汽车电子在汽车上的应用

汽车电子在汽车上的应用

1．引言

1.1 课题提出的背景和意义

近年来，随着电子技术、计算机技术和信息技术的应用，汽车电子控制技术得到了迅猛的发展，汽车结构的改进与性能的不断提高，汽车上装用的传统电气设备正面临着巨大的冲击。汽车电子控制技术是汽车的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到汽车的动力性、经济性、可靠性、安全性、排气净化及舒适性。 例如：为使汽车发动机获得最高的经济性，需靠点火系统才能在最适当的时间点火；为使汽车在制动过程中有良好的操纵性能，需采用电子控制防抱死制动装置；为保证汽车工作可靠、行驶安全，则有赖于各种其他电子控制系统的正常工作。

由于人们对汽车节能、安全、舒适、便捷和豪华的追求，对汽车的性能提出了更高的要求。使用了大量的传感器、微处理器等电子元件，尤其在近年来，微电子技术的飞速发展，特别是微型计算机技术的巨大进步，将先进的电子技术知识与传统的机械相结合，使得汽车的环保、节能、安全、舒适、便捷和智能化等方面有了很大的进步。如今的汽车已经成为了集微电子技术和微型计算机一体的自动系统。其中汽车电子化、智能化、网络化的程度是衡量现代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型，改进汽车性能最重要的技术措施。

现在人们驾驶汽车的时候，相信都会一眼就发现车上增加了很多诸如油耗显示、ABS、ASR、EBA、ESP、安全气囊、侧气帘、车内温湿度控制、CD/DVD播放机、GPS导航仪、电动门窗、电动后视镜、电动座椅记忆调节、LED车灯、自适应巡航，以及其他很多以前只在军用、航空上使用，而价格只是现在民用消费类水平的汽车电子产品。电子产品目前在整车成本中所占比例普遍为23%～30％，在高档豪华轿车上更是占到50％～60%。今后汽车的发展将更多地由汽车电子技术驱动，可能人们驾驶汽车的感觉就像在操作一台复杂的电子设备。这，就是与人们的生活息息相关的汽车电子

1.2 我国汽车电子发展现状

目前汽车，特别是轿车上的电子零部件，包括控制、驱动、安全、显示、通信、娱乐等各种设备，占汽车总成本的1/3甚至更多，汽车电子技术涉及软件、计算机、电子控制、系统集成、通信、消费类电子等诸多领域。汽车上70％的革新来源于汽车电子，半导体器件的大量应用是汽车革新的关键技术之一。近年来汽车电子技术取得了前所未有的成就和空前的市场规模，成为市场关注的焦点。

从1989年到现在，平均每辆车上安装的电子装置在整个汽车制造成本中所占的比例由16%增至30%以上。在一些豪华轿车上，使用单片微型计算机的数量

已达到48个，电子产品则占到整车成本的50％～60%。汽车中传统产品升级很慢，而电子产品5年基本就要升级，今后汽车升级主要就是由电子技术驱动，70%的汽车创新来源于汽车电子。同时，汽车市场竞争激烈，汽车厂商除了降价以外，增配是最有效的竞争手段，而增配过程中，汽车电子的配备率将大幅度提升。

据iSuppli预测，在政府刺激措施、在国内拓展新的市场以及轿车功能更加先进等因素的推动下，中国汽车电子市场预计将在2012年超过美国。届时中国汽车电子销售额将从2009年的160亿美元增长到206亿美元。而2012年美国汽车电子市场将为205亿美元

1.3 汽车电子控制技术应用概况

就最近20 年汽车电子技术的发展过程而论，日益激烈的世界汽车市场的竞争，以及排放、节油和安全性方面的挑战成为当代汽车技术革命巨大的动力。同时，随着计算机技术越来越多地应用于汽车上，各种车用电控系统应运而生，许多新技术、新设备也层出不穷。目前在汽车上已经使用的电子装置品种已发展到了几十种，它们由品种繁多的传感器、电子控制单元(ECU)、微处理器、存储器、输入/输出接口、执行机构、显示器和设计软件集合而成，完成了极为复杂的多元控制过程，以改进汽车技术性能来满足现行法规的要求。目前，国外汽车上应用较多、较为成熟的电子控制装置大致可分为四个方面 ：

1. 仪表通信

仪表通信类的应用主要有电子钟、电子油耗表、电子温度计、电子车速里程表、电子转速表、旅程计算器、燃料消耗计、电子定时、电子化图示仪表盘、电话及其通信装置、各种报警(灯丝切断，排气温度，水面，液面，未关门，未系安全带等)。

仪表通信类即将采用的新技术主要有大型电子化薄式仪表盘、多路信息传输、光纤通信传输、惯性导航、卫星导航、屏幕显示街道图及交通阻塞状况图、多功能综合屏幕显示等 。

2. 发动机及传动系

发动机及传动系已经采用的技术主要有交流发电机的整流及集成调节器、电子点火(全晶体管式，集成式，无触点分电器式，一体化点火线圈式)、点火正时控制、废气再循环控制(氧传感器)、燃油喷射电子控制、电子控制化油器、柴油机最佳参数电子控制(喷射，进气，正时等)、发动机最佳参数电子控制(空燃比，点火，废气再循环，怠速，爆燃控制，喷射控制等)、车速自动控制、柴油机启动控制、增压器自动控制、变速器电子控制、离合器电子控制、却系电子控制、冷启动控制、换挡提示器、发动机停缸控制、车速感应的动力转向装置等。

发动机及传动系即将采用的新技术主要有发动机气缸电子控制、发动机和传动系综合控制、无级变速和自适应速度控制、热电变换、蓄电池容量余值显示、自动巡航系统、电子控制消声器、电子控制动力转向等。

3. 安全方面

安全方面已经采用的技术主要有电子防抱制动控制、驱动防滑控制装置、电子主动悬架控制、电子控制四轮转向系统、安全气囊自控装置、刮水器自动控制、速度控制(限速与恒速)、车窗自动控制、轮胎气压报警、防盗报警、防撞车间距报警、未系安全带报警、安全带自动锁紧控制、明暗灯光控制、冲撞记录仪 、前大灯控制、后视镜控制、电子门锁等。

安全方面即将采用的技术主要有路面状态显示、防碰撞自动控制、死角处障碍物报警、安全雷达、制动管路故障应急制动、睡眠检测报警、司机突病时自控、电子操纵紧急制动、酒醉检测安全自控、后视摄像及屏幕显示、声音合成报警系统、故障预警提示系统、倒车测距系统等。

4. 舒适性方面

舒适性方面已经采用的技术主要有空调自动控制、座椅自动调整、自动照明、红外线控制车门开关、车窗及车门自动开关(声控)、高级立体音响、无线电调谐自动预选、无钥匙开车、车用电视机及音响等。 舒适性方面即将采用的技术主要有全自动空调(温度、湿度、清洁度、含氧量)系统、道路交通信息指示表、行驶路线最优化选择控制、声控驾驶等。

1.4 本章小结

随机汽车电子技术的不断发展，汽车上所使用的电子设备将会与日俱增，电子设备的作用也将会被不断的放大。

2.汽车电子控制系统

2.1 汽车电子控制系统的概述

汽车发动机电子控制系统技术属于汽车电子领域的关键技术并占据汽车电子市场的主要份额。随着环保政策、能源政策限制力度的加大，大力应用电子控制技术，开发汽车发动机电子控制系统产品是未来汽车领域的必然所趋 。发动机电子控制系统（EECS)是通过对发动机点火、喷油、空气与燃油的比率、排放废气等进行电子控制，使发动机在最佳工况状态下工作，以达到提高其整车性能、节约能源、降低废气排放的目的。

汽车电子控制系统基本由传感器、电子控制器（ECU）、驱动器和控制程序软件等部分组成，与车上的机械系统相配合使用（通常与动力传动控制总成系统、底盘控制系统和车身控制系统中的子系统融合），并利用电缆或无线电波互相传输讯息，即所谓的“机电整合”，如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制系统、防滑控制系统、电子控制悬架系统、电子控制自动变速器、电子助力转向等。汽车电子控制系统大体可分为四个部分：发动机电子控制系统，底盘综合控制系统，车身电子安全系统，信息通讯系统 。其中，前两种系统与汽车的行驶性能有直接关系

2.2 汽车电子控制技术的应用

2.2.1 发动机电子控制系统

汽车发动机电子控制系统技术属于汽车电子领域的关键技术并占据汽车电子市场的主要份额。随着环保政策、能源政策限制力度的加大，大力应用电子控制技术，开发汽车发动机管理系统产品是未来汽车领域的一个必然选择。

1.电子控制喷油装置

在现代汽车上，机械式或机电混合式燃油喷射系统已趋于淘汰，电控燃油喷射装置因其性能优越而得到了日益普及。电子喷油装置可以自动地保证发动机始终工作在最佳状态，使其在输出一定功率的条件下最大限度地节油和净化空气。经过实验并修正得到发动机最佳工况时的供油控制规律、事先把这些客观规律编成程序存在微机的存储器中，当发动机工作时，根据各传感器测得的空气流量、排气管中含氧量、进气温度、发动机转速及工作温度等参数，按预先编好的运算程序进行运算、然后和内存中的最佳工况的参数进行比较和判断再调整供油量。这样就能够使发动机一直处于最优工作条件下运行，从而使发动机的综合性能得到提高。

2.电控点火装置（ESA）

电控点火装置由微处理机、传感器及其接口、执行器等构成。该装置根据传感器测得的发动机参数进行运算、判断，然后进行点火时刻的调节，可使发动机在不同转速和进气量等条件下，保证在最佳点火提前角下工作，使发动机输出最大的功率和转矩，降低油耗和排放，节约燃料，减少空气污染。

3.废气再循环控制（EGR）

废气再循环控制系统是目前用于降低废气中氧化氮排放的一种有效措施。其

主要执行元件是数控式EGR阀，作用是独立地对再循环到发动机的废气量进行准确的控制。ECU根据发动机的工况适时地调节参与再循环废气的循环率，发动机在负荷下运转时，EGR阀开启，将一部分排气引入进气管与新混合气混合后进入气缸燃烧，从而实现再循环，并对送入进气系统的排气进行最佳的控制，从而抑制有害气体氧化氮的生成，降低其在废气中的排出量。但过度的废气参与再循环，将会影响混合气的点火性能，从而影响发动机的动力性，特别是在发动机怠速、低速、小负荷及冷机时，再循环的废气会明显地影响发动机性能。

4.怠速控制（ISC）

怠速控制系统是通过调节空气通道面积以控制进气流量的方法来实现的。主要执行元件是怠速控制阀（ISC）。ECU根据从各传感器的输入信号所决定的目标转速与发动机的实际转速进行比较，根据比较得出的差值，确定相当于目标转速的控制量，去驱动控制空气量的执行机构，使怠速转速保持在最佳状态附近。

5、增压电控系统

发动机中增压系统的安装目的是为了提高进气效率。电控增压系统的研制开发使增压技术又跨上了一个新台阶。目前，应用较普遍的是电控废气涡轮增压系统。

增压技术所带来的一个不可忽视的负面影响就是燃烧爆震倾向增加了，为此，专门用爆震传感器对点火系统进行反馈控制（即爆震控制）。

6、故障自诊断系统

现代轿车发动机电控系统的ECU中的故障自诊断系统，可自行监测、诊断发动机控制系统各部分的故障。当各控制系统出现故障时，仪表板上的故障指示灯闪烁报警，同时将故障信息以代码的形式保存在微机的存储器中，维修时可以通过故障指示灯间断闪烁来显示，也可以通过专用的检测仪器以数字的形式显示故障代码，通过手册可查出故障原因。

7、故障保险系统及故障备用控制系统

当自诊断系统检测出传感器及其电路故障后，ECU中的故障保险系统自动启动，用程序设定的数据取代故障部分输入的非正常信号直接控制。 而当微机或主要传感器出现故障时，ECU立即将主控权由微机切换至故障备用系统中，由其代替微机工作，保证轿车“缓慢回家”以便修理。

9、进气涡流电控系统

电控进气涡流技术在某些轿车（特别是采用稀燃技术的轿车）上应用较多。其结构是在进气口附近增设一涡流控制阀，通过ECU采集转速、节气门开度、冷却水温等信号，并加以处理后控制其旋转角度，引导气流偏转产生涡流，调节涡流比，实现涡流控制，促进汽油蒸发以及与空气的均匀混合，提高燃烧效率。

10、可变进气控制系统

可变进气控制系统从增加进气量、提高进气效率的角度出发提高发动机动力性和经济性。有两种类型：可变流通面积控制方式通过ECU控制安装在进气管道中的控制阀的旋转角度来改变其进气流通截面，满足不同工况对进气量的需求；可变流通长度控制方式由ECU控制进气管道中的控制阀来调整进气管的长度。

11、进气温度预热控制系统

进气温度预热控制系统通过调节低温起动时的进气温度来促进汽油蒸发，改善排放性能。预热方式主要有排气管预热、水温预热和正温度元件（PTC）预热3种型式。

12、燃油蒸发电控系统

广泛应用的是活性炭罐蒸发电控装置。停车期间，利用活性炭罐吸收汽油蒸气，防止向大气扩散；发动机运行后，ECU控制活性炭罐与进气管之间的导通，利用进气真空度将活性炭罐中吸附的汽油蒸气吸入进气管，这样可有效防止汽油蒸气的外逸，降低 HC的排放污染。

13、曲轴箱强制通风电控系统

曲轴箱强制通风电控系统由ECU根据节气门位置信号、转速信号等控制强制通风阀，从而实现曲轴箱内气体与进气管之间的导通，将气缸中经活塞环间隙渗入曲轴箱内的气体再次循环进入进气管中，以减少该部分气体直接排向大气造成的污染。

14、二次空气喷射系统

二次空气喷射由ECU控制二次空气喷射气道的导通，将空气引入催化转换器中，实现对NOx、CO、HC的转变。目前与催化转换器配合使用。随着研究的深入，出现了许多新技术。如停缸控制可根据负荷的不同要求，停止部分气缸的燃油供给与点火控制，减少浪费，提高发动机效率；再如加速踏板电控系统，可避免机械式加速踏板因为磨损而产生的误差，增加控制精度。

2.2.2 车身电子安全系统

车身电子安全系统包括车身系统内的电子设备，主要有自适应前照灯系统、汽车夜视系统、安全气囊、碰撞警示与预防系统、轮胎压力监测系统、自动调节座椅系统、安全带控制系统等，提高了驾驶人员和乘客乘坐的舒适和方便性。

1. 自适应前照灯系统（AFS）

自适应前照灯系统可在前照灯照明范围内，根据车身的动态变化、转向机构的动作特性等综合因素进行计算和判断，从而判定汽车当前的行驶状态并对前照

灯近光进行相应的调整，并能在会车时自动启闭和防眩。它能够有效地降低驾驶者在夜晚弯路上行车的疲劳程度，使驾驶者能够看清转弯处的实际路况，使驾驶者能够拥有充分的时间进行转向操纵和应付紧急情况，从而明显提高夜晚弯路上行车的安全性。在日本，一些汽车商在其高档轿车中已标配AFS 系统，如丰田汽车公司在猎犬上采用了可变式前灯“自适应性前照灯系统。

2. 安全气囊（SRS)

该系统是国内外汽车上一种常见的被动安全装置。在车辆相撞时，由电控元件用电流引爆安置在方向盘中央（有的在仪表盘板杂务箱后边也安装）等处气囊中的渗氮物，迅速燃烧产生氮气，瞬间充满气囊。气囊的作用是在驾驶员与方向盘之间、前座乘员与仪表板间形成一个缓冲软垫，避免硬性撞击而受伤。此装置一定要与安全带配合使用，否则效果大为降低。

它的工作原理是：当汽车遭受前方一定角度范围内的碰撞时，安装在汽车前部和SRS ECU 内部的碰撞传感器都会检测到汽车突然减速的信号，并将信号输入 SRS ECU，以便判断是否发生碰撞。当汽车遭受碰撞且减速度达到设定值时， SRS ECU 发出控制指令将气囊组件中的点火器(电雷管)电路接通，电雷管引爆使点火剂(引药)受热爆炸(即电热处通电发热引爆炸药) 点火剂引爆时，迅速产生大量热量，使充气剂(叠氮化钠固体药片)受热分解并释放出大量氦气充入气囊，气囊便冲开气囊组件上的装饰盖板鼓向驾驶员和乘员；使驾驶员和乘员面部和胸部压靠在充满气体的气囊上，在人体与车内构件之间铺垫一个气垫，将人体与车内构件之间的碰撞变为弹性碰撞。通过气囊产生变形和排气节流来吸收人体碰撞产生的动能，从而达到保护人体之目的。

但需要注意的是在下列条件之一的情况下，安全气囊系统不会引爆点火剂，也不会给安全气囊充气：

1) 汽车遭受侧面碰撞超过斜前方30°角时；

2) 汽车遭受横向碰撞时；

3) 汽车遭受后方碰撞时；

4) 汽车发生绕纵向轴线侧翻时；

5) 纵向减速度未达到设定阈值时：

6) 汽车正常行驶、正常制动或在路面不平的道路上行驶时。

3. 汽车夜视系统

夜视系统是全天候的电子眼，通过一个起摄影作用的传感器来探测前方物体热量，再集中可以通过各种红外线波长的探测器上，后将辐射依次变换为电信号和数字信号，转换成图像显示给驾驶者，使其视力范围达到近光灯照射距离的3

到5倍，大大提高了汽车行驶的安全性。

4、碰撞警示和预防系统

该系统有多种形式，有的在汽车行驶中，当两车的距离小到安全距离时，即自动报警，若继续行驶，则会在即将相撞的瞬间，自动控制汽车制动器将汽车停住；有的是在汽车倒车时，显示车后障碍物的距离，有效地防止倒车事故发生。

5、轮胎压力监测系统

轮胎压力监测系统通过连续地监测轮胎的压力、温度和车轮转速，能够自动地为驾驶员发出警告，以保持适宜的轮压，可以减小轮胎的磨损、降低油耗、保证汽车的行驶稳定和安全性。

6、自动调节座椅系统

该装置通过传感器感知乘坐人员的体态，并使座椅状态与之相适应，满足乘客的舒适性要求。是人体工程技术与电子控制技术相结合的产物。

2.2.4 信息通讯系统

信息通讯系统包括汽车导航与定位系统、语音系统、信息系统、通信系统等。

1.汽车导航系统与定位系统（NTIS）

汽车导航系统被认为是汽车的“大脑”，因为它的智能与方便，让许多使用过的人都感到爱不释手。功能的进化是飞速的，包括数据的储存，从DVD 到移动硬盘的更新换代。众多的元件被应用于汽车导航系统。该系统可在城市或公路网范围内，定向选择最佳行驶路线，并能在屏幕上显示地图，表示汽车行驶中的位置，以及到达目的地的方向和距离。这实质是汽车行驶向智能化发展的方向，再进一步就可成为无人驾驶汽车。

2.语音系统（VS）

该系统包括语音报警和语音控制两类。语音报警是在汽车出现不正常情况，如燃油温度、冷却液温度、油压、充电、尾灯、前照灯、排气温度、制动液量、手制动、车门未关严等出现不正常现象或自诊断系统测出有故障时，计算机经过逻辑判断后输出信息至扬声器或警示器报警。语音控制是用驾驶员的声音来指挥和控制汽车的某个部件、设备进行动作。 3.信息系统（IS） 该系统可将发动机的工况和其它信息参数，通过微处理机处理后，输出对驾驶员有用的信息。显示的信息除冷却液温度、油压、车速、发动机转速等常见的内容外，还有瞬时耗油量、平均耗油量、平均车速、行驶里程、车外温度等，根据驾驶员的需要，可随时调出显示这些信息。

3.通讯系统（CS）

这方面真正使用且采用最多的是汽车电话，在美国、日本、欧洲等发达国家较普及，目前的水平在不断地提高，除车与路之间，车与车之间，车与飞机等交通工具之间的通话外，还可通过卫星与国际电话网相联，实现行驶过程中的国际间电话通信，实现网络信息交换，图像传输等。现在汽车由于有了支持无线电话网络、宽带数字信号、互联网络以及其它新兴的无线通信技术，使人们能够随时随地获取信息和服务

。

3.结论

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奖变成通过高速容错通信总线与高性能CPU相连的电气系统，如汽车将采用电气马达和电控信号来实现线控驾驶，线控制动、线控油门和电控悬架等，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。

自20世纪70年代以来，汽车工业的飞速发展都是在电子技术的推动下实现的，而未来几年内的汽车领域的技术革新将有70%来自于电子技术的进步。可见，电子技术在未来汽车工业中所起到的作用是不可替代的。对于我国汽车工业来说，汽车电子产业仍处于初期阶段，因此，必须正确把握未来汽车电子技术发展方向，加快相关技术的研究与开发工作，以便形成自己的优势，实现民族汽车产业的快速崛起。

参考文献

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