汽车电子控制技术的应用与发展趋势

汽车电子控制技术的应用与发展趋势作者：夏建满摘要：本文系统地介绍了汽车电子控制技术的应用及发展趋势。关键词：电子控制技术应用发展趋势TheapplicationanddevelopmenttrendofautoelectroniccontroltechniqueAbstract：Thispaperintroducedsystemicallytheapplicationanddevelopmenttrendofautoelectroniccontroltechnique.Keywords:ElectroniccontroltechniqueApplicationTrend1概述近年来，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，尤其在控制精度、控制范围、智能化和网络化等多方面有了较大突破。汽车电子控制技术已成为衡量现代汽车发展水平的重要标志。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，与车上的机械系统配合使用（通常与动力系统、底盘系统和车身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电子控制技术的应用2.1发动机电子控制系统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。2.1.1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。2.1.2电控燃油喷射(EFI)电控燃油喷射装置因其性能优越而逐渐取代了机械式或机电混合式燃油喷射系统。当发动机工作时，该装置根据各传感器测得的空气流量、进气温度、发动机转速及工作温度等参数，按预先编制的程序进行运算后与内存中预先存储的最佳工况时的供油控制参数进行比较和判断，适时调整供油量，保证发动机始终在最佳状态下工作，使其在输出一定功率的条件下，发动机的综合性能得到提高。2.1.3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。2.1.4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。除以上控制装置外，发动机部分利用电子技术的还有：节气门正时、二次空气喷射、发动机增压、油汽蒸发、烧室的容积、压缩比等方面，并已在部分车型上得到了应用。2.2底盘综合控制系统底盘综合控制系统包括电控自动变速器、防抱死制动系统（ABS）与驱动防滑系统（ASR）、电子转向助力系统(EPS)、自适应悬挂系统(ASS)、巡行控制系统（CCS）等。2.2.1电控自动变速器（ECAT）一般来说，汽车驱动轮所需的转速和转矩，与发动机所能提供的转速和转矩有较大差别，因而需要传动系统来改变从发动机到驱动轮之间的传动比，将发动机的动力传至驱动轮，以便能够适应外界负载与道路条件变化的需要。此外，停车、倒车等也靠传动系统来实现，适时地协调发动机与传动系统的工作状况，充分地发挥动力传动系统的潜力，使其达到最佳的匹配，这是变速控制系统的根本任务。ECAT可以根据发动机的载荷、转速、车速、制动器工作状态及驾驶员所控制的各种参数，经计算、判断后自动地改变变速杆的位置，按照换档特性精确地控制变速比，从而实现变速器换挡的最佳控制，得到最佳挡位和最佳换挡时间。该装置具有传动效率高、低油耗、换档舒适性好、行驶平稳性好以及变速器使用寿命长等优点。采用电子技术特别是微电子技术控制变速系统，已经成为当前汽车实现自动变速功能的主要方法。2.2.2防抱死制动系统（ABS）与驱动防滑系统（ASR）汽车防抱死制动系统可以感知制动轮每一瞬时的运动状态，通过控制防止汽车制动时车轮的抱死来保证车轮与地面达到最佳滑动率，从而使汽车在各种路面上制动时，车轮与地面都能达到纵向的峰值附着系数和较大的侧向附着系数，以保证车辆制动时不发生抱死拖滑、失去转向能力等不安全的因素，可使汽车在制动时维持方向稳定性和缩短制动距离，有效地提高了行车的安全性。它是应用在汽车安全上的最有价值的一项应用。汽车制动防抱死系统的功能完善和扩展则是驱动防滑系统（ASR），两系统有许多共同组件。该系统利用驱动轮上的转速传感器感受驱动轮是否打滑，当打滑时，控制元件便通过制动或通过油门降低转速，使之不再打滑。它实质上是一种速度调节器，可以在起步和弯道中速度发生急剧变化时，改善车轮与路面间的纵向附着力，提供最大的驱动力，提高其安全性，维持汽车行驶的方向稳定性。2.2.3电子转向助力系统(EPS)电子转向助力系统采用电动机与电子控制技术对转向进行控制，利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向，系统不直接消耗发动机的动力。EPS一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向器以及蓄电池电源等构成。汽车在转向时，转矩(转向)传感器会感知转向盘的力矩和拟转动的方向，这些信号会通过数据总线发给电控单元，电控单元会根据传动力矩、拟转的方向等数据信号，向电动机控制器发出动作指令，电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩，从而产生了助力转向。如果不转向，则本套系统就不工作，处于待调用状态。电子转向助力系统提高了汽车的转向能力和转向响应特性，增加了汽车低速时的机动性以及调整行驶时的稳定性。目前国内中高档轿车应用助力转向较多。2.2.4自适应悬挂系统(ASS)自适应悬挂系统能根据悬挂装置的瞬时负荷，自动、适时地调整悬挂的阻尼特性及悬架弹簧的刚度，以适应瞬时负荷，保持悬挂的既定高度，极大地提高了车辆行驶的稳定性、操纵性和乘坐的舒适性。2.2.5巡行控制系统（CCS）巡航控制(CruiseControl)又称恒速行驶系统是让驾驶员无需操作油门踏板就能保证汽车以某一固定的预选车速行驶的控制系统。在长途行驶时，可采用巡行控制系统，驾驶员不必经常踏油门，恒速行驶装置将根据行车阻力自动调整节气门开度以调整车速在恒速状态附近。若遇爬坡，车速有下降趋势，微机控制系统则自动加大节气门开度；在下坡时，又自动关小节气门开度，以调节发动机功率达到一定的转速。当驾驶员换低速挡或制动时，这种控制系统则会自动断开。该系统可以减轻驾驶员长途驾驶之疲劳，给驾驶带来了很大的方便，同时也可以得到较好的燃油经济性。2.3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。2.3.1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。2.3.2汽车夜视系统（NVS）夜视系统是全天候的电子眼，延伸了驾驶员的视力范围，使其视力范围达到近光灯照射距离的3到5倍，且能帮助驾驶员看到远处来车的灯光，在雨雪、浓雾天气公路上的物体也能尽收眼底，大大提高了汽车行驶的安全性。车载夜视系统是根据红外成像原理工作的，属被动式红外成像技术。该系统本身不发出任何信号，而是通过一个起摄影作用的传感器来探测前方物体热量，热能被集中到一个可以通过各种红外线波长的探测器，被探测器的红外线敏感元件（与温度有关的电容器，其电容大小随所接收红外线的多少而变化）吸收，而后将辐射依次变换为电信号和数字信号，再通过眼前显示（HUD）或车内显示屏将图像显示给驾驶者。目前，越来越多的汽车厂家开始开发和使用车载夜视系统，但由于价格原因，国外各大汽车生产厂家只是在其顶级豪华车型中使用了该系统，像悍马H2SUT、宝马七系列轿车、奔驰全新S级轿车、卡迪拉克帝威等。随着科技的发展和夜视系统生产成本的降低，车载夜视系统将会得到全面普及。2.3.3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。2.3.4碰撞警示和预防系统（CWAS）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。2.3.5轮胎压力监测系统（TPWS）汽车轮胎内充气压力的高低，直接影响到整车行驶的舒适性和安全性。如果保持适宜的轮压，则可以减小轮胎的磨损、降低油耗、防止因轮压不足而引起的轮胎损坏，并能保证汽车的行驶稳定和安全性。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。2.3.6自动调节座椅系统（AAS）该装置是人体工程技术与电子控制技术相结合的产物，它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。除以上控制系统外，安全带控制系统、疲劳监视系统、自动雨刷系统、智能性型后视等系统在一些车型上也已得到应用。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。2.4.1汽车导航系统与定位系统（NTIS）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。2.4.2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。2.4.3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