现代汽车中的电子技术

[汽车电子金典]现代汽车中的电子技术

摘要: 本文简要介绍了我国汽车发展的现状及规划，讨论了现代汽车中电子技术的发展趋势以及电力电子技术在现代汽车中的重要作用。介绍了汽车中的ECU，ABS和TCU的基本原理、结构。最后介绍了当今汽车的重要发展方向——混合动力汽车。

随着我国加入世贸组织，汽车工业既面临机遇又面临挑战，但总体而言机遇大于挑战。在本世纪初我国的汽车工业将以很高的速度向前发展。据有关资料介绍我国汽车工业产量的现状与规划如下：

2000年 200万辆（占全球产量3.3%）2005年 300万辆（占全球产量5%）2010年 600万辆（占全球产量10%）2015年 1000万辆

汽车工业的发展在带动钢铁工业发展的同时必将带动电子工业发展，特别是在现代汽车中电子/电器占汽车制造成本的比例越来越大，据国外一家公司（VDI）的分析和预测，电子/电器占汽车制造的成本从60年代起逐年增长。80年代后期，成本份额达到12%左右。主要是电子控制燃油喷射，电子发动机控制和电子变速器控制等。到了90年代增幅达到25%，其中主要是柴油喷射、导航装置等电子系统。随后，集成式汽车电子装备占汽车制造总成本的份额始终保持稳定增长的态势，预计到2010年可达到30%。

汽车中传统的电气及驱动系统如图1所示，图2为现代汽车中电气及驱动系统。汽车中最早的电器是电灯和发电机，1967年汽油电子喷射的出现，1979年发动机数字式电子装置的出现以及随后几年中许多其它电子装置的相继开发，诸如爆震转速调节、冷起动性能的改善、特性曲线控制等都是电子技术的应用成果。1986年人们终于采用了电子发动机控制和自动变速器控制，这为汽车技术的发展起到了极大的促进作用。发动机/传动系统电子技术--包括底盘（行走机构）和辅助装置的调节已从单独的控制器向复合、一体化的传动控制系统发展。单个的控制器可以通过CAN总线连接在一起相互交换数据，这种相互连接带来的好处是传感器信号可以供许多控制器同时使用，且所有控制器享有相同的信息。另一方面，通过此种连接可以在整个系统开发更新的功能，并降低系统的成本。如今，发动机大多数功能均能达到实时控制，使燃烧过程更佳，从而增大了功率和扭矩，降低了排放和燃料消耗。当然在一系列新功能的开发中也使得汽车用电增大，特别是电磁离合器、电磁制动器等的使用给电能调节带来了一定难度，这就需要高效率的发电机和高效率的电力电子变换器。

图1 传统汽车电气及驱动系统

图2 现代汽车电气及驱动系统

汽车电子技术是用来满足用户对汽车安全性、可靠性或实用性功能的期望和要求。就汽车制造商来说，关键是要通过技术创新将其发展的目标与用户的高要求一致起来，例如，BMW公司就较好地把其发展目标与用户的需求结合起来，他们不断完善汽车行驶的动力性，提高发动机的功率，塑造人机工程学，追求一流的质量，最大限度地去满足用户的要求。许多汽车制造商加大了电子技术科技创新的投入，通过新技术、新产品，不断改变和完善汽车功能。今天的电子技术已完全实现了靠机械、液压手段所不能达到的目标和要求，并正在为实现用户更高的期望和要求向前发展。汽车的自动化程度越高，汽车中的电力电子驱动和变换单元就越多，其控制单元就越复杂。汽车中电力电子驱动单元主要功能是电机驱动，线圈驱动和电磁离合器驱动。汽车中主要的控制单元是ECU，TCU和ABS等。除此之外具有广泛发展前景的混合动力汽车也与电力电子密切相关。

1 汽车上的电子控制单元ECU

ECU（Electronic Control Unit）由微机和外围电路组成。而微机就是在一块芯片上集成了微处理器（CPU），存储器和输入／输出接口的单元。ECU的主要部分是微机，而核心件是CPU。ECU将输入信号转化为数字形式，根据存储的参考数据进行对比加工，计算出输出值，输出信号再经功率驱动电路去控制若干个调节伺服元件，例如点火线圈和电子开关等。因此，ECU实际上是一个“电子控制单元”，它是由输入电路、微机和功率驱动电路等三部分组成。

输入电路接受传感器和其它装置输入的信号，对信号进行过滤处理和放大，然后转换成一定伏特的输入电平。从传感器送到ECU输入电路的信号既有模拟信号也有数字信号，输入电路中的模／数转换器可以将模拟信号转换为数字信号，然后传递给微机。微机将上述已经预处理过的信号进行运算处理，并将处理数据送至输出电路。输出电路将数字信息的功率放大，有些还要还原为模拟信号，使其驱动被控的调节伺服元件工作。

2 变速箱控制单元TCU

现在许多轿车的自动变速器是电子控制的，自动变速器主要由无级变速器和变速箱控制器TCU(E lectronic Control Unit)根据传感器输入信号和开关信号，对电磁阀离合器和控制变比的电机进行控制，达到自动变速的目的。

自动变速器的电子控制装置是由信号输入系统、计算系统和控制信号输出系统这三部分组成。信号输入系统有：变速器输入速度传感器、变速器输出速度传感器、发动机冷却温度传感器、节气门位置传感器、发动机曲轴转速传感器、润滑油温度传感器、制动开关等信号。这些信号输入到TCU后经过计算或查表然后输出控制信号，控制电磁离合器的电流，电磁离合器的电流取决于汽车的运行状态。TCU根据汽车行驶状态来操纵电磁离合器通电电流的大小或关闭。汽车速度比较慢或停止时，TCU不启动电磁离合器，当汽车速度达到一定值时，TCU启动电磁离合器。汽车变速箱变比的控制也是由TCU完成的，TCU根据汽车车速、发动机转速及节气门开度等输入信号参数控制变速箱变比调节电动机正转或反转及加速或减速。从而达到汽车的最佳运行状态。

3 防抱死制动系统ABS

汽车制动防抱死系统简称ABS(Antilock Braking System 或 Anti-skid Brakin

g System)，是指在制动过程中，可自动调节制动力大小，防止车轮抱死，以获得最佳制动性能，包括最佳方向稳定性、正常转向能力和最小制动距离的装置。它是汽车制动系统的组成部分。在汽车上装用ABS可有效地减少交通事故，提高行车安全性。在20世纪韧，ABS就已被装在火车上，用来防止制动时车轮抱死造成局部摩擦，使车轮和钢轨早期损坏。50年代，ABS又被应用于波吉飞机上，用来防止飞机着陆后制动跑偏或前栽，并可缩短制动距离。”在汽车上使用ABS 技术始于60年代。1965年，在伦敦汽车博览会上出现了第一辆装有ABS的样车，但这时还只是纯机械式的防抱死装置。1965年，Ford公司与Kelsey Hayes公司合作研制成名为“SM—Track”的单通道后轮ABS，并装在1969年的Thunderbird车型上；Chrysler公司与Bendix公司合作研制成3通道4轮ABS—“Sure—Brake”，装在1971年的Imperical车型上。他们采用的是当时最新的模拟电子技术，但都是分立元件，体积大，成本高，故障多，可靠性差。目前ABS技术和工艺都非常成熟，已广泛应用于轿车和重型汽车中。我关于ABS的研究开始于80年代初．现刚刚进入产品试制和装车试验阶段。国研制ABS的单位主要有二汽公司、交通部公路研究所、宏安A踢、兴平514厂、公路学院等单位和部门。二汽公司从80年代初就开始研究ABS．是较早研究ABS的厂家之一，现研究工作的主要目标是对国外的产品进行消化吸收。公路研究所相继开发出了两代ABS产品，第一代ABS的ECU采用了z80芯片。第二代ABS产品为FKx—ACl型．该装置的ECU中的CPU微处理器采用了美国1NTEL公司的MCS—96系列8098单片机。驱动电路主要采用功率MOSFET。

据美国统计，约有40%的意外事故是因刹车时汽车滑行致刹车距离过长而造成的。采用ABS系统可以在制动过程中自动调节车轮制动力，防止车轮抱死以取得最佳制动效果。

4 混合动力汽车

汽车发展的100年，是人类文明和经济发展迅猛的100年。如今，全世界汽车的保有量达到了6．7亿多辆，汽车已与人们的日常生活和生产密不可分。然而，众多燃油汽车排放所造成空气质量的日益恶化和石油资源的渐趋匮乏，使开发低排放、低油耗的新型汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。人们越来越关注其它燃料的汽车和电动汽车的开发。使用电动汽车(Electric Vehicle简称EV)可实现无污染，并可利用煤碳、水力等其它非石油资源，因此，无疑是解决问题的最有效途径。但是，由于电动汽车的关键部件之一的电池其能量密度、寿命、价格等方面的问题，使得电动汽车的性价比无法与传统的燃机汽车相抗衡。尽管目前具有世界先进水平的电动汽车的性能与燃机汽车可不相上下，但过高的成本使其难以商品化。在这种环境下，融合燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle，简称 HEV)异军突起，在世界围成为新型汽车开发的热点。可以相信，在电动汽车的储能部件——电池没有根本性突破以前，使用混合动力电动汽车是解决排污和能源问题最具现实意义的途径之一。

混合动力电动汽车(HEV)是在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元(Auxiliary Pow er Unit，简称APU)，其中APU是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组，APU由原动机和发电机组成，通常将这两个部件集成为一体。原动机带动发电机发电，其电能通过控制器直接输送到电动机，由电动机产生驱动力矩驱动汽车。电池实际上起平衡原动机输出功率和电动机输入功率的作用：当发电机的发电功率大于电动机所需的功率时 (如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等工况)，控制器控制发电机向电池充电；当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时(如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况)，电池则向电动机提供额外的电能。目前HEV 所采用的原动机一般为柴油机、汽油机或燃汽轮机。混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量储存装置(蓄电池)组合在一起，它们之间的良好匹配和优化控制，可充分发挥燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车。目前世界各国研究开发的混合动力电动汽车有不同的结构形式，根据其驱动系统的配置和组合方式不同，分为串联式、并联式和混联式3种组合方式。混合动力电动汽车和电力电子有密切的联系，其电气系统核心部件：

电机--发电机/电动机/启动机；电力电子驱动/整流，含传感器及保护电路；直流电压变换器；蓄电池。图2所示的是一个42V电气系统实物的组成框图，图3为其电路框图。

图3 42V电气系统组成

图4 42V电气系统的电路组成

目前世界各国都致力于开发先进的混合动力电动汽车，在1999年举行的第16届国际电动车会议暨展览会(EVS—16)上，混合动力电动汽车成为热点，展出的部分展品代表了世界混合动力汽车发展的现状。混合能源车开发各国都刚起步，其发展趋势如下：

?串行混合能源车是主流发展方向，纯电动车燃料电池车将随之而来

?混合能源车开发将拉动一大批工业发展：材料(化工，合金，钢铁)，电子，通讯，电机，电池，机械加工, 环保等

?车载电压将升至42V以上, 但低电压将并存相当一段时间

?皮带驱动集成起动机/发电机，曲轴驱动集成起动机/发电机将并行发展

?电机设计将与控制方法开发同步进行

?混合能源车已经并将继续促进专用电子模块的开发

?宽速比，高效，可靠性是电气系统开发的挑战性问题

混合动力电动汽车是当今解决汽车节能与排污问题的有效途径，混合动力电动汽车虽然没有实现零排放，但它所能达到的动力性、经济性和排放指标是缓解汽车需求与环境污染及石油短缺矛盾日益尖锐的理想途径。因此，我们必须重视混合动力电动汽车在汽车发展过程中的作用，牢牢把握当前的发展契机，投入必要的人力物力，解决混合动力电动汽车存在的问题。

现代汽车与电子技术特别是电力电子技术密切相关，汽车中以单片机为核心的电子技术的含量在一定意义上决定汽车的自动化水平。汽车的自动化程度越高，汽车中的电力电子变换和驱动系统就越多，越复杂。因此变换和驱动系统的质量将直接影响整车的效率和性能。近几年来我国的汽车工业有了很大的发展，但是汽车中的电子装置特别是核心电子装置则主要依靠进口，因此开发高性能的电子装置具有广阔的市场