現代汽車電子技術的應用現狀及發展趨勢論文

　　引言：

　　隨著現代電子技術的發展和微機技術在汽車上的應用，使得汽車的內涵和功能不斷拓展和延伸，汽車電子化逐漸成為現代汽車的基本特征。汽車電子化程度高低已經成為衡量汽車先進水平的重要標志。專家估計，電子裝置的平均成本已占整車成本的20%以上，高檔車上達到50%甚至60%。目前汽車電子技術的應用迅速增長，因此現代汽車采用先進電子技術已成為發展趨勢。

　　一、汽車電子技術的發展歷程。

　　汽車電子技術的發展大體分為4個階段：

　　1）從20世紀50年代初到70年代初，主要開發由分立元件和集成電路組成的汽車電子產品，代替傳統機械部件，例如集成電路調節器、電子點火器等。電子管收音機和晶體管收音機相繼在汽車上安裝，這是電子技術在汽車上應用的開始。

　　2）從20世紀70年代中期到80年代中期，主要發展專用獨立系統，電子裝置用于機械裝置所無法解決的復雜控制功能方面，例如電子控制汽油噴射系統、巡航控制系統、制動防抱死系統ABS等。

　　3）從20世紀8O年代中期到90年代中期，主要開發多種功能的綜合系統及各種車輛的微機控制，汽車上的電子裝置不僅能自動承擔基本控制任務，而且能處理外部和內部的各種信息，例如集發動機控制與自動變速器控制為一體的動力傳動控制、制動防抱死與防滑轉控制等。

　　4）從20世紀90年代中期開始，主要研究車輛的智能控制技術，模擬人的思維和行為進行控制，例如汽車自動駕駛系統、汽車自動導航系統等。智能化集成傳感器和智能執行機構也已付諸實用，數字式信號處理方式用于聲音識別、安全碰撞、適時診斷、導航系統等。

　　二、國內外汽車電子技術的發展現狀。

　　1、國外汽車電子技術發展現狀。

　　目前，歐美發達國家生產的汽車，每輛汽車上電子裝置的平均成本已占整車成本的30%～50%。在豪華轎車上，電子產品的成本已占整車成本的50%以上。有些公司生產的高檔汽車上安裝了專用的電子系統，例如豐田汽車公司的VVT—I新型智能可變節氣門控制系統、MSP馬莎拉蒂穩定程序、PSM保時捷行車穩定管理系統、PTM保時捷牽引力管理系統、PASM保時捷主動懸架管理系統等等。國外汽車電子技術發展的主要特征有：

　　1）功能多樣化。從最初的發動機電子點火和噴油，發展至現在的各種控制功能，例如自動巡航、自動啟停、自動避撞等。

　　2）技術一體化。從最初的機電部件松散組合到現在機液電磁一體化，例如直噴式柴油共軌燃油噴射系統、德爾福的磁流變液減振器。

　　3）系統集成化。從最初的單一控制到現在集成綜合控制，例如動力總成（發動機和變速器）集成控制、安全系統集成控制等。

　　4）通信網絡化。從初期的各子系統到現在控制器局域網，例如以CAN總線為基礎的整車信息共享的分布式控制系統及無線通信為基礎的遠程高頻網絡通信系統。

　　2、國內汽車電子技術發展現狀。

　　我國的汽車電子工業起步較晚。20世紀90年代以前，除了汽車收音機等直接從家用電器移植過來的產品以外，幾乎沒有汽車電子工業。進入20世紀90年代以后，隨著我國汽車工業的較快發展和國外的汽車電子化潮流，我國的汽車廠家如雨后春筍般涌現。據CCID統計，我國涉及汽車電子生產的企業有1000多家，但其多數企業規模偏小，產品結構單一，且技術含量低。

　　近幾年，我國汽車產業發展迅猛，特別是轎車產業，我國的巨大市場潛力吸引了全球知名汽車廠商的目光，紛紛來華投資，憑借這些跨國企業提供的技術、硬件、以及產能上的保障，我國在短短幾年時間內成為全球知名的汽車生產國。快速發展的汽車產業為汽車電子產品提供了廣闊的應用市場，從2004年開始我國汽車電子市場隨著汽車產業一起進入快速發展時期。當前，汽車由單純的機械產品逐步演變為一種高級的機電一體化產品，并向著電動汽車（含混合動力車）和智能汽車的方向，使汽車電子市場進入了一個穩定且快速增長階段；同時第三代移動通信、高清數字電視、衛星導航、移動網絡等越來越多的IT技術被逐步移植到汽車上，電子裝置占整車的價值比顯著提高，汽車電子產業也隨之蓬勃發展。

　　三、現代汽車電子技術的應用現狀。

　　按對汽車行駛性能作用的影響，可把汽車電子產品歸納為兩類：1）汽車電子控制裝置；2）車載汽車電子裝置。目前較多見的成熟的汽車電子控制系統主要有：發動機電子控制、底盤電子控制、車身電子控制、信息傳遞等。

　　1、發動機電子控制。

　　1）電子控制噴油裝置（EFI）。

　　現代汽車上，機械式或機電混合式燃油噴射系統趨于淘汰，電控燃油噴射裝置因其性能優越而得到日益普及。電控燃油噴射系統是20世紀60年代末開始發展起來的，與傳統的化油器供油系統相比，而其突出優點在于空燃比的控制更為精確，可實現最佳空燃比；且電噴技術提高了汽油的霧化、蒸發性能，加速性能更好，發動機功率和轉矩得以顯著提高。這樣能使發動機一直處于最優工作條件下運行，并使發動機的綜合性能得到提高。

　　2）電子點火裝置（ESA）。

　　早在20世紀初，點火系統在汽車發動機上已開始應用。如今，點火系統已從有觸點式、普通無觸點式、集成電路式發展到了微機控制電子點火系統。微機控制電子點火系統可控制并維持發動機點火提前角（ESA）在最佳范圍以內，使汽油機的點火時刻更接近于理想狀態，從而進一步挖掘發動機的潛能。微機控制電火系統中，目前出現了一種無分電器點火系統（DLI），它取消了普通微機控制點火系統中的分電器，改由ECU內部控制各缸配電。這樣點火線圈產生的高壓電，不需經過分電器分配，直接送到火花塞發生點火。無分電器點火系統可消除分火頭與分電器蓋邊電極的火花放電現象，減少電磁干擾。

　　3）怠速控制系統（ISC）。

　　怠速性能的好壞是評價發動機性能優越與否的重要指標，怠速性能差將導致油耗增加、排污嚴重，因此需進行必要的控制。現代轎車中一般都有怠速控制系統，由ECU控制并維持發動機怠速在某一穩定范圍內。怠速控制通常是指怠速轉速控制，實質是對怠速工況時的進氣量進行調節（同時配合噴油量及點火提前角的控制）。目前，除了怠速轉速的穩定性控制之外，怠速控制還可實現起動控制、暖機控制、負荷變化控制等功能，這樣多種功能的集中，不僅簡化了機構，而且也提高了怠速控制的精確性。

　　4）發動機利用電子技術的內容。

　　廢氣再循環（EGR）、電動油泵、發電機輸出、冷卻風扇、發動機排量、節氣門正時、二次空氣噴射、發動機增壓、油汽蒸發、系統自我診斷功能等，它們在不同的車型上都有或多或少地被應用。

　　2、底盤電子控制。

　　1）電控自動變速器（ECAT）。

　　可以根據發動機的載荷、轉速、車速、制動器工作狀態及駕駛員控制的參數，經過計算機的計算和判斷后自動地改變變速桿的位置，從而實現變速器換擋的最佳控制，即可得到最佳擋位和最佳換擋時間。其優點是加速性能好、靈敏度高、能準確地反映行駛負荷和道路條件等。不僅能明顯地簡化汽車操作，而且能實現最佳的行駛動力性和安全性。

　　2）防抱死制動系統（ABS）。

　　它是一種開發時間最長、推廣應用最為迅速的重要的安全性部件。它可通過控制防止汽車制動時車輪的抱死來保證車輪與地面達到最佳滑動率（15%～20%），而使汽車在各種路面上制動時，車輪與地面都能達到縱向的峰值附著系數和較大的側向附著系數，以保證車輛制動時不發生抱死拖滑、失去轉向能力等不安全工況，提高汽車的操縱穩定性和安全性，減少制動距離。驅動防滑系統（ASR）也叫牽引力控制系統（TCS或TRC），是ABS的完善和補充，它可防止起動和加速時的驅動輪打滑，既有助于提高汽車加速時的牽引性能，又能改善操作穩定性。

　　3）電子轉向助力系統。

　　它是用一臺直流電機代替傳統的液壓助力缸、用蓄電池和電動機提供動力的系統。這種微機控制的轉向系統和傳統的液壓系統比起來具有部件少、體積小、重量輕的特點，以及最優化的轉向作用力、轉向回正特性，大大提高了汽車的轉向能力和轉向響應特性，增加了汽車低速時的機動性以及調整行駛時的穩定性。

　　4）適時調節的自適應懸掛系統。

　　它能根據懸掛裝置的瞬時負荷，自動地適時調節懸架彈簧的剛度和減震器的阻尼特性，適應當時的負荷，保持懸掛的既定高度。這樣就能極大地改進車輛行駛的穩定性、操作性、乘坐舒適性。

　　5）常速巡行自動控制系統（CCS）。

　　在高速長途行駛時，可采用常速巡行自動控制系統，恒速行駛裝置將根據行車阻力自動調整節氣門開度，駕駛員不必經常踏油門以調整車速。隨著世界各大汽車產家對汽車安全問題的高度重視，安全氣囊系統、行駛動力學調節系統（FDR或VDC）、防撞系統、安全帶控制、照相控制等方面已大量采用了電子新技術。

　　3、車身電子控制。

　　1）汽車空調控制。

　　車用全自動空調控制是根據設置在車內外的各種溫度傳感器輸出的信號，由ECU中的微機計算出經過空調熱交換器后進入車內應該達到的出風溫度。對混合氣調節器開度、風扇驅動電機轉速、冷卻器風門（或加熱器風門）、壓縮機等進行控制，自動地將車內溫度保持在設定的溫度值范圍內，使車內的溫度、濕度始終處于最佳值，為駕駛員和乘員提供舒適的乘坐環境。

　　2）信息顯示系統。

　　正處于發展和完善階段，由車況監測部件、車載計算機、電子儀表三部分組成。汽車車況監測是傳統機械式儀表板報警功能的改進和發展，通過液位、壓力、溫度、燈光等傳感器，監測發動機、制動系、電源系統及車燈的故障。車載計算機提供的信息能提高行車安全性、燃油經濟性、乘坐舒適性。電子儀表為駕駛員提供汽車行駛時最基本的操作信息，且這些信息連續在儀表板上顯示。

　　3）安全氣囊控制系統。

　　它是一種被動安全保護裝置，由觸發裝置、氣體發生器、氣囊三部分組成。觸發裝置包括傳感器、電子控制裝置、儲備電源、監控裝置。由電子控制系統接收加速度傳感器發出的信號，并進行分析，以判定是否發生碰撞事故。若發生了碰撞，則對氣體發生器發出指令，迅速吹脹氣囊，整個過程約需0。03s。觸發裝置中的監控裝置可連續自我監控，確保整個氣囊系統在任何時刻都處于準備工作狀態。

　　4）汽車電子燈光控制系統。

　　它可根據光傳感器檢測到的車外天氣光亮情況的信號，自動的將后燈和前照燈接通或切斷，以提高汽車使用的便利性和行駛安全性。

　　4、信息傳遞裝置。

　　1）信息顯示與報警。

　　該系統可將發動機的工況和其他信息參數，通過微機處理后輸出對駕駛員有用的信息，并用數字、線條顯示或聲光報警。顯示的信息除水溫、油壓、車速、發動機轉速等常見參數外，還有瞬時耗油量、平均耗油量、平均車速、行駛里程、續駛里程、車外溫度等。監視和報警的信息主要有：燃油溫度、水溫、油壓、充電、尾燈、前照燈、排氣溫度、制動液量、手制動、車門未關嚴等。當出現不正常現象或自診斷系統測出有故障時，立即由聲光報警。

　　2）語音信息。

　　它包括語音警告和語音控制。語音警告是在汽車出現不正常情況時，（包括水溫、水位、油位不正常，制動液不足，蓄電池充電值偏低等情況），電控單元經過邏輯判斷，輸出信息至揚聲器，發出模擬人的聲音向駕駛員報警，多數還能同時用燈光報警。語音控制是用駕駛員的聲音來指揮和控制汽車的某個部件、設備進行動作。

　　3）車用導航。

　　該系統可在城市或公路網范圍內，定向選擇最佳行駛路線，并能在屏幕上顯示地圖，表示汽車行駛中的位置、以及到達目的地的方向和距離。

　　四、現代汽車電子技術應用的發展趨勢。

　　20世紀90年代，汽車電子技術進入了優化人—汽車—環境的整體關系的階段，它向著超微型磁體、超高效電機、集成電路的微型化方向發展，并為汽車上的集中控制提供基礎（例如制動、轉向、懸架的集中控制，以及發動機和變速器的集中控制）。汽車電子技術成就汽車工業的未來，未來汽車電子技術將有下列發展趨勢。

　　1、傳感器技術。

　　車用傳感器的多樣化和使用數量的增加，使得傳感器朝著多功能化、集成化、智能化、微型化方向發展。未來的智能化集成傳感器，不僅能提供用于模擬和處理的信號，而且能對信號作放大等處理；還能自動進行時漂、溫漂、非線性的自校正，具有較強的抵抗外部電磁干擾的能力，保證傳感器信號的質量不受影響，即使在特別嚴酷的使用條件下，仍能保持較高的精度；它還應有結構緊湊、安裝方便的優點，從而免受機械特性的影響。

　　現在汽車制造商為開發自動行駛汽車，正加緊研制各種傳感器，包括車輛位置傳感器、后方障礙物傳感器、側方障礙物傳感器、前方障礙物傳感器、車間距離傳感器、路面傳感器、防撞檢測傳感器、車速傳感器、加速傳感器、防火檢測傳感器、駕駛盤角度傳感器、駕駛員狀態傳感器等。據報道，世界傳感器市場，將從20xx年的xx億美元提升到20xx年的xx億美元，年均增長率達xx%。

　　2、微處理器（ECU）技術。

　　將ECU應用到汽車發動機的控制系統之后，汽車電子控制系統進入新的高速發展階段；隨后ECU被應用到動力傳動、車身、安全等控制系統中。由于汽車用ECU對可靠性、信息處理能力、實時控制能力及成本上的特殊要求，基于通用芯片開發出的ECU已經很難滿足汽車電子控制系統的要求，因此，開發多路同步實時控制、自帶A/D與D/A、自我診斷、高輸人/輸出等功能的汽車專用ECU系統具有很高的現實意義。

　　隨著控制日趨集中化，ECU需要處理的信息量不斷增加，因此，16位和32位ECU將成為未來汽車用ECU的首選。預計今后幾年需求量將增加50%以上、逐步成為車用ECU的主流。近年日本國內外銷售的ECU在xx億個以上，20xx年將超過xx億個產品，價值xx萬億日元以上。目前中國用戶采用32位ECU的還不多，主要集中在一些科研項目上，例如電動汽車的研發項目等。

　　3、執行器。

　　目前，汽車上用的執行器主要有：電磁式、電動式、氣動/液動式。電磁式和電動式的執行器是以電為動力的操作機構，具有體積小、重量輕、響應快、耗能小的特點，但輸出驅動能力則不足；無法滿足未來汽車控制領域大驅動輸出的需要。隨著新材料、新工藝、新機構的采用，電磁式和電動式執行器將逐漸取代氣動/液動執行器，尤其是在未來汽車普遍更換42V新型電源系統之后，輸出驅動能力將大幅度提升，完全可以取代傳統的氣動/液動系統。

　　4、控制策略。

　　目前，汽車電子控制系統中廣泛采用的PID控制理論，是用于單輸入/輸出、線性定常系統的經典控制理論。由于汽車中的控制對象往往具有很強的時變和非線性，控制的輸入和輸出參數越來越多，采用狀態空間為基礎、用于多輸入/輸出、非線性時變系統的現代控制理論已成必然，例如最優控制、自適應控制、模糊控制等。

　　5、總線技術。

　　利用總線技術將汽車中各種電控單元、智能傳感器、智能儀表等聯接起來，從而構成汽車內部局域網，實現各系統間的信息資源共享，其優點主要有：

　　1）大大減少線束數量、連接點及體積，提高系統的可靠性和可維護性。

　　2）采用通用傳感器，達到數據信息共享的目的。

　　3）改善系統的靈活性，即通過系統的軟件實現系統功能的變化。

　　根據側重功能的不同，SAE將總線劃分為A、B、C三類：A類是面向傳感器和執行器的一種低速網絡，主要用于后視鏡調整、燈光照明控制、電動車窗等控制，目前A類主流是LIN；B類是用于獨立模塊間的數據共享中速網絡，主要用于汽車舒適性、故障診斷、儀表顯示四門中央控制等，目前B類主流是低速CAN；C類是面向高速、實時閉環控制的多路傳輸網絡，主要用于發動機、ABS和自動變速器、安全氣囊等控制，目前C類主流是高速CAN。但是，隨著下一代高速、具有容錯能力的時間觸發方式的“X—by—Wire”線控技術的發展，將逐漸代替高速CAN在C類網中的位置，力求在未來5——10年內使傳統的汽車機械系統變成通過高速容錯通訊總線與高性能CPU相連的百分之百的電控系統，完全不需要后備機械系統的支持，其主要代表有TTP/C和FlexRayo而在多媒體與通訊系統中，MOST、IDB—1394、“藍牙”技術成為今后的發展主流。再者，光纖憑借其高傳輸速率和抗干擾能力，越來越廣泛地用作高速信號傳輸介質。

　　6、安全技術。

　　未來汽車電子控制的重要發展方向是汽車安全領域，主要方向有：

　　1）利用雷達技術和車載攝像技術開發各種自動避撞系統。

　　2）利用近紅外技術開發各種能監測司機行為的安全系統。

　　3）高性能的輪胎綜合監測系統。

　　4）自適應自動駕駛系統。

　　5）駕駛員身份識別系統。

　　6）安全氣囊和ABS/ASR，以及車身動態控制系統。

　　7、多媒體娛樂與智能通訊系統。

　　隨著第三代移動通訊技術和計算機網絡技術的發展，未來汽車正朝著移動辦公室、家庭影院方向發展，為司機和乘客提供行進中的實時通訊和娛樂信息，并把汽車和道路及其它遠程服務系統結合起來，構建未來的智能交通系統（ITS）。具體功能有：

　　1）提供豐富的多媒體設施環境，利用GPS、GSM網絡實現導航、行車指南、無線因特網、以及汽車與家庭等外部環境的互動。

　　2）具備遠程汽車診斷功能，緊急時能夠引導救援服務機構趕到故障或事故地點。

　　五、結束語。

　　自20世紀70年代以來，汽車工業的飛速發展都是在電子技術的推動下實現的；未來幾年內的汽車領域的技術革新，將有70%來自于電子技術的進步。可見，電子技術在未來汽車工業中所起到的作用是不可替代的。一個國家電子產業的水平及其在汽車工業的應用情況，將會決定它在未來的世界汽車行業競爭中能否掌握主動權。對于我國汽車工業來說，汽車電子產業仍處于初期階段，必須正確把握未來汽車電子技術發展方向，加快相關技術的研究開發工作，以便形成自己的優勢，實現民族汽車產業的快速崛起。