电子技术在汽车上的应用与发展(正文)

前 言 随着科学的发展和社会的进步，汽车已成为人类生活、现代物质文明不可缺少的部分，汽车技术是衡量一个国家工业化水平的重要标志。从世界上第一辆汽车诞生至今，汽车面临着市场竞争、能源短缺、环境污染和安全性、舒适性、方便性等一系类问题与需求的挑战。解决和满足这些需求，很大程度上取决于先进技术，特别是电子技术在汽车上的应用。从汽车设计、制造、检测、运输管理到汽车故障诊断都采用了电子技术。汽车技术与电子技术相结合，形成了汽车电子技术这门新的科学技术。 本论文一共分为四章，第一章绪论主要介绍了我国汽车电子技术从二十世纪六十年代至今的发展同时概括了现代电子技术应用的优越性。第二章概述了汽车电子技术的基本组成，各个传感器以及其基本工作原理。电子技术在汽车上的具体应用在第三章做出了着重的介绍，在最后还对未来电子技术在汽车上的发展趋势做出了概括性的论述。 第 1 章 绪 论 1.1我国汽车电子技术发展的现状 随着汽车排放法规要求的不断提高和电子技术、计算机技术及信息技术的不断发展，电子技术在汽车上的研究应用也越来越广泛，汽车电子化程度也越来越高，汽车电子技术的发展大致可以分为三个阶段。 第一阶段，20世纪60年代以前 此阶段主要开发单一的电子零部件，研究设计是局部的，没有系统的概念，只是改善汽车某些独立机械部件的性能。此阶段代表的电子器件有整流器、调节器、晶体管无触点点火装置、闪光器、电子时钟等。 第二阶段，20世纪60年代末至90年代 随着规模集成电路的快速发展和计算机技术在控制技术方面的应用，使汽车电子技术迅速发展。此阶段着重各汽车系统的独立控制部分，并使独立控制系统的控制技术更加成熟，如发动机控制系统、ABS控制系统、车身控制系统、安全气囊控制系统、巡航控制系统等。 第三阶段20世纪90年代至现在 微机运算速度的提高和存储位数的增加使汽车电子控制系统的设计可以从整体的角度来考虑。由于汽车本身是一个复杂的系统，具有多科学、多系统交叉的特点，整体控制电子技术的发展优势越来越明显。现在应用广泛计算机网络与信息技术，使汽车更加自动化、智能化，并向人、车、路、环境的整体关联方向发展。 国内的汽车电子企业的现状为起步晚、规模小、水平低、配套难，由于国内汽车电子企业起步晚、产品技术成熟度低、质量不稳定原因而不被整车企业采用，即使技术达到要求，也需经过国外厂商的严格实验论证，长时间的等待是国内汽车电子企业错失了大好时机。高门楷的配套入门水平只能通过销售市场销售产品，而无法成为OEM供应商来近一半扩大产品的规模。另一发面，开发体系不完善、核心技术的缺乏也无法满足整车企业的同步开发要求和产品竞争力的要求。 1.2汽车现代电子技术应用的优越性 由于电子技术、计算机技术和信息技术等新技术的发展和应用，汽车电子控制在控 制的精度、范围、适应性和智能化等多方面有了较大的发展，实现了汽车的全面优化进行。因此，在降低排放污染、减少燃油消耗、提高安全性和舒适性等方面，装有电子控制系统的汽车有着明显的优势。 具体表现在可靠性增强，减少修复时间、控制精确，节油显著、闭环控制，减少空气污染、提高行驶稳定性，舒适性和安全性，减少交通事故。

第 2 章 汽车电子控制 2.1汽车电子控制的组成与原理 汽车电子控制系统一般由信号输入装置、电子控制单元ECU和执行器三大部分组成。它按照信号输入、信息处理和控制输出三步骤运行(如图2-1所示)。

图2-1 汽车电子控制系统的基本构成 其中信号输入装置由传感器和具有相关功能的电路组成，它完成检测信号的预处理。根据检测参数信号的不同，信号输入装置可分为模拟量和数字量输入装置。模拟量通常有空气流量、冷却水温度、进气温度、燃油压力等），通过传感器变成模拟信号，经A/D转换器转换成数字量进入ECU。数字量输入装置主要是产生和处理高电平与低电平等离散信号。 输入信号根据汽车的各个部分工作功能的不同传感器的分类也很多，如发动机电子控制系统就是使用多种传感器，像节气门位置、水温、吸入空气温度、爆震、进气压力（或进气量）、曲轴角度和氧传感器等。这些传感器可以随时检测发动机运行工况的参数，同时把这些参数装换成电信号输入到ECU。在变速器控制系统中主要装用的传感器有车速、节气门位置、发动机转速、控制油压、油温、变速杆位置传感器等。在制动控制系统中主要由车速、车轮速度、制动踏板位置传感器。其余的像转向、悬架、空调、

信号输入装置 电子控制单元

执行器

被控制机械装置 仪表报警、诊断等控制系统也包含许多的传感器。 电子控制单元又称为车用计算机，ECU主要由输入回路、微处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口和输出回路组成。（如图2-2所示），各种波型的信号经过输入接口电路将从传感器中采集到的转速、油门踏板位置、冷却水温度等各种发动机信号进行放大、整形、电压变换、滤波处理等。保证实施准确地为CPU提供发动机的各种参数，以便CPU进行监控。以单片机为核心的系统电路，应用单片机丰富的接口资源采集发动机的各种工况和状态参数，之后加以转换处理。输出回路部分，根据系统处理后所得到的信息，进行信号输出放大根据采集的系统参数进行工况判断，实现喷油量控制和定时控制等。

图2-2 电控单元ECU内部结构框架 执行器又称为执行元件执行机构或执行装置。车用执行装置是汽车电子控制系统的输出装置，它把从ECU传来的信号转化为机械运动。执行器通过电能、发动机真空、气压或三者之间的组合作用，对外做功。常见的执行器主要有电磁阀、电动机、继电器、电子开关等。 2.2汽车采用的主要电子控制 2.2.1发动机电子控制系统 该系统主要包括：电子燃油喷射、电控点火装置、怠速控制（ISC）、排放控制、进气控制、增压控制、警告提示、自我诊断和报警系统、备用控制系统与失效保护。用于实现低油耗、低污染，提高动力性和经济性。 2.2.2传动系的电子系统 该系统主要包括自动变速器和动力总成的综合电子管理系统。用于减小动力传动系 统中的冲击，减轻驾驶疲劳，提高汽车的动力性与舒适性。 2.2.3底盘的电子控制系统 该系统主要包括：电控悬架、电控动力转向系统、电控防滑系统(ASR)和电控制动防抱死系统(ABS)。用于提高汽车的舒适性、安全性和动力性。 2.2.4车身系统的电子控制 该系统主要包括：安全气囊、安全带、中央防盗锁装置、自适应空调、车内噪声控制、座椅控制、自动刮水器、自动车窗、和满足多种用电设备需求的电源管理系统等。用于增强汽车的安全性、舒适性和方便性。 2.2.5信息通信系统 该系统主要用于和社会联系以及调整各部分的电子控制功能。由大量计算机、传感器和交通管理服务系统连接在一起的综合显示系统，如驾驶员信息系统、导航系统（GPS）计算机网络系统、状态检测与故障诊断系统等，未来汽车电子技术发展的主方向。

第 3 章 汽车电子技术的应用 3.1汽车发动机电子技术 目前，环境保护已经成为人类社会可持续发展战略的核心问题。环境保护问题既是影响各国能源决策和科技导向的关键因素，也是促进能源科技发展的巨大动力。发动机电子（EECS）通过对发动机点火、喷油、空气与燃油的比率、排放废气等电子控制，是发动机在最佳工况下工作，以达到提高其整车性能、节约资源、提高整车性能。 3.1.1发动机电子控制系统的组成及分类 精确地控制空燃比和点火时刻是发动机电子控制的主要内容，EFI系统主要是由供气系统、供油系统、控制系统和点火系统组成。除此之外，其辅助控制的内容还有怠速、排气再循环、发电机、冷却风扇、二次空气喷射、进气增压、极限转速及系统自诊断等，它们在不同类型的汽车上或多或少地被应用。 自20世纪60年代以来，美国、德国和日本等工业发达国家相继开发研制并在汽车上装备多种类型、档次各异的汽油喷射系统，各系统的名称不尽相同。简要的分类有： （1）按控制原理分主要有机械控制式、机电控制式、电子控制式。 （2）按喷油器安装位置分主要有单点燃油喷射SPFI或SPI系统、多点燃油喷射MPFI或MPI系统。 （3）按喷油器喷射部位分有缸内喷射、进气管喷射。 （4）按喷油器的工作时间分有连续喷射、间歇喷射（同时、顺序、分组喷射）。 （5）按进气量的测量方式分有直接与间接测量。 3.1.2电子点火系统 微机控制点火系统(MIC)，能实现最佳点火提前角的控制，从而提高发动机的动力性，降低汽油消耗量和有害气体的排放。 MIC基本控制原理，空气流量传感器（AFS）和节气门位置传感器（TPS）向ECU提供发动机负荷信号，用于计算确定点火提前角；曲轴位置传感器（CPS）向ECU提供发动机转速、曲轴转角信号，转速信号用于计算确定点火提前角，转角信号用于控制点火时刻（点火提前角）；凸轮轴位置传感器（CIS）同于检测活塞上止点位置，识别缸序；冷却液温度传感器（CTS）、进气温度传感器（IATS）、车速传感器（VSS）、空调开关（A/C）以及爆震传感器（DS）等提供信号，用于修正点火提前角。 根据SAE标准规定，无分电器的点火系统一律称为电子点火（EI）系统，而分电器式的点火控制系统一律称为分电器式点火（DI）系统。在电子点火（EI）系统中，曲轴的前部有一曲轴传感器，用来触发点火系统。在DI系统中，分电器驱动齿轮、轴和衬套容易受磨损。磨损的分电器零件会引起不稳定的点火正时，从而降低经济性和动力性，还会增加废气排放物。 3.1.3燃油喷射系统 电控燃油喷射系统(EFI)系统采用多种传感器检测发动机工作状态，经过ECU计算处理，使发动机在各种工况下均能获得最佳的空燃比，可有效地提高和改善发动机的动力性和经济性。从20世纪30年代由于军用飞机上，1954年德国奔驰公司在奔驰300SL上装了机械式汽油喷射系统（K型）； 20世纪60年代在K型的基础上发展了机电组合式汽油喷射系统（KE型）；20世纪60年代后期，随着电子技术的发展，德国BOSCH公司研制出电控燃油喷射系统（EFI）。 燃油喷射就是将燃油直接喷射到发动机的节气门体内或进气门前，与化油器靠进气真空将燃油吸入节气门体内的方式相比，燃油喷射提高了所有工况下对进入燃油的控制能力，从而改善了燃油经济性，减少排放污染，提高了发动机的效率和功率。通过对电