电子技术在现代汽车上的应用分析


自20世纪70年代以来,电子技术开始在汽车上快速发展和广泛应用,尤其是近几年各种排放性能、燃油经济性和安全性能等法规的强制性要求,极大推动了电子技术在汽车领域的推广使用,使汽车电子化程度不断提高,性能不断加强。

1 汽车电子技术应用现状

作为汽车工业与电子工业的结合,汽车电子产业得到了飞速发展。目前,西方发达国家的电子产品在轿车整车制造价格中所占的份量已经达到了15%~20%,预计到2010年将达到25%~35%。汽车电子技术不仅推动了汽车工业的发展,同时也极大地促进了电子产品市场的发展。现代汽车电子技术在改善汽车动力性、经济性、安全性、行驶稳定性和乘坐舒适性等方面发挥着不可替代的作用。具体来说,汽车电子技术的应用主要可分为以下四个方面。

1.1 动力传动电子控制系统

主要包括发动机电子控制(包括汽油机和柴油机)、自动变速器控制(ECT、CVT/ECVT等)以及动力传动总成的综合电子控制等。控制系统主要由各种传感器、执行机构和电控单元(ECU)组成。其主要是保证汽车在不同的工况下均能处在最佳状态下运行,并简化驾驶员的有关操作,从而降低油耗和排放,减少动力传动系统的冲击,减轻驾驶人员的劳动强度,提高汽车的动力性、经济性和舒适性。

1.2 底盘电子控制系统

包括制动防滑与动态车身控制系统(ABS/ASR、ESP/VDC)、牵引力控制系统、悬架及车高控制系统、轮胎监测系统(TPMS)、巡航控制系统(CCS)、转向控制系统(如4WS)、驱动控制系统(如4WD)等。其主要用于提高汽车的安全性、舒适性和动力性等。近些年来,这类控制系统开始在普通轿车上广泛采用。

1.3 车身电子控制系统

主要包括安全气囊(SRS)、自动座椅、自动空调控制、车内噪音控制、中央防盗门锁、视野照明控制、自动刮水器、自动门窗、自动防撞系统以及满足不同用电设备的电源管理系统。主要是用来增强汽车的安全性、舒适性和方便性。

1.4 多媒体娱乐、通讯系统

主要包括车载多媒体系统、驾驶员信息系统、语音系统、智能交通系统(1TS),车辆导航系统(GPS/DGPS等)、计算机网络系统、状态监测与故障诊断系统等。用于联结“人—车—外界环境信息”,以及协调整车各部分的电子控制功能。

2 汽车电子技术发展趋势

随着更加先进的灵巧型传感器、快速响应的执行器、高性能ECU、先进的控制策略、计算机网络技术、雷达技术、第3代移动通讯技术在汽车上的广泛应用,现代汽车正朝着更加智能化、自动化和信息化的机电一体化产品方向发展,以达到“人—汽车—环境”的完美协调。

2.1 传感器

随着汽车电子化发展,自动化越高,对传感器的依赖程度也就越大。汽车用传感器的种类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、智能化和微型化方向发展。这些将使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,而且还能对信号作放大等处理;同时它还能自动进行时漂、温漂和非线性的自校正,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;另外,它还具有结构紧凑、安装方便的优点,从而免受机械特性的影响。

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2.2 微处理器(ECU)

自从1976美国通用汽车公司成功的将ECU应用到汽车发动机的控制系统中后,汽车电子控制系统进入到了新的高速发展阶段,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,开发出具有多路同步实时控制、自带A/D与D/A、自我诊断、高输入/输出等功能的汽车专用ECU系统具有很高的现实意义。随着汽车电子控制日趋集中化,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,预计在今后几年内需求量将增加50%以上,逐步成为车用ECU的主流。

2.3 执行器

目前汽车上所使用的执行器主要有电磁式、电动式和气动/液动式。电磁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、响应速度快、耗能小的特点,但是,与气动/液动式执行器相比,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。但是,随着新材料、新工艺、新机构设计的采用,

电磁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。

2.4 控制策略

目前在汽车电子控制系统中广泛采用的是PID控制理论,是一种使用于单输入/输出、线性定常系统的经典控制理论,但是,由于汽车中需要控制的对象往往具有很强的时变和非线性,控制系统的输入和输出参数也越来越多,采用以状态空间为基础、适用于多输入/输出、非线性时变系统的现代控制理论已成必然,如最优控制、自适应控制、模糊控制等。

2.5 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;⑦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,即通过系统的软件可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三大类: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、电动车窗等控制等,目前A类的主流是LIN;B类是应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、仪表显示及四门中央控制等,其目前主流是低速CAN(又称动力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、安全气囊等的控制,目前C类主流是高速CAN(又称动力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年之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Flex Ray。而在多媒体与通讯系统中,MOST、IDB 1394和“蓝牙”技术成为了今后的发展主流。另外,光纤凭借其高传输速率和抗干扰能力,越来越广泛的用作高速信号传输介质。

2.6 新型42V供电电源

随着汽车电控技术的不断发展,使汽车电子装置在整车中所占比例和相应的耗电量不断提高,使现有的12V电源系统供电能力趋于饱和或不足,无法满足下一代汽车设计中新增电子设备的需求,如无凸轮轴电磁式电控配气相位机构、飞轮复合式起动—发电机系统、电加热三效催化转化器以及新型电力制动和电力转向系统等,它们在传统的12V电源系统中难于实现,而这些新技术又是公认的未来汽车技术发展的重要方向。因此,采用更高供电电压的电源系统成为必然趋势。

2.7 安全技术

从近两年召开的一些大型国际汽车技术研讨会和展会(如“2004国际ITS会议”、“Convergence 2004国际汽车电子展等”)可以看出,未来汽车电子控制的重要发展方向是汽车安全领域。主要有以下几个方向: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将更加完善。

2.8 多媒体娱乐与智能通讯系统

随着第3代移动通讯技术和计算机网络技术的不断发展,未来汽车正朝着移动力、公室、家庭影院方向发展,为司机和乘客提供进行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(1TS)。具体功能: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。

3 结束语

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sp;自上世纪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,而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。对于我国汽车工业来说,汽车电子产业仍处于初期阶段,因此,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与开发工作,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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