關的容錯系統”。"X"表示任何與安全相關的操作，包括轉向、制動等等。 "By-Wire"表示X-By-Wire是一個電子系統。在X-By-Wire系統中，所有元件的控制和通訊都通過電子來實現。X-By-Wire系統是沒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、運動慣量等)，從控制指令發出到指令執行會有一定的延遲，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系統主要由三部分組成：控制系統，執行系統，通訊系統。控制系統的功能是根據駕駛員的意圖和車輛行駛狀況，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，完成具體的執行動作(轉向、制動等)。通訊系統的功能是實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Autonomy上已使用Steer-By-Wire和Brake-By-Wire。預計，到2010年40％的歐洲生產的汽車將全部采用X-By-Wire技術。隨著X-By-Wire的發展，Brake-By-Wire, Thrust-By-Wire, Steer-By-Wire, Shift-By-Wire等By-Wire系統將成為X-By-Wire系統的各個子系統，它們之間會有一些數據要共享，將有一個更大的通訊系統來實現它們之間的通訊，從而使整個汽車成為一個完全的X-By-Wire系統。

結語

　　電子技術已經廣泛應用于汽車的各個領域，極大的改善了汽車的綜合性能，使汽車在安全、節能、環保、舒適等各方面都有了長足的進步。目前，汽車電控技術發展的最新動向包括：智能控制方法的引入(自適應控制、模糊控制、神經網絡控制、魯棒控制、最優控制等)；控制系統開發方式的革新(車載CAN網絡的采用、現代開發工具dSPACE的運用、層次化系統結構、X－By－Wire控制方式開發等)；控制系統單元技術的發展(半導體、多重通訊  FDI與故障診斷支持、 ECU軟件開發系統等)。從而形成了汽車電子技術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展趨勢。

參考文獻：

1.  清華大學汽車工程系,‘汽車電子學光盤’. 2001

2.  舒華、姚國平，‘汽車電子控制技術’，人民交通出版社,2002

3.  吳誥，‘汽車電子控制技術和車內局域網’，電子工業出版社, 2003