现代汽车电子技术的发展可以分为以下6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系统(ITS)、整车控制技术。现代轿车电子控制系统主要由传感器、电子控制单元(ECU)、执行器三个部分组成。传感器作为输入部分,用于测量物理信号(温度、压力等),将其转换为电信号;ECU的作用是接受传感器的输入信号,并按设定的程序进行计算处理,输出处理结果;执行器则根据ECU输出的电信号驱动执行机构,使之按要求变化。
1.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(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,由于微处理器功能的增强,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微处理器。此外,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4路低端开关智能功率集成电路,可分别驱动4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微处理器引脚相连,还可将工作状态诊断报告,通过串行外围设备接口(SPI)送给微处理器进行处理。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器件的前置放大电路以及监测电路,使电路板变得非常简单。
2.底盘系统电子控制
该系统主要用以改善汽车的行驶、转向和制动三项基本功能。现已出现电子控制动力转向系统、无级自动变速器、防抱死制动系统及电子悬架系统等。制造这类产品有相当难度,并要求高可靠性,其包含的主要内容有:
(1)自动变速器 电子控制的自动变速器,可以根据发动机的负载、转速、车速、制动器工作状态及驾驶员所控制的各种参数,经过计算机的计算、判断后能自动地改变变速杆的位置,从而实现变速器换档的最佳控制,即可得到最佳档次和最佳换档时间。这种变速器的优点是加速性能好、灵敏度高,能准确地反映行驶负载和道路条件等。货车传动系的电子控制装置,能自动适应瞬时工况变化,保持发动机以尽可能低的转速工作。
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,从而可以有效地提高驾驶方便性。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。
(2)电子控制悬架系统 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,随着电子控制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子控制主动和半主动悬架,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,反馈到电子控制单元(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。主动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。
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振器,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动机带动具有不同节流孔的转向阀得到舒适(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、副气室的通道面积而得到软、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。
(3)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、牵引力控制系统(TCS,也称为ASR)、四轮转向系统(4WS)、车辆动力学控制系统(VDC,也称为VSC、ESP)、轮胎压力检测系统(TPMS)等。
电子防抱死制动系统可分为全电子阻尼系统和ABS,前者可在选定的匀速制动和匀速制动工况下自动调整阻尼量,实现阻尼制动;后者基于对车轮转速的检测,通过车轮转速与车速的比较,测出相应滑移量,既能保证行驶稳定性,又可保证尽可能短的制动距离,还能延长制动器的使用寿命。ABS的开发始于20世纪60年代,到70年代末国外开始应用于汽车上,ABS的结构也发生了较大变化,现已进入第四、五代产品开发阶段。国外ABS大多是通过轮边的脉冲轮和感应式传感器把车轮速度信号传递给电子处理器,进行逻辑筛选,并向电-气调制器发出指令控制制动气室内的压力大小,从而使车轮滑移率维持在12%~75%的最佳状态。值得一提的是:ABS现已作为法规规定的汽车必备装置。
车辆动力学控制(VDC)系统是在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。(www.daowen.com)
四轮转向系统(4WS)是指使后轮与前轮一起转向,是一种提高车辆响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)导致轮胎的漏气、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“事先主动”型安保产品。目前,TPMS主要分为两种类型。一种是TPMS(基于车轮转速的TPMS,WSB TPMS或称为间接式TPMS),这种系统是通过汽车ABS的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别,以达到监视轮胎压力的目的。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100km/h的情况进行判断。另一种是TPMS(Pressure-Sensor Based TPMS,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,并对各轮胎压力进行显示及监视,当轮胎压力太低或有渗漏时,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。
3.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、车门灯和荧光灯)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;车身电子控制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。
目前车身电子控制技术呈现如下的发展趋势:进一步满足用户个性化的需求;更强调乘坐舒适性、安全性和环保性;先进的驾驶和乘坐信息系统,如车辆遥控检测、智能型汽车防盗、乘坐适应性控制、42V电子系统、环保设计系统等。
4.混合动力电动汽车
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低噪声;⑥设计方便灵活。
随着Toyota Prius汽车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~Necar4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。
5.整车控制技术
(1)CAN通信 CAN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信,在车载各电子控制单元(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信总线,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5kbit/s的数据传输速率。由于CAN串行通信总线具有这些特性,它很自然地在汽车、制造业以及航空工业中得到广泛应用。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信控制方式,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。
(2)LIN通信 LIN(Local Interconnect Network,本地互联网)是一种低成本的串行通信网络,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信总线网络。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信,使用LIN总线可以大大节省成本。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通信是基于SCI(串行通信接口)(或UART,通用异步收发报机)数据格式,采用单主控制器/多从设备的模式,仅使用一根12V信号总线和一根无固定时间基准的节点同步时钟线。
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