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汽车电子技术的现状与发展

作者:清华大学汽车工程系 张孟俊 孙鸿航时间:2004-10-09来源:

2004年6月A版

摘   要:本文从发动机系统、底盘系统、车身、电动汽车、智能汽车、整车控制系统几个方面对当代技术的现状和发展进行了分类介绍与综述。

关键词:电子控制;TPMS;ITS;CAN /LAN; X-By-Wire

引言

  近年来,技术的迅猛发展极大地改善了汽车的各项性能。专家预测:未来5年内汽车上的电子装置成本将占汽车整车成本的25%以上。汽车已经由单纯的机械产品发展成为高级的机电一体化产品。

  21世纪汽车的三大任务是:安全、节能、环保。其中环保与节能主要体现在发动机与传动系的电子控制以及燃料电池、CAN通讯、X-By-Wire为代表的电动汽车、整车控制技术方面,而行驶安全性则主要体现在ABS、TCS、VDC、4WS、TPMS等核心电子控制技术的发展上。除此之外,还有为提高行驶舒适性而开发的电控悬架技术,以及为提高汽车智能化而开发的自动避撞系统、车载导航系统等电子控制技术。

  现代技术的发展可以分为以下六大类:发动机电子控制、底盘系统电子控制、车身电子控制、电动汽车技术、智能汽车与智能交通(ITS)技术、整车控制技术。

发动机电子控制

  目前,汽油机的电子控制技术已经日趋完善,而国内外的柴油机电子控制技术则发展迅猛,新技术层出不穷。近年来,高压燃油直喷系统和高压共轨喷射系统的发展使柴油机的燃油经济性和排放性都有了很大的改善。废气再循环(EGR)技术、氧化催化器和微粒捕捉器改善了柴油机的各项排放。

  发动机管理系统则对喷油和进气过程进行综合控制,保证发动机能够在保持良好动力性的基础上,达到最优的燃油经济性和排放性,同时降低噪声和振动。发动机管理系统的核心技术是单片机(MCU),它为汽车动力传动系统从机械系统向电子系统转变提供了更强的计算处理能力。近几年由于单片机功能的增强,智能传感器、智能功率集成电路的出现,使得电子控制单元(ECU)硬件电路的设计变得非常简单,工作更为可靠。 燃油喷射系统使用的主要传感器,如进气歧管压力传感器和曲轴转速、曲轴位置传感器,随着半导体制造工艺技术的提高,已将敏感元件及其输出信号的处理电路都集成在一块硅片上,传感器的输出信号可以直接送给单片机。除此之外,还增加了过电压、电源极性反接和抗干扰输出保护的功能。 智能化功率集成电路,已将线性放大电路,数字电路和功率器件都集成在一块硅片上,并且还增加了一些特定的功能。例如,喷油器驱动电路是一片四路低端开关智能功率集成电路,可分别驱动四个独立的喷油器,并且还具有负载开路检测、电感性负载高电压钳位、过热、过电压和过电流断电保护以及自恢复等功能。器件的输入端可以直接和单片机引脚相连,还可将工作状态诊断报告,通过SPI口送给单片机进行处理。使用新器件设计电路板时,可以省去传感器输入信号的调理电路和用于驱动功率管的前置放大电路以及监测电路,使电路板变得非常简单。

  目前,单片机技术的发展趋势是低电压、低功耗、高速度、高集成度。Strategy Analytics的报告指出,2004年汽车电子业总市值(TAM)将达到151亿美元。其中用于发动机管理系统进行快速数据处理的32位MCU和用于车身电路系统的8/16位MCU需求将会增加。受这些应用的推动,2010年每辆汽车所需的半导体将从2001年的200美元增长到超过300美元。

底盘系统电子控制

自动变速器

  采用自动变速器,在驾驶时可以不踩离合器,实现自动换档,而且发动机不会熄火,从而可以有效的提高驾驶方便性。20世纪80年代以来,随着电子技术的发展,变速器自动控制更加完善,在各种使用工况下均能实现发动机与传动系的最佳匹配。目前得到广泛采用的自动变速器主要有三种类型:

  液力机械式自动变速器(AT):由变矩器,自动变速器,液压电子控制系统三部分组成,目前技术成熟,应用最广。其电子液压控制系统由传感器、电控单元、换档电磁阀、油压调节电磁阀、油泵和换档阀等组成;电控机械式自动变速器(AMT):由传统的离合器与手动齿轮变速器采用电控进行自动变速,目前在重型货车上选用较多;电控机械式无级变速器(CVT):由V型刚带与可调半径的带轮得到无级变速,在两升以下的轿车上被广泛采用。CVT的主要优点是:速比变化是无级的,在各种行驶工况下都能选择最佳的速比,其动力性、经济性和排放性与AT相比,大约可以改善5%左右。

电控悬架

  目前,汽车的悬架系统一般是弹簧刚度和减振器阻尼特性不能改变的被动悬架,它不能根据使用工况和路面输入的变化进行控制和调整,故难以满足汽车平顺性和操纵稳定性的更高要求。近年来,随着电控和随动液压技术的发展,弹簧刚度和减振器阻尼特性参数可调的电控主动和半主动悬架,在汽车上逐步得到应用和发展。

  主动悬架:一般由传感器检测系统运动的状态信号,反馈到电控单元ECU,然后由ECU发出指令给执行机构主动力发生器,构成闭环控制。通常采用电液伺服液压缸作为主动力发生器,它由外部油源提供能量。力发生器产生主动控制力作用于振动系统,自动改变弹簧刚度和减振器阻力系数。主动悬架除可控制振动外,还可以控制车的姿态和高度。图1为主动悬架结构示意图。

  半主动悬架:实时闭环控制的半主动悬架—主要是通过电磁阀控制可调阻尼减震器,其控制方法和主动悬架类似,属于实时闭环控制; 车速控制的可调阻尼悬架-可调阻尼减振器由直流电机带动具有不同节流孔的转阀得到舒适(软)、正常(中)、运动(硬)三个等级的阻尼; 空气弹簧半主动悬架-由刚度控制阀改变主、副气室的通道面积得到软、中、硬不同的刚度,其控制与由车速控制的可调阻尼悬架类似。

操纵稳定性的电子控制系统

  提高汽车的操纵稳定性,过去一直局限于通过改进轮胎、悬架、转向与传动系的性能来实现。随着计算机、传感器和执行机构的迅速发展,各国研发了各种显著改善操纵稳定性和安全性的电子控制系统。如防抱死制动系统 (Anti-Lock Braking System简称ABS)、牵引力控制系统(Traction Control System简称TCS,也称ASR)、四轮转向系统 (4WS)、车辆动力学控制系统(Vehicle Dynamic Control 简称VDC,也称VSC、ESP)、轮胎压力检测系统(Tire Pressure Monitoring System简称TPMS)等。

  其中, VDC是在ABS和TCS的基础上,增加汽车转向行驶时横摆运动的角速度传感器,通过ECU控制各个车轮的驱动力和制动力,确保汽车行驶的横向稳定性,防止转向时车辆被推离弯道或从弯道甩出。它综合了ABS和TCS的功能,用左右两侧车轮制动力之差产生的横摆力矩来防止出现难以控制的侧滑现象。从而使汽车由被动改变性能进入主动进行控制,使驾驶员以正常操作方式即可顺利地通过难以驾御的危险工况。

  四轮转向系统(4WS)是指使后轮与前轮一起转向,是一种提高车辆反应性和稳定性的关键技术。使后轮与前轮同相位转向,可以减小车辆转向时的旋转运动(横摆),改善高速行驶的稳定性。使后轮与前轮逆相位转向,能够改善车辆中低速行驶的操纵性,提高快速转向性。

  轮胎压力检测系统(TPMS)是在每一个轮胎上安装高灵敏度的传感器,在行车状态下实时监视轮胎的各种数据,通过无线方式发射到接收器,并在显示器上显示各种数据,任何原因(如铁针扎入轮胎、气门芯漏气)等导致的轮胎漏气、温度升高,系统都会自动报警。从而确保汽车行驶中的安全,延长轮胎的使用寿命,降低燃油的消耗,是一种真正不同于ABS、安全带、安全气囊等现有汽车安全装备的"事前主动"型安保产品。目前,TPMS主要分为两种类型,一种是Wheel-Speed Based TPMS(简称WSB TPMS,或称为间接式TPMS),这种系统是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别,以达到监视胎压的目的。该类型系统的主要缺点是无法对两个以上的轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断。另一种是Pressure-Sensor Based TPMS(简称PSB TPMS,或称为直接式TPMS),这种系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压,并对各轮胎气压进行显示及监视,当轮胎气压太低或有渗漏时,系统会自动报警。一般认为PSB TPMS从功能和性能上均优于WSB TPMS。

车身电子控制

  汽车车身电子控制技术所涉及的内容很多,如汽车的视野性、方便性、舒适性、娱乐性、通信功能等。

  视野性是指驾驶员在驾驶过程中,不改变操作姿势时对道路及周围环境观察的可见范围。视野控制技术指的是对汽车照明灯(包括前照灯、钥匙孔照明灯、车门灯和日光灯)和转向信号灯的电子控制,以及对电动刮水器、洗涤器和除霜器等的电子控制;方便性除指驾驶员、乘员进出车厢和行李货物装卸方便外,还包括对汽车电动门窗、电动门锁与点火钥匙锁、电动后视镜、电动车顶(天窗)等的控制;车身电控设备主要包括照明系统、自动座椅系统(如存储式座椅)、自动空调系统、自动雨刮和车窗系统、多媒体系统等。

  目前车身电控技术呈现如下的发展趋势:进一步满足用户个性化的需求;更强调乘座舒适性、安全性和环保性;先进的驾驶和乘座信息系统,如车辆遥控检测、智能型汽车防盗、乘座适应性控制、42伏电子系统、环保设计系统等等。

电动汽车

  随着传统内燃机汽车的大范围推广应用,人们的生活变得日益方便舒适,但同时也引起了一系列的能源与环境问题。混合动力电动汽车以及燃料电池电动汽车,作为解决环境和能源问题的一种切实可行的方案,逐渐得到了世界各大汽车厂商的青睐。这是因为与传统汽车、纯电动汽车技术相比,它们具有以下一些优势:1)效率高;2)续驶里程长;3)绿色环保;4)过载能力强;5)低噪音;6)设计方便灵活。

  随着Toyota Prius在日本市场的出现和畅销,混合动力电动汽车以其优良的性能、极高的燃油经济性和低排放性能引起了汽车界的高度重视。而在燃料电池电动汽车领域,从20世纪90年代初开始,戴姆勒-奔驰汽车公司就先后推出了Necar1至Necar4这一系列的燃料电池电动汽车;美国通用汽车公司在2003年国际巡展北京站中展出的燃料电池原型车“氢动三号”和基于“Hy-by wire”技术的燃料电池概念车已经具备了较好的动力性和燃油经济性能。

智能汽车与智能交通

  智能汽车是指运行于智能交通系统中的车辆。智能交通系统(Intelligent Transportation System 简称 ITS)是指将先进的电子技术、计算机技术、通讯技术、传感技术、运筹学等有效的综合用于“道路-车辆-行人”系统中,以形成统一、高效的汽车智能系统。它具有自动控制车速、自主寻路、自动导航、主动避撞、自动电子收费、无人驾驶等功能。智能汽车是今后国内外汽车发展的热点领域,是未来汽车发展的必由之路。智能交通系统主要包括以下几部分内容。

  自动避撞系统:利用装于车辆上的传感器及计算机控制器,实时准确判断发生碰撞的可能,随时提醒驾驶人员注意,并在必要时采取紧急措施以避免或减轻碰撞危险;交通管理系统:为防止由交通事故引发的二次损失,在尽早发现交通事故、实施相应交通管制的同时,通过车载机或其他信息提供装置将交通管制信息提供给驾驶员;电子收费系统:解决收费站的堵塞问题,为驾驶员提供更多的便利、减少管理费用,在收费道路的收费站实施无须停车的自动收费;救援系统:当驾驶员需要应急服务时〔如感觉不适、发生交通事故),启用车载设备呼叫救援中心,为驾驶人员提供救援服务;车载定位、导航系统:将经由路线的堵塞信息、所需时间、交通管制信息、停车场的满空信息等通过导航系统提供给驾驶员来辅助驾驶汽车。车辆定位及导航系统是ITS环境中驾驶员信息支持系统的核心设备。其主要功能包括查询、寻路、导航、行车信息服务及提供车载娱乐等。

整车控制技术

CAN/LIN通讯

  CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络,是国际上应用最广泛的现场总线之一。起先,CAN总线被设计作为汽车环境中的微控制器通讯,在车载各电子控制装置ECU之间交换信息,形成汽车电子控制网络。比如:发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中,均嵌入CAN控制装置。CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线,基本设计规范要求有高的位速率,高抗电磁干扰性,而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时,CAN总线仍可提供高达5Kbps的数据传输速率。由于CAN串行通讯总线具有这些特性,它很自然地在汽车、制造业以及航空工业中受到广泛应用。作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式,CAN总线已被广泛应用到工业自动化控制系统中。从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN总线。在汽车电子、自动控制、智能楼宇、电力系统、安防监控等领域中,CAN总线 都具有不可比拟的优越性。

   LIN(Local Interconnect Network)是一种低成本的串行通讯网络,用于实现汽车中的分布式电子系统控制。LIN的目标是为现有汽车网络(例如CAN总线)提供辅助功能。因此,LIN总线是一种辅助的串行通讯总线网络。在不需要CAN总线的带宽和多功能的场合,比如智能传感器和制动装置之间的通讯,使用LIN总线可大大节省成本。LIN技术规范中,除定义了基本协议和物理层外,还定义了开发工具和应用软件接口。LIN通讯是基于SCI(UART)数据格式,采用单主控制器/多从设备的模式,仅使用一根12V信号总线,和一个无固定时间基准的节点同步时钟线。

X-By-Wire

  X-By-Wire也称Anything-By-Wire,它的全称是“没有机械和液力后备系统的安全相关的容错系统”。"X"表示任何与安全相关的操作,包括转向、制动等等。 "By-Wire"表示X-By-Wire是一个电子系统。在X-By-Wire系统中,所有元件的控制和通讯都通过电子来实现。X-By-Wire系统是没有机械和液力后备系统的,传统的机械和液力系统由于结构的原因(间隙、运动惯量等),从控制指令发出到指令执行会有一定的延迟,这在极限情况下是不能允许的。X-By-Wire系统用电来控制会大大的减小延迟,为危险情况下的紧急处理赢得了宝贵的时间。

  X-By-Wire系统主要由三部分组成:控制系统,执行系统,通讯系统。控制系统的功能是根据驾驶员的意图和车辆行驶状况,对执行器给出执行的设定值。执行系统的功能是在控制系统的控制下,完成具体的执行动作(转向、制动等)。通讯系统的功能是实现控制系统和执行系统内部及它们之间的信息传输。

  目前,通用公司在Autonomy上已使用Steer-By-Wire和Brake-By-Wire。预计,到2010年40%的欧洲生产的汽车将全部采用X-By-Wire技术。随着X-By-Wire的发展,Brake-By-Wire, Thrust-By-Wire, Steer-By-Wire, Shift-By-Wire等By-Wire系统将成为X-By-Wire系统的各个子系统,它们之间会有一些数据要共享,将有一个更大的通讯系统来实现它们之间的通讯,从而使整个汽车成为一个完全的X-By-Wire系统。

结语

  电子技术已经广泛应用于汽车的各个领域,极大的改善了汽车的综合性能,使汽车在安全、节能、环保、舒适等各方面都有了长足的进步。目前,汽车电控技术发展的最新动向包括:智能控制方法的引入(自适应控制、模糊控制、神经网络控制、鲁棒控制、最优控制等);控制系统开发方式的革新(车载CAN网络的采用、现代开发工具dSPACE的运用、层次化系统结构、X-By-Wire控制方式开发等);控制系统单元技术的发展(半导体、多重通讯  FDI与故障诊断支持、 ECU软件开发系统等)。从而形成了汽车电子技术中信息处理部分的集中化,控制处理部分的分散化( 危险分散、功能分散)等分层控制思想的发展趋势。

参考文献:

1.  清华大学汽车工程系,‘汽车电子学光盘’. 2001

2.  舒华、姚国平,‘汽车电子控制技术’,人民交通出版社,2002

3.  吴诰,‘汽车电子控制技术和车内局域网’,电子工业出版社, 2003

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