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简论现代汽车电子技术的应用现状及发展趋势

作者:2017-01-14 15:29文章来源:未知
  0引言
  随着现代电子技术的发展和微机技术在汽车上的应用,使得汽车的内涵和功能不断拓展和延伸,汽车电子化逐渐成为现代汽车的基本特征。汽车电子化程度高低已经成为衡量汽车先进水平的重要标志。专家估计,电子装置的平均成本已占整车成本的20%以上,高档车上达到50%甚至60%。目前汽车电子技术的应用迅速增长,因此现代汽车采用先进电子技术已成为发展趋势。
  1汽车电子技术的发展历程
  汽车电子技术的发展大体分为4个阶段:1)从20世纪50年代初到70年代初,主要开发由分立元件和集成电路组成的汽车电子产品,代替传统机械部件,例如集成电路调节器、电子点火器等。电子管收音机和晶体管收音机相继在汽车上安装,这是电子技术在汽车上应用的开始。2)从20世纪70年代中期到80年代中期,主要发展专用独立系统,电子装置用于机械装置所无法解决的复杂控制功能方面,例如电子控制汽油喷射系统、巡航控制系统、制动防抱死系统ABS等。3)从20世纪8O年代中期到90年代中期,主要开发多种功能的综合系统及各种车辆的微机控制,汽车上的电子装置不仅能自动承担基本控制任务,而且能处理外部和内部的各种信息,例如集发动机控制与自动变速器控制为一体的动力传动控制、制动防抱死与防滑转控制等。4)从20世纪90年代中期开始,主要研究车辆的智能控制技术,模拟人的思维和行为进行控制,例如汽车自动驾驶系统、汽车自动导航系统等。智能化集成传感器和智能执行机构也已付诸实用,数字式信号处理方式用于声音识别、安全碰撞、适时诊断、导航系统等。
  2国内外汽车电子技术的发展现状
  2.1国外汽车电子技术发展现状
  目前,欧美发达国家生产的汽车,每辆汽车上电子装置的平均成本已占整车成本的30%~50%。在豪华轿车上,电子产品的成本已占整车成本的50%以上。有些公司生产的高档汽车上安装了专用的电子系统,例如丰田汽车公司的VVT-I新型智能可变节气门控制系统、MSP马莎拉蒂稳定程序、PSM保时捷行车稳定管理系统、PTM保时捷牵引力管理系统、PASM保时捷主动悬架管理系统等等。国外汽车电子技术发展的主要特征有:1)功能多样化。从最初的发动机电子点火和喷油,发展至现在的各种控制功能,例如自动巡航、自动启停、自动避撞等。2)技术一体化。从最初的机电部件松散组合到现在机液电磁一体化,例如直喷式柴油共轨燃油喷射系统、德尔福的磁流变液减振器。3)系统集成化。从最初的单一控制到现在集成综合控制,例如动力总成(发动机和变速器)集成控制、安全系统集成控制等。4)通信网络化。从初期的各子系统到现在控制器局域网,例如以CAN总线为基础的整车信息共享的分布式控制系统及无线通信为基础的远程高频网络通信系统。
  2.2国内汽车电子技术发展现状
  我国的汽车电子工业起步较晚。20世纪90年代以前,除了汽车收音机等直接从家用电器移植过来的产品以外,几乎没有汽车电子工业。进入20世纪90年代以后,随着我国汽车工业的较快发展和国外的汽车电子化潮流,我国的汽车厂家如雨后春笋般涌现。据CCID统计,我国涉及汽车电子生产的企业有1000多家,但其多数企业规模偏小,产品结构单一,且技术含量低。
  近几年,我国汽车产业发展迅猛,特别是轿车产业,我国的巨大市场潜力吸引了全球知名汽车厂商的目光,纷纷来华投资,凭借这些跨国企业提供的技术、硬件、以及产能上的保障,我国在短短几年时间内成为全球知名的汽车生产国。快速发展的汽车产业为汽车电子产品提供了广阔的应用市场,从2004年开始我国汽车电子市场随着汽车产业一起进入快速发展时期。当前,汽车由单纯的机械产品逐步演变为一种高级的机电一体化产品,并向着电动汽车(含混合动力车)和智能汽车的方向,使汽车电子市场进入了一个稳定且快速增长阶段;同时第三代移动通信、高清数字电视、卫星导航、移动网络等越来越多的IT技术被逐步移植到汽车上,电子装置占整车的价值比显著提高,汽车电子产业也随之蓬勃发展。
  3现代汽车电子技术的应用现状
  按对汽车行驶性能作用的影响,可把汽车电子产品归纳为两类:1)汽车电子控制装置;2)车载汽车电子装置。目前较多见的成熟的汽车电子控制系统主要有:发动机电子控制、底盘电子控制、车身电子控制、信息传递等。
  3.1发动机电子控制
  1)电子控制喷油装置(EFI)。现代汽车上,机械式或机电混合式燃油喷射系统趋于淘汰,电控燃油喷射装置因其性能优越而得到日益普及。电控燃油喷射系统是20世纪60年代末开始发展起来的,与传统的化油器供油系统相比,而其突出优点在于空燃比的控制更为精确,可实现最佳空燃比;且电喷技术提高了汽油的雾化、蒸发性能,加速性能更好,发动机功率和转矩得以显著提高。这样能使发动机一直处于最优工作条件下运行,并使发动机的综合性能得到提高。
  2)电子点火装置(ESA)。早在20世纪初,点火系统在汽车发动机上已开始应用。如今,点火系统已从有触点式、普通无触点式、集成电路式发展到了微机控制电子点火系统。微机控制电子点火系统可控制并维持发动机点火提前角(ESA)在最佳范围以内,使汽油机的点火时刻更接近于理想状态,从而进一步挖掘发动机的潜能。微机控制电火系统中,目前出现了一种无分电器点火系统(DLI),它取消了普通微机控制点火系统中的分电器,改由ECU内部控制各缸配电。这样点火线圈产生的高压电,不需经过分电器分配,直接送到火花塞发生点火。无分电器点火系统可消除分火头与分电器盖边电极的火花放电现象,减少电磁干扰。
  3)怠速控制系统(ISC)。怠速性能的好坏是评价发动机性能优越与否的重要指标,怠速性能差将导致油耗增加、排污严重,因此需进行必要的控制。现代轿车中一般都有怠速控制系统,由ECU控制并维持发动机怠速在某一稳定范围内。怠速控制通常是指怠速转速控制,实质是对怠速工况时的进气量进行调节(同时配合喷油量及点火提前角的控制)。目前,除了怠速转速的稳定性控制之外,怠速控制还可实现起动控制、暖机控制、负荷变化控制等功能,这样多种功能的集中,不仅简化了机构,而且也提高了怠速控制的精确性。
  4)除此之外,发动机利用电子技术的内容还有。废气再循环(EGR)、电动油泵、发电机输出、冷却风扇、发动机排量、节气门正时、二次空气喷射、发动机增压、油汽蒸发、系统自我诊断功能等,它们在不同的车型上都有或多或少地被应用。
  3.2底盘电子控制
  1)电控自动变速器(ECAT)。可以根据发动机的载荷、转速、车速、制动器工作状态及驾驶员控制的参数,经过计算机的计算和判断后自动地改变变速杆的位置,从而实现变速器换挡的最佳控制,即可得到最佳挡位和最佳换挡时间。其优点是加速性能好、灵敏度高、能准确地反映行驶负荷和道路条件等。不仅能明显地简化汽车操作,而且能实现最佳的行驶动力性和安全性。
  2)防抱死制动系统(ABS)。它是一种开发时间最长、推广应用最为迅速的重要的安全性部件。它可通过控制防止汽车制动时车轮的抱死来保证车轮与地面达到最佳滑动率(15%~20%),而使汽车在各种路面上制动时,车轮与地面都能达到纵向的峰值附着系数和较大的侧向附着系数,以保证车辆制动时不发生抱死拖滑、失去转向能力等不安全工况,提高汽车的操纵稳定性和安全性,减少制动距离。驱动防滑系统(ASR)也叫牵引力控制系统(TCS或TRC),是ABS的完善和补充,它可防止起动和加速时的驱动轮打滑,既有助于提高汽车加速时的牵引性能,又能改善操作稳定性。
  3)电子转向助力系统。它是用一台直流电机代替传统的液压助力缸、用蓄电池和电动机提供动力的系统。这种微机控制的转向系统和传统的液压系统比起来具有部件少、体积小、重量轻的特点,以及最优化的转向作用力、转向回正特性,大大提高了汽车的转向能力和转向响应特性,增加了汽车低速时的机动性以及调整行驶时的稳定性。
  4)适时调节的自适应悬挂系统。它能根据悬挂装置的瞬时负荷,自动地适时调节悬架弹簧的刚度和减震器的阻尼特性,适应当时的负荷,保持悬挂的既定高度。这样就能极大地改进车辆行驶的稳定性、操作性、乘坐舒适性。
  5)常速巡行自动控制系统(CCS)。在高速长途行驶时,可采用常速巡行自动控制系统,恒速行驶装置将根据行车阻力自动调整节气门开度,驾驶员不必经常踏油门以调整车速。随着世界各大汽车产家对汽车安全问题的高度重视,安全气囊系统、行驶动力学调节系统(FDR或VDC)、防撞系统、安全带控制、照相控制等方面已大量采用了电子新技术。
  3.3车身电子控制
  1)汽车空调控制。车用全自动空调控制是根据设置在车内外的各种温度传感器输出的信号,由ECU中的微机计算出经过空调热交换器后进入车内应该达到的出风温度。对混合气调节器开度、风扇驱动电机转速、冷却器风门(或加热器风门)、压缩机等进行控制,自动地将车内温度保持在设定的温度值范围内,使车内的温度、湿度始终处于最佳值,为驾驶员和乘员提供舒适的乘坐环境。
  2)信息显示系统。正处于发展和完善阶段,由车况监测部件、车载计算机、电子仪表三部分组成。汽车车况监测是传统机械式仪表板报警功能的改进和发展,通过液位、压力、温度、灯光等传感器,监测发动机、制动系、电源系统及车灯的故障。车载计算机提供的信息能提高行车安全性、燃油经济性、乘坐舒适性。电子仪表为驾驶员提供汽车行驶时最基本的操作信息,且这些信息连续在仪表板上显示。
  3)安全气囊控制系统。它是一种被动安全保护装置,由触发装置、气体发生器、气囊三部分组成。触发装置包括传感器、电子控制装置、储备电源、监控装置。由电子控制系统接收加速度传感器发出的信号,并进行分析,以判定是否发生碰撞事故。若发生了碰撞,则对气体发生器发出指令,迅速吹胀气囊,整个过程约需0.03s。触发装置中的监控装置可连续自我监控,确保整个气囊系统在任何时刻都处于准备工作状态。
  4)汽车电子灯光控制系统。它可根据光传感器检测到的车外天气光亮情况的信号,自动的将后灯和前照灯接通或切断,以提高汽车使用的便利性和行驶安全性。
  3.4信息传递装置
  1)信息显示与报警。该系统可将发动机的工况和其他信息参数,通过微机处理后输出对驾驶员有用的信息,并用数字、线条显示或声光报警。显示的信息除水温、油压、车速、发动机转速等常见参数外,还有瞬时耗油量、平均耗油量、平均车速、行驶里程、续驶里程、车外温度等。监视和报警的信息主要有:燃油温度、水温、油压、充电、尾灯、前照灯、排气温度、制动液量、手制动、车门未关严等。当出现不正常现象或自诊断系统测出有故障时,立即由声光报警。
  2)语音信息。它包括语音警告和语音控制。语音警告是在汽车出现不正常情况时,(包括水温、水位、油位不正常,制动液不足,蓄电池充电值偏低等情况),电控单元经过逻辑判断,输出信息至扬声器,发出模拟人的声音向驾驶员报警,多数还能同时用灯光报警。语音控制是用驾驶员的声音来指挥和控制汽车的某个部件、设备进行动作。
  3)车用导航。该系统可在城市或公路网范围内,定向选择最佳行驶路线,并能在屏幕上显示地图,表示汽车行驶中的位置、以及到达目的地的方向和距离。
  4现代汽车电子技术应用的发展趋势
  20世纪90年代,汽车电子技术进入了优化人—汽车—环境的整体关系的阶段,它向着超微型磁体、超高效电机、集成电路的微型化方向发展,并为汽车上的集中控制提供基础(例如制动、转向、悬架的集中控制,以及发动机和变速器的集中控制)。汽车电子技术成就汽车工业的未来,未来汽车电子技术将有下列发展趋势。
  4.1传感器技术
  车用传感器的多样化和使用数量的增加,使得传感器朝着多功能化、集成化、智能化、微型化方向发展。未来的智能化集成传感器,不仅能提供用于模拟和处理的信号,而且能对信号作放大等处理;还能自动进行时漂、温漂、非线性的自校正,具有较强的抵抗外部电磁干扰的能力,保证传感器信号的质量不受影响,即使在特别严酷的使用条件下,仍能保持较高的精度;它还应有结构紧凑、安装方便的优点,从而免受机械特性的影响。现在汽车制造商为开发自动行驶汽车,正加紧研制各种传感器,包括车辆位置传感器、后方障碍物传感器、侧方障碍物传感器、前方障碍物传感器、车间距离传感器、路面传感器、防撞检测传感器、车速传感器、加速传感器、防火检测传感器、驾驶盘角度传感器、驾驶员状态传感器等。据报道,世界传感器市场,将从2001年的9.1亿美元提升到2005年的18.8亿美元,年均增长率达19.7%。
  4.2微处理器(ECU)技术
  将ECU应用到汽车发动机的控制系统之后,汽车电子控制系统进入新的高速发展阶段;随后ECU被应用到动力传动、车身、安全等控制系统中。由于汽车用ECU对可靠性、信息处理能力、实时控制能力及成本上的特殊要求,基于通用芯片开发出的ECU已经很难满足汽车电子控制系统的要求,因此,开发多路同步实时控制、自带A/D与D/A、自我诊断、高输人/输出等功能的汽车专用ECU系统具有很高的现实意义。随着控制日趋集中化,ECU需要处理的信息量不断增加,因此,16位和32位ECU将成为未来汽车用ECU的首选。预计今后几年需求量将增加50%以上、逐步成为车用ECU的主流。近年日本国内外销售的ECU在25亿个以上,2005年将超过30亿个产品,价值1.5万亿日元以上。目前中国用户采用32位ECU的还不多,主要集中在一些科研项目上,例如电动汽车的研发项目等。
  4.3执行器
  目前,汽车上用的执行器主要有:电磁式、电动式、气动/液动式。电磁式和电动式的执行器是以电为动力的操作机构,具有体积小、重量轻、响应快、耗能小的特点,但输出驱动能力则不足;无法满足未来汽车控制领域大驱动输出的需要。随着新材料、新工艺、新机构的采用,电磁式和电动式执行器将逐渐取代气动/液动执行器,尤其是在未来汽车普遍更换42V新型电源系统之后,输出驱动能力将大幅度提升,完全可以取代传统的气动/液动系统。
  4.4控制策略
  目前,汽车电子控制系统中广泛采用的PID控制理论,是用于单输入/输出、线性定常系统的经典控制理论。由于汽车中的控制对象往往具有很强的时变和非线性,控制的输入和输出参数越来越多,采用状态空间为基础、用于多输入/输出、非线性时变系统的现代控制理论已成必然,例如最优控制、自适应控制、模糊控制等。
  4.5总线技术
  利用总线技术将汽车中各种电控单元、智能传感器、智能仪表等联接起来,从而构成汽车内部局域网,实现各系统间的信息资源共享,其优点主要有:1)大大减少线束数量、连接点及体积,提高系统的可靠性和可维护性;2)采用通用传感器,达到数据信息共享的目的;3)改善系统的灵活性,即通过系统的软件实现系统功能的变化。
  根据侧重功能的不同,SAE将总线划分为A、B、C三类:A类是面向传感器和执行器的一种低速网络,主要用于后视镜调整、灯光照明控制、电动车窗等控制,目前A类主流是LIN;B类是用于独立模块间的数据共享中速网络,主要用于汽车舒适性、故障诊断、仪表显示四门中央控制等,目前B类主流是低速CAN;C类是面向高速、实时闭环控制的多路传输网络,主要用于发动机、ABS和自动变速器、安全气囊等控制,目前C类主流是高速CAN。但是,随着下一代高速、具有容错能力的时间触发方式的“X-by-Wire”线控技术的发展,将逐渐代替高速CAN在C类网中的位置,力求在未来5~10年内使传统的汽车机械系统变成通过高速容错通讯总线与高性能CPU相连的百分之百的电控系统,完全不需要后备机械系统的支持,其主要代表有TTP/C和FlexRayo而在多媒体与通讯系统中,MOST、IDB-1394、“蓝牙”技术成为今后的发展主流。再者,光纤凭借其高传输速率和抗干扰能力,越来越广泛地用作高速信号传输介质。
  4.6安全技术
  未来汽车电子控制的重要发展方向是汽车安全领域,主要方向有:1)利用雷达技术和车载摄像技术开发各种自动避撞系统;2)利用近红外技术开发各种能监测司机行为的安全系统;3)高性能的轮胎综合监测系统;4)自适应自动驾驶系统;5)驾驶员身份识别系统;6)安全气囊和ABS/ASR,以及车身动态控制系统。
  4.7多媒体娱乐与智能通讯系统
  随着第三代移动通讯技术和计算机网络技术的发展,未来汽车正朝着移动办公室、家庭影院方向发展,为司机和乘客提供行进中的实时通讯和娱乐信息,并把汽车和道路及其它远程服务系统结合起来,构建未来的智能交通系统(ITS)。具体功能有:1)提供丰富的多媒体设施环境,利用GPS、GSM网络实现导航、行车指南、无线因特网、以及汽车与家庭等外部环境的互动;2)具备远程汽车诊断功能,紧急时能够引导救援服务机构赶到故障或事故地点。
  5结束语
  自20世纪70年代以来,汽车工业的飞速发展都是在电子技术的推动下实现的;未来几年内的汽车领域的技术革新,将有70%来自于电子技术的进步。可见,电子技术在未来汽车工业中所起到的作用是不可替代的。一个国家电子产业的水平及其在汽车工业的应用情况,将会决定它在未来的世界汽车行业竞争中能否掌握主动权。对于我国汽车工业来说,汽车电子产业仍处于初期阶段,必须正确把握未来汽车电子技术发展方向,加快相关技术的研究开发工作,以便形成自己的优势,实现民族汽车产业的快速崛起。
 

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