汽車電子在汽車上的應(yīng)用

汽車電子在汽車上的應(yīng)用1．引言

1.1

課題提出的背景和意義

近年來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的應(yīng)用，汽車電子控制技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，汽車結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與性能的不斷提高，汽車上裝用的傳統(tǒng)電氣設(shè)備正面臨著巨大的沖擊。汽車電子控制技術(shù)是汽車的重要組成部分，其性能的好壞直接影響到汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性、排氣凈化及舒適性。

例如：為使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)獲得最高的經(jīng)濟(jì)性，需靠點(diǎn)火系統(tǒng)才能在最適當(dāng)?shù)臅r(shí)間點(diǎn)火；為使汽車在制動(dòng)過程中有良好的操縱性能，需采用電子控制防抱死制動(dòng)裝置；為保證汽車工作可靠、行駛安全，則有賴于各種其他電子控制系統(tǒng)的正常工作。

由于人們對汽車節(jié)能、安全、舒適、便捷和豪華的追求，對汽車的性能提出了更高的要求。使用了大量的傳感器、微處理器等電子元件，尤其在近年來，微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的巨大進(jìn)步，將先進(jìn)的電子技術(shù)知識(shí)與傳統(tǒng)的機(jī)械相結(jié)合，使得汽車的環(huán)保、節(jié)能、安全、舒適、便捷和智能化等方面有了很大的進(jìn)步。如今的汽車已經(jīng)成為了集微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)一體的自動(dòng)系統(tǒng)。其中汽車電子化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的程度是衡量現(xiàn)代汽車水平的重要標(biāo)志，是用來開發(fā)新車型，改進(jìn)汽車性能最重要的技術(shù)措施。

現(xiàn)在人們駕駛汽車的時(shí)候，相信都會(huì)一眼就發(fā)現(xiàn)車上增加了很多諸如油耗顯示、ABS、ASR、EBA、ESP、安全氣囊、側(cè)氣簾、車內(nèi)溫濕度控制、CD/DVD播放機(jī)、GPS導(dǎo)航儀、電動(dòng)門窗、電動(dòng)后視鏡、電動(dòng)座椅記憶調(diào)節(jié)、LED車燈、自適應(yīng)巡航，以及其他很多以前只在軍用、航空上使用，而價(jià)格只是現(xiàn)在民用消費(fèi)類水平的汽車電子產(chǎn)品。電子產(chǎn)品目前在整車成本中所占比例普遍為23%～30％，在高檔豪華轎車上更是占到50％～60%。今后汽車的發(fā)展將更多地由汽車電子技術(shù)驅(qū)動(dòng)，可能人們駕駛汽車的感覺就像在操作一臺(tái)復(fù)雜的電子設(shè)備。這，就是與人們的生活息息相關(guān)的汽車電子1.2我國汽車電子發(fā)展現(xiàn)狀目前汽車，特別是轎車上的電子零部件，包括\o"控制"控制、驅(qū)動(dòng)、安全、顯示、通信、娛樂等各種設(shè)備，占汽車總成本的1/3甚至更多，\o"汽車電子"汽車電子技術(shù)涉及軟件、計(jì)算機(jī)、電子控制、系統(tǒng)集成、通信、消費(fèi)類電子等諸多領(lǐng)域。汽車上70％的革新來源于汽車電子，半導(dǎo)體器件的大量應(yīng)用是汽車革新的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來汽車電子技術(shù)取得了前所未有的成就和空前的市場規(guī)模，成為市場關(guān)注的焦點(diǎn)。從1989年到現(xiàn)在，平均每輛車上安裝的電子裝置在整個(gè)汽車制造成本中所占的比例由16%增至30%以上。在一些豪華轎車上，使用單片微型計(jì)算機(jī)的數(shù)量已達(dá)到48個(gè)，電子產(chǎn)品則占到整車成本的50％～60%。汽車中傳統(tǒng)產(chǎn)品升級很慢，而電子產(chǎn)品5年基本就要升級，今后汽車升級主要就是由電子技術(shù)驅(qū)動(dòng)，70%的汽車創(chuàng)新來源于汽車電子。同時(shí)，汽車市場競爭激烈，汽車廠商除了降價(jià)以外，增配是最有效的競爭手段，而增配過程中，汽車電子的配備率將大幅度提升。據(jù)iSuppli預(yù)測，在政府刺激措施、在國內(nèi)拓展新的市場以及轎車功能更加先進(jìn)等因素的推動(dòng)下，中國汽車電子市場預(yù)計(jì)將在2012年超過美國。屆時(shí)中國汽車電子銷售額將從2009年的160億美元增長到206億美元。而2012年美國汽車電子市場將為205億美元1.3汽車電子控制技術(shù)應(yīng)用概況就最近20年汽車電子技術(shù)的發(fā)展過程而論，日益激烈的世界汽車市場的競爭，以及排放、節(jié)油和安全性方面的挑戰(zhàn)成為當(dāng)代汽車技術(shù)革命巨大的動(dòng)力。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)越來越多地應(yīng)用于汽車上，各種車用電控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，許多新技術(shù)、新設(shè)備也層出不窮。目前在汽車上已經(jīng)使用的電子裝置品種已發(fā)展到了幾十種，它們由品種繁多的傳感器、電子控制單元(ECU)、微處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示器和設(shè)計(jì)軟件集合而成，完成了極為復(fù)雜的多元控制過程，以改進(jìn)汽車技術(shù)性能來滿足現(xiàn)行法規(guī)的要求。目前，國外汽車上應(yīng)用較多、較為成熟的電子控制裝置大致可分為四個(gè)方面：1.儀表通信儀表通信類的應(yīng)用主要有電子鐘、電子油耗表、電子溫度計(jì)、電子車速里程表、電子轉(zhuǎn)速表、旅程計(jì)算器、燃料消耗計(jì)、電子定時(shí)、電子化圖示儀表盤、電話及其通信裝置、各種報(bào)警(燈絲切斷，排氣溫度，水面，液面，未關(guān)門，未系安全帶等)。儀表通信類即將采用的新技術(shù)主要有大型電子化薄式儀表盤、多路信息傳輸、光纖通信傳輸、慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、屏幕顯示街道圖及交通阻塞狀況圖、多功能綜合屏幕顯示等。2.發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系已經(jīng)采用的技術(shù)主要有交流發(fā)電機(jī)的整流及集成調(diào)節(jié)器、電子點(diǎn)火(全晶體管式，集成式，無觸點(diǎn)分電器式，一體化點(diǎn)火線圈式)、點(diǎn)火正時(shí)控制、廢氣再循環(huán)控制(氧傳感器)、燃油噴射電子控制、電子控制化油器、柴油機(jī)最佳參數(shù)電子控制(噴射，進(jìn)氣，正時(shí)等)、發(fā)動(dòng)機(jī)最佳參數(shù)電子控制(空燃比，點(diǎn)火，廢氣再循環(huán)，怠速，爆燃控制，噴射控制等)、車速自動(dòng)控制、柴油機(jī)啟動(dòng)控制、增壓器自動(dòng)控制、變速器電子控制、離合器電子控制、卻系電子控制、冷啟動(dòng)控制、換擋提示器、發(fā)動(dòng)機(jī)停缸控制、車速感應(yīng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置等。主要執(zhí)行元件是數(shù)控式EGR閥，作用是獨(dú)立地對再循環(huán)到發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣量進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況適時(shí)地調(diào)節(jié)參與再循環(huán)廢氣的循環(huán)率，發(fā)動(dòng)機(jī)在負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，EGR閥開啟，將一部分排氣引入進(jìn)氣管與新混合氣混合后進(jìn)入氣缸燃燒，從而實(shí)現(xiàn)再循環(huán)，并對送入進(jìn)氣系統(tǒng)的排氣進(jìn)行最佳的控制，從而抑制有害氣體氧化氮的生成，降低其在廢氣中的排出量。但過度的廢氣參與再循環(huán)，將會(huì)影響混合氣的點(diǎn)火性能，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、低速、小負(fù)荷及冷機(jī)時(shí)，再循環(huán)的廢氣會(huì)明顯地影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。4.怠速控制（ISC）怠速控制系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)空氣通道面積以控制進(jìn)氣流量的方法來實(shí)現(xiàn)的。主要執(zhí)行元件是怠速控制閥（ISC）。ECU根據(jù)從各傳感器的輸入信號所決定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，根據(jù)比較得出的差值，確定相當(dāng)于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制量，去驅(qū)動(dòng)控制空氣量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使怠速轉(zhuǎn)速保持在最佳狀態(tài)附近。5、增壓電控系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)中增壓系統(tǒng)的安裝目的是為了提高進(jìn)氣效率。電控增壓系統(tǒng)的研制開發(fā)使增壓技術(shù)又跨上了一個(gè)新臺(tái)階。目前，應(yīng)用較普遍的是電控廢氣渦輪增壓系統(tǒng)。

增壓技術(shù)所帶來的一個(gè)不可忽視的負(fù)面影響就是燃燒爆震傾向增加了，為此，專門用爆震傳感器對點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制（即爆震控制）。

6、故障自診斷系統(tǒng)

現(xiàn)代轎車發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的ECU中的故障自診斷系統(tǒng)，可自行監(jiān)測、診斷發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)各部分的故障。當(dāng)各控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，儀表板上的故障指示燈閃爍報(bào)警，同時(shí)將故障信息以代碼的形式保存在微機(jī)的存儲(chǔ)器中，維修時(shí)可以通過故障指示燈間斷閃爍來顯示，也可以通過專用的檢測儀器以數(shù)字的形式顯示故障代碼，通過手冊可查出故障原因。

7、故障保險(xiǎn)系統(tǒng)及故障備用控制系統(tǒng)

當(dāng)自診斷系統(tǒng)檢測出傳感器及其電路故障后，ECU中的故障保險(xiǎn)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，用程序設(shè)定的數(shù)據(jù)取代故障部分輸入的非正常信號直接控制。而當(dāng)微機(jī)或主要傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，ECU立即將主控權(quán)由微機(jī)切換至故障備用系統(tǒng)中，由其代替微機(jī)工作，保證轎車“緩慢回家”以便修理。

9、進(jìn)氣渦流電控系統(tǒng)

電控進(jìn)氣渦流技術(shù)在某些轎車（特別是采用稀燃技術(shù)的轎車）上應(yīng)用較多。其結(jié)構(gòu)是在進(jìn)氣口附近增設(shè)一渦流控制閥，通過ECU采集轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、冷卻水溫等信號，并加以處理后控制其旋轉(zhuǎn)角度，引導(dǎo)氣流偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生渦流，調(diào)節(jié)渦流比，實(shí)現(xiàn)渦流控制，促進(jìn)汽油蒸發(fā)以及與空氣的均勻混合，提高燃燒效率。

10、可變進(jìn)氣控制系統(tǒng)

可變進(jìn)氣控制系統(tǒng)從增加進(jìn)氣量、提高進(jìn)氣效率的角度出發(fā)提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。有兩種類型：可變流通面積控制方式通過ECU控制安裝在進(jìn)氣管道中的控制閥的旋轉(zhuǎn)角度來改變其進(jìn)氣流通截面，滿足不同工況對進(jìn)氣量的需求；可變流通長度控制方式由ECU控制進(jìn)氣管道中的控制閥來調(diào)整進(jìn)氣管的長度。

11、進(jìn)氣溫度預(yù)熱控制系統(tǒng)

進(jìn)氣溫度預(yù)熱控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)低溫起動(dòng)時(shí)的進(jìn)氣溫度來促進(jìn)汽油蒸發(fā)，改善排放性能。預(yù)熱方式主要有排氣管預(yù)熱、水溫預(yù)熱和正溫度元件（PTC）預(yù)熱3種型式。

12、燃油蒸發(fā)電控系統(tǒng)

廣泛應(yīng)用的是活性炭罐蒸發(fā)電控裝置。停車期間，利用活性炭罐吸收汽油蒸氣，防止向大氣擴(kuò)散；發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行后，ECU控制活性炭罐與進(jìn)氣管之間的導(dǎo)通，利用進(jìn)氣真空度將活性炭罐中吸附的汽油蒸氣吸入進(jìn)氣管，這樣可有效防止汽油蒸氣的外逸，降低HC的排放污染。

13、曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)電控系統(tǒng)

曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)電控系統(tǒng)由ECU根據(jù)節(jié)氣門位置信號、轉(zhuǎn)速信號等控制強(qiáng)制通風(fēng)閥，從而實(shí)現(xiàn)曲軸箱內(nèi)氣體與進(jìn)氣管之間的導(dǎo)通，將氣缸中經(jīng)活塞環(huán)間隙滲入曲軸箱內(nèi)的氣體再次循環(huán)進(jìn)入進(jìn)氣管中，以減少該部分氣體直接排向大氣造成的污染。

14、二次空氣噴射系統(tǒng)

二次空氣噴射由ECU控制二次空氣噴射氣道的導(dǎo)通，將空氣引入催化轉(zhuǎn)換器中，實(shí)現(xiàn)對NOx、CO、HC的轉(zhuǎn)變。目前與催化轉(zhuǎn)換器配合使用。隨著研究的深入，出現(xiàn)了許多新技術(shù)。如停缸控制可根據(jù)負(fù)荷的不同要求，停止部分氣缸的燃油供給與點(diǎn)火控制，減少浪費(fèi)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率；再如加速踏板電控系統(tǒng)，可避免機(jī)械式加速踏板因?yàn)槟p而產(chǎn)生的誤差，增加控制精度。

2.2.2車身電子安全系統(tǒng)車身電子安全系統(tǒng)包括車身系統(tǒng)內(nèi)的電子設(shè)備，主要有自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)、汽車夜視系統(tǒng)、安全氣囊、碰撞警示與預(yù)防系統(tǒng)、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)節(jié)座椅系統(tǒng)、安全帶控制系統(tǒng)等，提高了駕駛?cè)藛T和乘客乘坐的舒適和方便性。自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)可在前照燈照明范圍內(nèi)，根據(jù)車身的動(dòng)態(tài)變化、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)作特性等綜合因素進(jìn)行計(jì)算和判斷，從而判定汽車當(dāng)前的行駛狀態(tài)并對前照燈近光進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，并能在會(huì)車時(shí)自動(dòng)啟閉和防眩。它能夠有效地降低駕駛者在夜晚彎路上行車的疲勞程度，使駕駛者能夠看清轉(zhuǎn)彎處的實(shí)際路況，使駕駛者能夠擁有充分的時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱和應(yīng)付緊急情況，從而明顯提高夜晚彎路上行車的安全性。在日本，一些汽車商在其高檔轎車中已標(biāo)配AFS系統(tǒng)，如豐田汽車公司在獵犬上采用了可變式前燈“自適應(yīng)性前照燈系統(tǒng)。安全氣囊（SRS)該系統(tǒng)是國內(nèi)外汽車上一種常見的被動(dòng)安全裝置。在車輛相撞時(shí)，由電控元件用電流引爆安置在方向盤中央（有的在儀表盤板雜務(wù)箱后邊也安裝）等處氣囊中的滲氮物，迅速燃燒產(chǎn)生氮?dú)猓查g充滿氣囊。氣囊的作用是在駕駛員與方向盤之間、前座乘員與儀表板間形成一個(gè)緩沖軟墊，避免硬性撞擊而受傷。此裝置一定要與安全帶配合使用，否則效果大為降低。它的工作原理是：當(dāng)汽車遭受前方一定角度范圍內(nèi)的碰撞時(shí)，安裝在汽車前部和SRSECU內(nèi)部的碰撞傳感器都會(huì)檢測到汽車突然減速的信號，并將信號輸入SRSECU，以便判斷是否發(fā)生碰撞。當(dāng)汽車遭受碰撞且減速度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，SRSECU發(fā)出控制指令將氣囊組件中的點(diǎn)火器(電雷管)電路接通，電雷管引爆使點(diǎn)火劑(引藥)受熱爆炸(即電熱處通電發(fā)熱引爆炸藥)點(diǎn)火劑引爆時(shí)，迅速產(chǎn)生大量熱量，使充氣劑(疊氮化鈉固體藥片)受熱分解并釋放出大量氦氣充入氣囊，氣囊便沖開氣囊組件上的裝飾蓋板鼓向駕駛員和乘員；使駕駛員和乘員面部和胸部壓靠在充滿氣體的氣囊上，在人體與車內(nèi)構(gòu)件之間鋪墊一個(gè)氣墊，將人體與車內(nèi)構(gòu)件之間的碰撞變?yōu)閺椥耘鲎?。通過氣囊產(chǎn)生變形和排氣節(jié)流來吸收人體碰撞產(chǎn)生的動(dòng)能，從而達(dá)到保護(hù)人體之目的。但需要注意的是在下列條件之一的情況下，安全氣囊系統(tǒng)不會(huì)引爆點(diǎn)火劑，也不會(huì)給安全氣囊充氣：1)汽車遭受側(cè)面碰撞超過斜前方30°角時(shí)；2)汽車遭受橫向碰撞時(shí)；3)汽車遭受后方碰撞時(shí)；4)汽車發(fā)生繞縱向軸線側(cè)翻時(shí)；5)縱向減速度未達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)：6)汽車正常行駛、正常制動(dòng)或在路面不平的道路上行駛時(shí)。

3.汽車夜視系統(tǒng)

夜視系統(tǒng)是全天候的電子眼，通過一個(gè)起攝影作用的傳感器來探測前方物體熱量，再集中可以通過各種紅外線波長的探測器上，后將輻射依次變換為電信號和數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換成圖像顯示給駕駛者，使其視力范圍達(dá)到近光燈照射距離的3到5倍，大大提高了汽車行駛的安全性。4、碰撞警示和預(yù)防系統(tǒng)

該系統(tǒng)有多種形式，有的在汽車行駛中，當(dāng)兩車的距離小到安全距離時(shí)，即自動(dòng)報(bào)警，若繼續(xù)行駛，則會(huì)在即將相撞的瞬間，自動(dòng)控制汽車制動(dòng)器將汽車停??；有的是在汽車倒車時(shí)，顯示車后障礙物的距離，有效地防止倒車事故發(fā)生。

5、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)

輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)通過連續(xù)地監(jiān)測輪胎的壓力、溫度和車輪轉(zhuǎn)速，能夠自動(dòng)地為駕駛員發(fā)出警告，以保持適宜的輪壓，可以減小輪胎的磨損、降低油耗、保證汽車的行駛穩(wěn)定和安全性。

6、自動(dòng)調(diào)節(jié)座椅系統(tǒng)

該裝置通過傳感器感知乘坐人員的體態(tài)，并使座椅狀態(tài)與之相適應(yīng)，滿足乘客的舒適性要求。是人體工程技術(shù)與電子控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。2.2.4信息通訊系統(tǒng)信息通訊系統(tǒng)包括汽車導(dǎo)航與定位系統(tǒng)、語音系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。1.汽車導(dǎo)航系統(tǒng)與定位系統(tǒng)（NTIS）汽車導(dǎo)航系統(tǒng)被認(rèn)為是汽車的“大腦”，因?yàn)樗闹悄芘c方便，讓許多使用過的人都感到愛不釋手。功能的進(jìn)化是飛速的，包括數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，從DVD到移動(dòng)硬盤的更新?lián)Q代。眾多的元件被應(yīng)用于汽車導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在城市或公路網(wǎng)范圍內(nèi)，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(dá)目的地的方向和距離。這實(shí)質(zhì)是汽車行駛向智能化發(fā)展的方向，再進(jìn)一步就可成為無人駕駛汽車。2.語音系統(tǒng)（VS）該系統(tǒng)包括語音報(bào)警和語音控制兩類。語音報(bào)警是在汽車出現(xiàn)不正常情況，如燃油溫度、冷卻液溫度、油壓、充電、尾燈、前照燈、排氣溫度、制動(dòng)液量、手制動(dòng)、車門未關(guān)嚴(yán)等出現(xiàn)不正?，F(xiàn)象或自診斷系統(tǒng)測出有故障時(shí)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過邏輯判斷后輸出信息至揚(yáng)聲器或警示器報(bào)警。語音控制是用駕駛員的聲音來指揮和控制汽車的某個(gè)部件、設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作。3.信息系統(tǒng)（IS）該系統(tǒng)可將發(fā)動(dòng)機(jī)的工況和其它信息參數(shù)，通過微處理機(jī)處理后，輸出對駕駛員有用的信息。顯示的信息除冷卻液溫度、油壓、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等常見的內(nèi)容外，還有瞬時(shí)耗油量、平均耗油量、平均車速、行駛里程、車外溫度等，根據(jù)駕駛員的需要，可隨時(shí)調(diào)出顯示這些信息。3.通訊系統(tǒng)（CS）這方面真正使用且采用最多的是汽車電話，在美國、日本、歐洲等發(fā)