汽車電子控制技術的應用與發(fā)展趨勢

一、概述

近年來，隨著電子技術、計算機技術和信息技術的應用，汽車電子控制技術得到了迅猛的發(fā)展，尤其在控制精度、控制范圍、智能化和網(wǎng)絡化等多方面有了較大突破。汽車電子控制技術已成為衡量現(xiàn)代汽車發(fā)展水平的重要標志。

汽車電子控制系統(tǒng)基本由傳感器、電子控制器(ECU)、驅(qū)動器和控制程序軟件等部分組成，與車上的機械系統(tǒng)配合使用(通常與動力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)和車身系統(tǒng)中的子系統(tǒng)融合)，并利用電纜或無線電波互相傳輸訊息，即所謂的“機電整合”，如電子燃油噴射系統(tǒng)、制動防抱死控制系統(tǒng)、防滑控制系統(tǒng)、電子控制懸架系統(tǒng)、電子控制自動變速器、電子助力轉(zhuǎn)向等。汽車電子控制系統(tǒng)大體可分為四個部分：發(fā)動機電子控制系統(tǒng)，底盤綜合控制系統(tǒng)，車身電子安全系統(tǒng)，信息通訊系統(tǒng)。其中，前兩種系統(tǒng)與汽車的行駛性能有直接關系。

二、電子控制技術的應用

(一)發(fā)動機電子控制系統(tǒng)

發(fā)動機電子控制系統(tǒng)(EECS)是通過對發(fā)動機點火、噴油、空氣與燃油的比率、排放廢氣等進行電子控制，使發(fā)動機在最佳工況狀態(tài)下工作，以達到提高其整車性能、節(jié)約能源、降低廢氣排放的目的。

1.電控點火裝置(ESA)

電控點火裝置由微處理機、傳感器及其接口、執(zhí)行器等構成。該裝置根據(jù)傳感器測得的發(fā)動機參數(shù)進行運算、判斷，然后進行點火時刻的調(diào)節(jié)，可使發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速和進氣量等條件下，保證在最佳點火提前角下工作，使發(fā)動機輸出最大的功率和轉(zhuǎn)矩，降低油耗和排放，節(jié)約燃料，減少空氣污染。

2.電控燃油噴射(EFI)

控燃油噴射裝置因其性能優(yōu)越而逐漸取代了機械式或機電混合式燃油噴射系統(tǒng)。當發(fā)動機工作時，該裝置根據(jù)各傳感器測得的空氣流量、進氣溫度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及工作溫度等參數(shù)，按預先編制的程序進行運算后與內(nèi)存中預先存儲的最佳工況時的供油控制參數(shù)進行比較和判斷，適時調(diào)整供油量，保證發(fā)動機始終在最佳狀態(tài)下工作，使其在輸出一定功率的條件下，發(fā)動機的綜合性能得到提高。

3.廢氣再循環(huán)控制(EGR)

廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)是目前用于降低廢氣中氧化氮排放的一種有效措施。其主要執(zhí)行元件是數(shù)控式EGR閥，作用是獨立地對再循環(huán)到發(fā)動機的廢氣量進行準確的控制。ECU根據(jù)發(fā)動機的工況適時地調(diào)節(jié)參與再循環(huán)廢氣的循環(huán)率，發(fā)動機在負荷下運轉(zhuǎn)時，EGR閥開啟，將一部分排氣引入進氣管與新混合氣混合后進入氣缸燃燒，從而實現(xiàn)再循環(huán)，并對送入進氣系統(tǒng)的排氣進行最佳的控制，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)，將會影響混合氣的點火性能，從而影響發(fā)動機的動力性，特別是在發(fā)動機怠速、低速、小負荷及冷機時，再循環(huán)的廢氣會明顯地影響發(fā)動機性能。

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氣流量的方法來實現(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轉(zhuǎn)速與發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速進行比較，根據(jù)比較得出的差值，確定相當于目標轉(zhuǎn)速的控制量，去驅(qū)動控制空氣量的執(zhí)行機構，使怠速轉(zhuǎn)速保持在最佳狀態(tài)附近。

除以上控制裝置外，發(fā)動機部分利用電子技術的還有：節(jié)氣門正時、二次空氣噴射、發(fā)動機增壓、油汽蒸發(fā)、燒室的容積、壓縮比等方面，并已在部分車型上得到了應用。

(二)底盤綜合控制系統(tǒng)

底盤綜合控制系統(tǒng)包括電控自動變速器、防抱死制動系統(tǒng)(ABS)與驅(qū)動防滑系統(tǒng)(ASR)、電子轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)(EPS)、自適應懸掛系統(tǒng)(ASS)、巡行控制系統(tǒng)(CCS)等。

1.電控自動變速器(ECAT)

一般來說，汽車驅(qū)動輪所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，與發(fā)動機所能提供的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩有較大差別，因而需要傳動系統(tǒng)來改變從發(fā)動機到驅(qū)動輪之間的傳動比，將發(fā)動機的動力傳至驅(qū)動輪，以便能夠適應外界負載與道路條件變化的需要。此外，停車、倒車等也靠傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)，適時地協(xié)調(diào)發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的工作狀況，充分地發(fā)揮動力傳動系統(tǒng)的潛力，使其達到最佳的匹配，這是變速控制系統(tǒng)的根本任務。ECAT可以根據(jù)發(fā)動機的載荷、轉(zhuǎn)速、車速、制動器工作狀態(tài)及駕駛員所控制的各種參數(shù)，經(jīng)計算、判斷后自動地改變變速桿的位置，按照換檔特性精確地控制變速比，從而實現(xiàn)變速器換擋的最佳控制，得到最佳擋位和最佳換擋時間。該裝置具有傳動效率高、低油耗、換檔舒適性好、行駛平穩(wěn)性好以及變速器使用壽命長等優(yōu)點。采用電子技術特別是微電子技術控制變速系統(tǒng)，已經(jīng)成為當前汽車實現(xiàn)自動變速功能的主要方法。

2.防抱死制動系統(tǒng)(ABS)與驅(qū)動防滑系統(tǒng)(ASR)

汽車防抱死制動系統(tǒng)可以感知制動輪每一瞬時的運動狀態(tài)，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，從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(shù)和較大的側(cè)向附著系數(shù)，以保證車輛制動時不發(fā)生抱死拖滑、失去轉(zhuǎn)向能力等不安全的因素，可使汽車在制動時維持方向穩(wěn)定性和縮短制動距離，有效地提高了行車的安全性。它是應用在汽車安全上的最有價值的一項應用。

汽車制動防抱死系統(tǒng)的功能完善和擴展則是驅(qū)動防滑系統(tǒng)(ASR)，兩系統(tǒng)有許多共同組件。該系統(tǒng)利用驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)速傳感器感受驅(qū)動輪是否打滑，當打滑時，控制元件便通過制動或通過油門降低轉(zhuǎn)速，使之不再打滑。它實質(zhì)上是一種速度調(diào)節(jié)器，可以在起步和彎道中速度發(fā)生急劇變化時，改善車輪與路面間的縱向附著力，提供最大的驅(qū)動力，提高其安全性，維持汽車行駛的方向穩(wěn)定性。

3.電子轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)(EPS)

電子轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)采用電動機與電子控制技術對轉(zhuǎn)向進行控制，利用電動機產(chǎn)生的動力協(xié)助駕車者進行動力轉(zhuǎn)向，系統(tǒng)不直接消耗發(fā)動機的動力。EPS一般是由轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)向)傳感器、電子控制單元、電動機、減速器、機械轉(zhuǎn)向器以及蓄電池電源等構成。汽車在轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)向)傳感器會感知轉(zhuǎn)向盤的力矩和擬轉(zhuǎn)動的方向，這些信號會通過數(shù)據(jù)總線發(fā)給電控單元，電控單元會根據(jù)傳動力矩、擬轉(zhuǎn)的方向等數(shù)據(jù)信號，向電動機控制器發(fā)出動作指令，電動機就會根據(jù)具體的需要輸出相應大小的轉(zhuǎn)動力矩，從而產(chǎn)生了助力轉(zhuǎn)向。如果不轉(zhuǎn)向，則本套系統(tǒng)就不工作，處于待調(diào)用狀態(tài)。電子轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)提高了汽車的轉(zhuǎn)向能力和轉(zhuǎn)向響應特性，增加了汽車低速時的機動性以及調(diào)整行駛時的穩(wěn)定性。目前國內(nèi)中高檔轎車應用助力轉(zhuǎn)向較多。

4.自適應懸掛系統(tǒng)(ASS)

自適應懸掛系統(tǒng)能根據(jù)懸掛裝置的瞬時負荷，自動、適時地調(diào)整懸掛的阻尼特性及懸架彈簧的剛度，以適應瞬時負荷，保持懸掛的既定高度，極大地提高了車輛行駛的穩(wěn)定性、操縱性和乘坐的舒適性。

5.巡行控制系統(tǒng)(CCS)

巡航控制(Cruise Control)又稱恒速行駛系統(tǒng)是讓駕駛員無需操作油門踏板就能保證汽車以某一固定的預選車速行駛的控制系統(tǒng)。在長途行駛時，可采用巡行控制系統(tǒng)，駕駛員不必經(jīng)常踏油門，恒速行駛裝置將根據(jù)行車阻力自動調(diào)整節(jié)氣門開度以調(diào)整車速在恒速狀態(tài)附近。若遇爬坡，車速有下降趨勢，微機控制系統(tǒng)則自動加大節(jié)氣門開度;在下坡時，又自動關小節(jié)氣門開度，以調(diào)節(jié)發(fā)動機功率達到一定的轉(zhuǎn)速。當駕駛員換低速擋或制動時，這種控制系統(tǒng)則會自動斷開。該系統(tǒng)可以減輕駕駛員長途駕駛之疲勞，給駕駛帶來了很大的方便，同時也可以得到較好的燃油經(jīng)濟性。

(三)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)的電子設備，主要有自適應前照燈系統(tǒng)、汽車夜視系統(tǒng)、安全氣囊、碰撞警示與預防系統(tǒng)、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)、自動調(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。

1.自適應前照燈系統(tǒng)(AFS)

自適應前照燈系統(tǒng)可在前照燈照明范圍內(nèi)，根據(jù)車身的動態(tài)變化、轉(zhuǎn)向機構的動作特性等綜合因素進行計算和判斷，從而判定汽車當前的行駛狀態(tài)并對前照燈近光進行相應的調(diào)整，并能在會車時自動啟閉和防眩。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)彎處的實際路況，使駕駛者能夠擁有充分的時間進行轉(zhuǎn)向操縱和應付緊急情況，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“自適應性前照燈系統(tǒng)。

2.汽車夜視系統(tǒng)(N VS)

夜視系統(tǒng)是全天候的電子眼，延伸了駕駛員的視力范圍，使其視力范圍達到近光燈照射距離的3到5倍，且能幫助駕駛員看到遠處來車的燈光，在雨雪、濃霧天氣公路上的物體也能盡收眼底，大大提高了汽車行駛的安全性。車載夜視系統(tǒng)是根據(jù)紅外成像原理工作的，屬被動式紅外成像技術。該系統(tǒng)本身不發(fā)出任何信號，而是通過一個起攝影作用的傳感器來探測前方物體熱量，熱能被集中到一個可以通過各種紅外線波長的探測器，被探測器的紅外線敏感元件(與溫度有關的電容器，其電容大小隨所接收紅外線的多少而變化)吸收，而后將輻射依次變換為電信號和數(shù)字信號，再通過眼前顯示(HUD)或車內(nèi)顯示屏將圖像顯示給駕駛者。目前，越來越多的汽車廠家開始開發(fā)和使用車載夜視系統(tǒng)，但由于價格原因，國外各大汽車生產(chǎn)廠家只是在其頂級豪華車型中使用了該系統(tǒng)，像悍馬H2SUT、寶馬七系列轎車、奔馳全新S級轎車、卡迪拉克帝威等。隨著科技的發(fā)展和夜視系統(tǒng)生產(chǎn)成本的降低，車載夜視系統(tǒng)將會得到全面普及。

3.安全氣囊(SRS)

該系統(tǒng)是國內(nèi)外汽車上一種常見的被動安全裝置。在車輛相撞時，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箱后邊也安裝)等處氣囊中的滲氮物，迅速燃燒產(chǎn)生氮氣，瞬間充滿氣囊。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。

4.碰撞警示和預防系統(tǒng)(CWAS)

該系統(tǒng)有多種形式，有的在汽車行駛中，當兩車的距離小到安全距離時，即自動報警，若繼續(xù)行駛，則會在即將相撞的瞬間，自動控制汽車制動器將汽車停住;有的是在汽車倒車時，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)(TPWS)

汽車輪胎內(nèi)充氣壓力的高低，直接影響到整車行駛的舒適性和安全性。如果保持適宜的輪壓，則可以減小輪胎的磨損、降低油耗、防止因輪壓不足而引起的輪胎損壞，并能保證汽車的行駛穩(wěn)定和安全性。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，能夠自動地為駕駛員發(fā)出警告。

6.自動調(diào)節(jié)座椅系統(tǒng)(AAS)

該裝置是人體工程技術與電子控制技術相結(jié)合的產(chǎn)物，它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，滿足乘客的舒適性要求。

除以上控制系統(tǒng)外，安全帶控制系統(tǒng)、疲勞監(jiān)視系統(tǒng)、自動雨刷系統(tǒng)、智能性型后視等系統(tǒng)在一些車型上也已得到應用。

(四)信息通訊系統(tǒng)

信息通訊系統(tǒng)包括汽車導航與定位系統(tǒng)、語音系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。

1.汽車導航系統(tǒng)與定位系統(tǒng)(NTIS)

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，以及到達目的地的方向和距離。這實質(zhì)是汽車行駛向智能化發(fā)展的方向，再進一步就可成為無人駕駛汽車。

2.語音系統(tǒng)(VS)

該系統(tǒng)包括語音報警和語音控制兩類。語音報警是在汽車出現(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、制動液量、手制動、車門未關嚴等出現(xiàn)不正?，F(xiàn)象或自診斷系統(tǒng)測出有故障時，計算機經(jīng)過邏輯判斷后輸出信息至揚聲器或警示器報警。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.信息系統(tǒng)(IS)

該系統(tǒng)可將發(fā)動機的工況和其它信息參數(shù)，通過微處理機處理后，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)動機轉(zhuǎn)速等常見的內(nèi)容外，還有瞬時耗油量、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，可隨時調(diào)出顯示這些信息。

4.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)達國家較普及，目前的水平在不斷地提高，除車與路之間，車與車之間，車與飛機等交通工具之間的通話外，還可通過衛(wèi)星與國際電話網(wǎng)相聯(lián)，實現(xiàn)行駛過程中的國際間電話通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡信息交換，圖像傳輸?shù)取，F(xiàn)在汽車由于有了支持無線電話網(wǎng)絡、寬帶數(shù)字信號、互聯(lián)網(wǎng)絡以及其它新興的無線通信技術，使人們能夠隨時隨地獲取信息和服務。

三、汽車電子技術應用的發(fā)展趨勢

隨著集成控制技術、計算機技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，汽車電子技術已明顯向集成化、智能化和網(wǎng)絡化三個主要方向發(fā)展。

(一)集成化

近年來嵌入式系統(tǒng)、局域網(wǎng)控制和數(shù)據(jù)總線技術的成熟，使汽車電子控制系統(tǒng)的集成成為汽車技術發(fā)展的必然趨勢。將發(fā)動機管理系統(tǒng)和自動變速器控制系統(tǒng)，集成為動力傳動系統(tǒng)的綜合控制;將制動防抱死控制系統(tǒng)、牽引力控制系統(tǒng)和驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)綜合在一起進行制動控制;通過中央底盤控制器，將制動、懸架、轉(zhuǎn)向、動力傳動等控制系統(tǒng)通過總線進行連接，控制器通過復雜的控制運算，對各子系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)，將車輛行駛性能控制到最佳水平，形成一體化底盤控制系統(tǒng)。

(二)智能化

智能化傳感技術和計算機技術的發(fā)展，加快了汽車的智能化進程。汽車智能化相關的技術問題已受到汽車制造商的高度重視。其主要技術中“自動駕駛儀”的構想必將依賴于電子技術實現(xiàn)。智能交通系統(tǒng)(ITS)的開發(fā)將與電子、衛(wèi)星定位等多個交叉學科相結(jié)合，它能根據(jù)駕駛員提供的目標資料，向駕駛員提供距離最短而且能繞開車輛密度相對集中處的最佳行駛路線。它裝有電子地圖，可以顯示出前方道路、并采用衛(wèi)星導航。從全球定位衛(wèi)星獲取沿途天氣、車流量、交通事故、交通堵塞等各種情況，自動篩選 出最佳行車路線。

(三)網(wǎng)絡化

隨著電控器件在汽車上越來越多的應用，車載電子設備間的數(shù)據(jù)通信變得越來越重要。以分布式控制系統(tǒng)為基礎構造汽車車載電子網(wǎng)絡系統(tǒng)是十分必要的。大量數(shù)據(jù)的快速交換、高可靠性及低成本是對汽車電子網(wǎng)絡系統(tǒng)的要求。在該系統(tǒng)中，各子處理機獨立運行，控制改善汽車某一方面的性能，同時在其它處理機需要時提供數(shù)據(jù)服務。主處理機收集整理各子處理機的數(shù)據(jù)，并生成車況顯示。