理论教育 电力电子技术在汽车中的应用现状

电力电子技术在汽车中的应用现状

时间:2023-10-07 理论教育 版权反馈
【摘要】:汽车电子技术经过两个阶段的发展,现正处在第三个阶段。目前,国外的汽车总线技术已经十分成熟,并已在汽车上推广应用。预计到2005年CAN将会占据整个汽车网络协议市场的63%。

电力电子技术在汽车中的应用现状

汽车电子技术经过两个阶段的发展,现正处在第三个阶段。第一阶段的汽车电子设备主要采用分立电子元器件组成电子控制器,并开始由分立电子元器件产品向集成电路产品过渡;第二阶段则主要采用集成电路和8位微处理器开发汽车专用的独立控制系统;第三阶段开始于20世纪90年代,汽车电子设备广泛采用16位或32位微处理器进行控制,控制技术向智能化、网络化方向发展。在该阶段出现了很多新的技术研究领域和研究热点,这里就其中几个典型的方面进行简单介绍。

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图1-1 整车电子产品分布

1.2.1.1 线控(Control By-Wire)技术

汽车的各种操纵系统正向电子化、自动化方向发展,传统的汽车机械操纵系统将变成通过高速容错通信总线与高性能CPU相连的电气系统。如汽车将采用电动机和电子控制信号来实现线控驾驶(Steer By-Wire)、线控制动(Brake By-Wire)、线控油门(Throttle By-Wire)和线控悬架(Suspension By-Wire)等,采用这些线控系统将完全取代现有系统中的液压和机械控制。X-By-Wire也称为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,“By-Wire”表示X-By-Wire是一个电子系统。在X-By-Wire系统中,所有元器件的控制和通信都通过电子来实现。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(间隙、运动惯量等)的原因,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,会大大地减小延迟,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、通信系统。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)。通信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。

使用线控技术的优点很多,比如使用线控制动无需制动液、保护生态、减少维护、重量轻、性能高(制动响应快)、制动磨损最小(向轮胎施力更均匀)、安装测试更简单快捷(模块结构)、更稳固的电子接口、隔板间无机械联系、简单布置就能增加电子控制功能、踏板特性一致、比液压系统的元器件更少等。

1.2.1.2 CAN通信

由于至今仍没有一个通信网络可以满足未来汽车的所有成本和性能要求,因此汽车原始设备制造商(OEM)仍将采用多种连网协议(包括CAN、LIN和MOST、1394等)。

随着电子控制单元在汽车中的应用越来越多,车载电子设备间的数据通信变得越来越重要,以分布式控制系统为基础构造汽车车载电子网络系统是很有必要的。大量数据的快速交换、高可靠性及廉价性是对汽车电子网络系统的要求。在该网络系统中,各处理机独立运行,控制改善汽车某一方面的性能,同时在其他处理机需要时提供数据服务。汽车内部网络的构成主要依靠总线传输技术。汽车总线传输是通过某种通信协议将汽车中各种电子控制单元、智能传感器、智能仪表等连接起来,从而构成汽车内部网络。其优点有:

1)减少了线束的数量和线束的容积,提高了电子系统的可靠性和可维护性

2)采用通用传感器,达到数据共享的目的。

3)改善了系统的灵活性,即通过系统的软件可以实现系统功能的变化。

CAN总线是德国博世公司在20世纪80年代初开发的一种串行数据通信协议。它的短帧数据结构、非破坏性总线仲裁技术及灵活的通信方式使CAN总线具有很高的可靠性和抗干扰性,满足了汽车对总线的实时性和可靠性的要求。(www.daowen.com)

CAN遵循国际标准化组织/开放系统互连(ISO/OSI)参考模型,但只规定了7层协议中的数据链路层,而应用层则留给用户自己定义。到目前为止,在CAN的基础上定义的高层协议有很多,影响较大的有:CAN Kingdom/J1939/OSEK/Device Net(AB公司)/SDS(Honeywell公司)/CAL/CAN Open(CIA公司),其中J1939和OSEK在汽车上应用广泛。

目前,国外的汽车总线技术已经十分成熟,并已在汽车上推广应用。国内引进技术生产的奥迪A 6车型已于2000年起采用总线替代原有线束,帕萨特B5、宝来、波罗、菲亚特的派力奥、西耶那、哈飞赛马等车型都不同程度地使用了CAN总线技术。此外,部分高档客车工程机械也都开始应用总线技术。预计到2005年CAN将会占据整个汽车网络协议市场的63%。在欧洲,基于CAN的网络也占有了大约88%的市场。

目前使用CAN总线网络的汽车大多具有两条或两条以上总线,一条是动力CAN总线,主要包括发动机、ABS和自动变速器三个节点,通信速率一般为500kbit/s;另一条是舒适CAN总线,主要包括中央控制器和四个门模块,通信速率一般为62.55kbit/s或100kbit/s。

1.2.1.3 电子巡航控制系统(CCS)

它是汽车在行驶中为了达到所希望的速度,驾驶员不必踩踏加速踏板调整车速,只需通过操纵调整开关,汽车就能以设定的车速进行定速行驶的装置。这种装置的优点主要体现在:当在高速公路上长时间行驶时,能够减轻驾驶员的疲劳;且对紧急情况动作解除的可靠性与对排除装置故障等安全性方面作了充分的考虑。

1.2.1.4 乘员感知系统(OPDS)

本田第7代雅阁V6轿车装备了前排侧安全气囊,因此在前排乘客座相应地配备了乘员感知系统(OPDS)。乘员感知系统的作用是,当前排座椅上坐着小孩或者小孩侧着头打瞌睡时,乘客座椅侧安全气囊将自动关闭,从而减小侧撞事故发生时安全气囊对儿童的伤害。那么安全气囊是怎么知道这一切的呢?原来在看似跟普通座椅一样的乘客座椅内暗藏了7个传感器,座椅靠背内的6个传感器负责观察乘员的坐姿高度,来判断坐着的是儿童还是大人,或者饮料瓶等其他东西;靠背侧边的一个传感器则专门检查儿童是不是侧着头打瞌睡,判断儿童的头部是不是处于侧安全气囊展开的范围内。OPDS传感器是根据乘员的导电体量来做出这些判断的,座椅在出厂之前已经设定了一个座椅自身的导电体量,座椅安装到车上并坐了人后,OPDS检测出一个总体的导电体量,总导电体量减去座椅的导电体量就是乘员的导电体量,如果乘员导电体量低于系统初始设定的判断临界值,则OPDS认为坐着的是儿童或儿童的头部处于侧安全气囊引爆的范围中,从而自动关闭安全气囊,同时仪表板上的“SIDE AIRBAG OFF”(侧气囊关闭)黄色指示灯亮起,告诉驾驶员侧安全气囊已经关闭。有了OPDS这样一个关怀备至的“看护人”,儿童就可以在旅途中尽情地享受自己的梦乡了。

1.2.1.5 电子液压制动(EHB)系统

新款奔驰SL轿车特有的动态操纵控制系统,包括一个电子液压制动(EHB)系统,称之为感应控制(SBC)系统。该系统的主要特点是通过传感器建立了运动状态、制动压力的动态监测和危险工况的预警。SBC增加了制动管路的压力控制和制动准备功能,一旦踩下制动踏板,汽车即以最大的压力、最快的响应实施制动,前后制动压力比会随路况的不同而变化,从而提高弯道制动时的安全性。其优点(也是技术难点)在于提高了制动的舒适性,并能提前做出响应,而不是像传统的ABS在制动后通过信号反馈进行控制;此外,还可以实现完全的干式制动,在潮湿的气候或路面条件下,制动盘表面也不会形成水膜,保证了汽车快速响应。

1.2.1.6 可移动式轿车顶篷

为了能在轿车的行李箱里放置大件物品,一般都采用敞篷或软帐篷,其缺点是显而易见的。奔驰公司在其SL轿车上应用了一种可以移动的顶篷,顶篷通过可移动和翻转的铰链机构和车身的骨架相连,后风窗挡风玻璃也可以旋转,由发动机带动的7个执行器执行相关的运动。该顶篷目前还用于新款奔驰CLK的敞篷跑车上。

1.2.1.7 座椅调节记忆与后视镜调节记忆

每个人的高度不同,坐姿也不同,故都有一个最佳的座椅位置高度与角度及相应的后视镜位置。每次调节座椅的高度、前后位置、靠背的倾角及左右后视镜的角度很费时。每换一个驾驶员就要重调一遍,既费时又费事,故出现了可将调整好的一套位置储存起来的记忆系统。不同的人有不同的代号,换驾驶员后只要按其代号,即可调到该驾驶员最适合的状态,还可储存到电子门锁的智能卡上。这些装置目前还只能在较豪华的车上使用。

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