現(xiàn)代汽車中的電子技術(shù)

1、汽車電子金典 現(xiàn)代汽車中的電子技術(shù)摘 要 : 本文簡要介紹了我國汽車發(fā)展的現(xiàn)狀及規(guī)劃，討論了現(xiàn)代汽車中電子技術(shù)的發(fā)展趨勢以 及電力電子技術(shù)在現(xiàn)代汽車中的重要作用。介紹了汽車中的ECU ， ABS 和 TCU 的基本原理、結(jié)構(gòu)。最后介紹了當(dāng)今汽車的重要發(fā)展方向 混合動力汽車。隨著我國加入世貿(mào)組織， 汽車工業(yè)既面臨機遇又面臨挑戰(zhàn)， 但總體而言機遇大于挑戰(zhàn)。 在本世紀(jì) 初我國的汽車工業(yè)將以很高的速度向前發(fā)展。 據(jù)有關(guān)資料介紹我國汽車工業(yè)產(chǎn)量的現(xiàn)狀與規(guī)劃如 下：2000 年 200 萬輛（占全球產(chǎn)量 3.3% ）2005 年 300 萬輛（占全球產(chǎn)量 5% ）2010 年 600 萬輛（占全球產(chǎn)量 1

2、0% ）2015 年 1000 萬輛汽車工業(yè)的發(fā)展在帶動鋼鐵工業(yè)發(fā)展的同時必將帶動電子工業(yè)發(fā)展，特別是在現(xiàn)代汽車中電子 / 電器占汽車制造成本的比例越來越大，據(jù)國外一家公司（ VDI ）的分析和預(yù)測，電子 /電器占汽車 制造的成本從 60 年代起逐年增長。 80 年代后期，成本份額達到 12% 左右。主要是電子控制燃 油噴射，電子發(fā)動機控制和電子變速器控制等。到了 90 年代增幅達到 25% ，其中主要是柴油噴 射、導(dǎo)航裝置等電子系統(tǒng)。 隨后， 集成式汽車電子裝備占汽車制造總成本的份額始終保持穩(wěn)定增 長的態(tài)勢，預(yù)計到 2010 年可達到 30% 。汽車中傳統(tǒng)的電氣及驅(qū)動系統(tǒng)如圖1所示，圖2為現(xiàn)

3、代汽車中電氣及驅(qū)動系統(tǒng)。汽車中最早的電器是電燈和發(fā)電機，1967年汽油電子噴射的岀現(xiàn)，1979年發(fā)動機數(shù)字式電子裝置的岀現(xiàn)以及 隨后幾年中許多其它電子裝置的相繼開發(fā)，諸如爆震轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、冷起動性能的改善、特性曲線控制等都是電子技術(shù)的應(yīng)用成果。1986年人們終于采用了電子發(fā)動機控制和自動變速器控制，這為汽車技術(shù)的發(fā)展起到了極大的促進作用。發(fā)動機/傳動系統(tǒng)電子技術(shù)-包括底盤（行走機構(gòu)）和輔助裝置的調(diào)節(jié)已從單獨的控制器向復(fù)合、一體化的傳動控制系統(tǒng)發(fā)展。單個的控制器可以通過CAN總線連接在一起相互交換數(shù)據(jù)，這種相互連接帶來的好處是傳感器信號可以供許多控制器 同時使用，且所有控制器享有相同的信息。另一方面

4、，通過此種連接可以在整個系統(tǒng)內(nèi)開發(fā)更新的功能，并降低系統(tǒng)的成本。如今，發(fā)動機大多數(shù)功能均能達到實時控制，使燃燒過程更佳，從而增大了功率和扭矩，降低了排放和燃料消耗。當(dāng)然在一系列新功能的開發(fā)中也使得汽車用電 增大，特別是電磁離合器、電磁制動器等的使用給電能調(diào)節(jié)帶來了一定難度，這就需要高效率的發(fā)電機和高效率的電力電子變換器。電池圖1傳統(tǒng)汽車電氣及驅(qū)動系統(tǒng)圖 2 現(xiàn)代汽車電氣及驅(qū)動系統(tǒng)汽車電子技術(shù)是用來滿足用戶對汽車安全性、 可靠性或?qū)嵱眯怨δ艿钠谕鸵蟆?就汽車制造商 來說，關(guān)鍵是要通過技術(shù)創(chuàng)新將其發(fā)展的目標(biāo)與用戶的高要求一致起來，例如， BMW 公司就較 好地把其發(fā)展目標(biāo)與用戶的需求結(jié)合起來，

5、 他們不斷完善汽車行駛的動力性， 提高發(fā)動機的功率， 塑造人機工程學(xué)， 追求一流的質(zhì)量， 最大限度地去滿足用戶的要求。 許多汽車制造商加大了電子 技術(shù)科技創(chuàng)新的投入，通過新技術(shù)、新產(chǎn)品，不斷改變和完善汽車功能。 今天的電子技術(shù)已完全 實現(xiàn)了靠機械、 液壓手段所不能達到的目標(biāo)和要求， 并正在為實現(xiàn)用戶更高的期望和要求向前發(fā) 展。汽車的自動化程度越高，汽車中的電力電子驅(qū)動和變換單元就越多，其控制單元就越復(fù)雜。 汽車中電力電子驅(qū)動單元主要功能是電機驅(qū)動， 線圈驅(qū)動和電磁離合器驅(qū)動。 汽車中主要的控制 單元是 ECU ， TCU 和 ABS 等。除此之外具有廣泛發(fā)展前景的混合動力汽車也與電力電子密切

6、相關(guān)。1 汽車上的電子控制單元 ECUECU (Electronic Control Unit )由微機和外圍電路組成。而微機就是在一塊芯片上集成了微處理器(CPU ),存儲器和輸入/輸岀接口的單元。ECU的主要部分是微機， 而核心件是CPU ECU 將輸入信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，根據(jù)存儲的參考數(shù)據(jù)進行對比加工，計算出輸出值，輸出信 號再經(jīng)功率驅(qū)動電路去控制若干個調(diào)節(jié)伺服元件，例如點火線圈和電子開關(guān)等。因此，ECU 實際上是一個 “電子控制單元 ”，它是由輸入電路、微機和功率驅(qū)動電路等三部分組成。輸入電路接受傳感器和其它裝置輸入的信號，對信號進行過濾處理和放大， 然后轉(zhuǎn)換成一定伏特的輸入電平。從傳

7、感器送到 ECU 輸入電路的信號既有模擬信號也有數(shù)字信號，輸入電路中的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器可以將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后傳遞給微機。 微機將上述已經(jīng)預(yù)處理過的信號進行運算處理， 并將處理數(shù)據(jù)送至輸岀電路。輸岀電路將數(shù)字信息的功率放大， 有些還要還原為模擬信號，使其驅(qū)動被控的調(diào)節(jié)伺服元件工作。2 變速箱控制單元 TCU現(xiàn)在許多轎車的自動變速器是電子控制的，自動變速器主要由無級變速器和變速箱控制器TCU(Electronic Control Unit) 根據(jù)傳感器輸入信號和開關(guān)信號， 對電磁閥離合器和控制變比的電 機進行控制，達到自動變速的目的。自動變速器的電子控制裝置是由信號輸入系統(tǒng)、 計算系統(tǒng)和

8、控制信號輸出系統(tǒng)這三部分組成。 信 號輸入系統(tǒng)有：變速器輸入速度傳感器、變速器輸出速度傳感器、 發(fā)動機冷卻溫度傳感器、 節(jié)氣 門位置傳感器、發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速傳感器、潤滑油溫度傳感器、制動開關(guān)等信號。 這些信號輸入到 TCU 后經(jīng)過計算或查表然后輸出控制信號，控制電磁離合器的電流，電磁離合器的電流取決于 汽車的運行狀態(tài)。 TCU 根據(jù)汽車行駛狀態(tài)來操縱電磁離合器通電電流的大小或關(guān)閉。汽車速度 比較慢或停止時， TCU 不啟動電磁離合器，當(dāng)汽車速度達到一定值時， TCU 啟動電磁離合器。 汽車變速箱變比的控制也是由 TCU 完成的， TCU 根據(jù)汽車車速、 發(fā)動機轉(zhuǎn)速及節(jié)氣門開度等輸 入信號參數(shù)控制

9、變速箱變比調(diào)節(jié)電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)及加速或減速。從而達到汽車的最佳運行狀 態(tài)。3 防抱死制動系統(tǒng) ABS汽車制動防抱死系統(tǒng)簡稱 ABS(Antilock Braking System 或 Anti-skid Braking System) ， 是指在制動過程中，可自動調(diào)節(jié)制動力大小，防止車輪抱死，以獲得最佳制動性能， 包括最佳方 向穩(wěn)定性、 正常轉(zhuǎn)向能力和最小制動距離的裝置。 它是汽車制動系統(tǒng)的組成部分。 在汽車上裝用 ABS 可有效地減少交通事故，提高行車安全性。在 20 世紀(jì)韌， ABS 就已被裝在火車上，用來 防止制動時車輪抱死造成局部摩擦，使車輪和鋼軌早期損壞。 50 年代， ABS 又被

10、應(yīng)用于波吉飛 機上，用來防止飛機著陸后制動跑偏或前栽，并可縮短制動距離。 ”在汽車上使用 ABS 技術(shù)始于 60 年代。 1965 年，在倫敦汽車博覽會上出現(xiàn)了第一輛裝有ABS 的樣車，但這時還只是純機械式的防抱死裝置。 1965 年， Ford 公司與 Kelsey Hayes 公司合作研制成名為 “SMTrack ”的單 通道后輪 ABS ，并裝在 1969 年的 Thunderbird 車型上； Chrysler 公司與 Bendix 公司合作研制 成3通道4輪ABS “Sure Brake”，裝在1971年的Imperical車型上。他們采用的是當(dāng)時最 新的模擬電子技術(shù)，但都是分立元件

11、，體積大，成本高，故障多，可靠性差。目前ABS 技術(shù)和工藝都非常成熟，已廣泛應(yīng)用于轎車和重型汽車中。我關(guān)于ABS 的研究開始于 80 年代初現(xiàn)剛剛進入產(chǎn)品試制和裝車試驗階段。國內(nèi)研制 ABS 的單位主要有二汽公司、交通部重慶公路研 究所、重慶宏安 A 踢有限公司、陜西興平 514 廠、西安公路學(xué)院等單位和部門。二汽公司從 80 年代初就開始研究 ABS 是較早研究 ABS 的廠家之一， 現(xiàn)研究工作的主要目標(biāo)是對國外的產(chǎn) 品進行消化吸收。重慶公路研究所相繼開發(fā)出了兩代ABS 產(chǎn)品，第一代 ABS 的 ECU 采用了 z80 芯片。第二代 ABS 產(chǎn)品為 FKx ACl 型該裝置的 ECU 中的

12、CPU 微處理器采用了美國 1N TEL 公司的 MCS 96 系列 8098 單片機。 驅(qū)動電路主要采用功率 MOSFET 。ABS 系據(jù)美國統(tǒng)計，約有 40% 的意外事故是因剎車時汽車滑行致剎車距離過長而造成的。采用 統(tǒng)可以在制動過程中自動調(diào)節(jié)車輪制動力， 防止車輪抱死以取得最佳制動效果。4 混合動力汽車汽車發(fā)展的 100 年，是人類文明和經(jīng)濟發(fā)展迅猛的 100 年。如今，全世界汽車的保有量達到了 6 7 億多輛，汽車已與人們的日常生活和生產(chǎn)密不可分。然而，眾多燃油汽車排放所造成空氣 質(zhì)量的日益惡化和石油資源的漸趨匱乏， 使開發(fā)低排放、 低油耗的新型汽車成為當(dāng)今汽車工業(yè)界 的緊迫任務(wù)。人們

13、越來越關(guān)注其它燃料的汽車和電動汽車的開發(fā)。使用電動汽車 (Electric Vehic le 簡稱 EV) 可實現(xiàn)無污染，并可利用煤碳、水力等其它非石油資源，因此，無疑是解決問題的最 有效途徑。但是，由于電動汽車的關(guān)鍵部件之一的電池其能量密度、壽命、價格等方面的問題， 使得電動汽車的性價比無法與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車相抗衡。 盡管目前具有世界先進水平的電動汽車 的性能與內(nèi)燃機汽車可不相上下，但過高的成本使其難以商品化。在這種環(huán)境下， 融合內(nèi)燃機 汽車和電動汽車優(yōu)點的混合動力電動汽車 (Hybrid Electric Vehicle ，簡稱 HEV) 異軍突起，在世 界范圍內(nèi)成為新型汽車開發(fā)的熱點。

14、可以相信， 在電動汽車的儲能部件 電池沒有根本性突破 以前，使用混合動力電動汽車是解決排污和能源問題最具現(xiàn)實意義的途徑之一?；旌蟿恿﹄妱悠?(HEV) 是在一輛汽車上同時配備電力驅(qū)動系統(tǒng)和輔助動力單元 (Auxiliary Pow er Unit ，簡稱 APU) ，其中 APU 是燃燒某種燃料的原動機或由原動機驅(qū)動的發(fā)電機組， APU 由 原動機和發(fā)電機組成， 通常將這兩個部件集成為一體。 原動機帶動發(fā)電機發(fā)電， 其電能通過控制 器直接輸送到電動機， 由電動機產(chǎn)生驅(qū)動力矩驅(qū)動汽車。 電池實際上起平衡原動機輸出功率和電 動機輸入功率的作用： 當(dāng)發(fā)電機的發(fā)電功率大于電動機所需的功率時(如汽車減

15、速滑行、 低速行駛或短時停車等工況 )，控制器控制發(fā)電機向電池充電；當(dāng)發(fā)電機發(fā)出的功率低于電動機所需的 功率時 (如汽車起步、加速、高速行駛、爬坡等工況) ，電池則向電動機提供額外的電能。目前 HEV 所采用的原動機一般為柴油機、汽油機或燃汽輪機?；旌蟿恿﹄妱悠噷⒃瓌訖C、電動機、 能量儲存裝置 (蓄電池 ) 組合在一起，它們之間的良好匹配和優(yōu)化控制，可充分發(fā)揮內(nèi)燃機汽車和 電動汽車的優(yōu)點，避免各自的不足，是當(dāng)今最具實際開發(fā)意義的低排放和低油耗汽車。 目前世 界各國研究開發(fā)的混合動力電動汽車有不同的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)其驅(qū)動系統(tǒng)的配置和組合方式不 同，分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式 3 種組合方式?；旌?/p>

16、動力電動汽車和電力電子有密切的聯(lián)系， 其電氣系統(tǒng)核心部件：電機 -發(fā)電機 /電動機 /啟動機；電力電子驅(qū)動 /整流，含傳感器及保護電路；直流電壓變換器；蓄 電池。圖 2 所示的是一個 42V 電氣系統(tǒng)實物的組成框圖， 圖 3 為其電路框圖。圖3 42V電氣系統(tǒng)組成圖4 42V電氣系統(tǒng)的電路組成目前世界各國都致力于開發(fā)先進的混合動力電動汽車，在1999年北京舉行的第16屆國際電動車會議暨展覽會（EVS 16）上，混合動力電動汽車成為熱點，展岀的部分展品代表了世界混合動力汽車發(fā)展的現(xiàn)狀?；旌夏茉窜囬_發(fā)各國都剛起步，其發(fā)展趨勢如下：?串行混合能源車是主流發(fā)展方向，純電動車燃料電池車將隨之而來?混合能源車開發(fā)將拉動一大批工業(yè)發(fā)展：材料（化工，合金，鋼鐵），電子，通訊，電機，電池,機械加工，環(huán)保等?車載電壓將升至 42V 以上 , 但低電壓將并存相當(dāng)一段時間?皮帶驅(qū)動集成起動機 /發(fā)電機，曲軸驅(qū)動集成起動機/發(fā)電機將并行發(fā)展?電機設(shè)計將與控制方法開發(fā)同步進行?混合能源車已經(jīng)并將繼續(xù)促進專用電子模塊的開發(fā)?寬速比，高效，可靠性是電氣系統(tǒng)開發(fā)的挑戰(zhàn)性問題混合動力電動汽車是當(dāng)今解決汽車節(jié)能與排污問題的有效途徑， 混合動力電動汽車雖然沒有實現(xiàn) 零排放， 但它所能達到的動力性、 經(jīng)濟性和排放指標(biāo)是緩解汽車需求與環(huán)境污染及石油短缺矛盾 日益尖銳的理想途徑。