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汽车局域网技术的现状及未来

摘要：本文从发动机系统、底盘系统、车身、电动汽车、智能汽车、整车控制系统几个方面对当代汽车电子技术的现状和发展进行了分类介绍与综述。

关键词：电子控制 TPMS ITS CAN LAN X-By-Wire

引言

近年来,汽车电子技术的迅猛发展极大地改善了汽车的各项性能。专家预测：未来5年内汽车上的电子装置成本将占汽车整车成本的25％以上。汽车已经由单纯的机械产品发展成为高级的机电一体化产品。21世纪汽车的三大任务是：安全、节能、环保。其中环保与节能主要体现在发动机与传动系的电子控制以及燃料电池、CAN通讯、X-By-Wire为代表的电动汽车、整车控制技术方面,而行驶安全性则主要体现在ABS、TCS、VDC、4WS、TPMS等核心电子控制技术的发展上。除此之外,还有为提高行驶舒适性而开发的电控悬架技术,以及为提高汽车智能化而开发的自动

避撞系统、车载导航系统等电子控制技术。

现代汽车电子技术的发展可以分为以下六大类：发动机电子控制、底盘系统电子控制、车身电子控制、电动汽车技术、智能汽车与智能交通(ITS)技术、整车控制技术。

1.发动机电子控制

目前,汽油机的电子控制技术已经日趋完善,而国内外的柴油机电子控制技术则发展迅猛,新技术层出不穷。近年来,高压燃油直喷系统和高压共轨喷射系统的发展使柴油机的燃油经济性和排放性都有了很大的改善。废气再循环(EGR)技术、氧化催化器和微粒捕捉器改善了柴油机的各项排放。

发动机管理系统则对喷油和进气过程进行综合控制,保证发动机能够在保持良好动力性的基础上,达到最优的燃油经济性和排放性,同时降低噪声和振动。发动机管理系统的核心技术是单片机(MCU),它为汽车动力传动系统从机械系统向电子系统转变提供了更强的计算处理能力。近几年由于单片机功能的增强,智能传感器、智能功率集成电路的出现,使得电子控制单元(ECU)硬件电路的设计变得非常简单,工作更为可靠。燃油喷射系统使用的主要传感器,如进气歧管压力传感器和曲轴转速、曲轴位置传感器,随着半导体制造工艺技术的提高,已将敏感元件及其输出信号的处理电路都集成在一块硅片上,传感器的输出信号可以直接送给单片机。除此之外,还增加了过电压、电源极性反接和抗干扰输出保护的功能。智能化功率集成

电路,已将线性放大电路,数字电路和功率器件都集成在一块硅片上,并且还增加了一些特定的功能。例如,喷油器驱动电路是一片四路低端开关智能功率集成电路,可分别驱动四个独立的喷油器,并且还具有负载开路检测、电感性负载高电压钳位、过热、过电压和过电流断电保护以及自恢复等功能。器件的输入端可以直接和单片机引脚相连,还可将工作状态诊断报告,通过SPI口送给单片机进行处理。使用新器件设计电路板时,可以省去传感器输入信号的调理电路和用于驱动功率管的前置放大电路以及监测电路,使电路板变得非常简单。

图1 主动悬架结构示意图

图2 X-By-Wire 技术在汽车上的应用

目前,单片机技术的发展趋势是低电压、低功耗、高速度、高集成度。Strategy Analytics 的报告指出,2004年汽车电子业总市值(TAM)将达到151亿美元。其中用于发动机管理系统进行快速数据处理的32位MCU和用于车身电路系统的8/16位MCU需求将会增加。受这些应用的推动,2010年每辆汽车所需的半导体将从2001年的200美元增长到超过300美元。

2.底盘系统电子控制

（1）自动变速器

采用自动变速器,在驾驶时可以不踩离合器,实现自动换档,而且发动机不会熄火,从而

可以有效的提高驾驶方便性。20世纪80年代以来,随着电子技术的发展,变速器自动控制更加完善,在各种使用工况下均能实现发动机与传动系的最佳匹配。目前得到广泛采用的自动变速器主要有三种类型：

液力机械式自动变速器(AT)：由变矩器,自动变速器,液压电子控制系统三部分组成,目前技术成熟,应用最广。其电子液压控制系统由传感器、电控单元、换档电磁阀、油压调节电磁阀、油泵和换档阀等组成;电控机械式自动变速器(AMT)：由传统的离合器与手动齿轮变速器采用电控进行自动变速,目前在重型货车上选用较多;电控机械式无级变速器(CVT)：由V型刚带与可调半径的带轮得到无级变速,在两升以下的轿车上被广泛采用。CVT的主要优点是：

速比变化是无级的,在各种行驶工况下都能选择最佳的速比,其动力性、经济性和排放性与AT 相比,大约可以改善5％左右。

（2）电控悬架

目前,汽车的悬架系统一般是弹簧刚度和减振器阻尼特性不能改变的被动悬架,它不能根据

使用工况和路面输入的变化进行控制和调整,故难以满足汽车平顺性和操纵稳定性的更高要求。近年来,随着电控和随动液压技术的发展,弹簧刚度和减振器阻尼特性参数可调的电控主动和半主动悬架,在汽车上逐步得到应用和发展。

主动悬架：一般由传感器检测系统运动的状态信号,反馈到电控单元ECU,然后由ECU发出指令给执行机构主动力发生器,构成闭环控制。通常采用电液伺服液压缸作为主动力发生器,它由外部油源提供能量。力发生器产生主动控制力作用于振动系统,自动改变弹簧刚度和减振器阻力系数。主动悬架除可控制振动外,还可以控制车的姿态和高度。图1为主动悬架结构示意图。

（3）半主动悬架：实时闭环控制的半主动悬架—主要是通过电磁阀控制可调阻尼减震器,其控制方法和主动悬架类似,属于实时闭环控制; 车速控制的可调阻尼悬架－可调阻尼减振器由直流电机带动具有不同节流孔的转阀得到舒适(软)、正常(中)、运动(硬)三个等级的阻尼; 空气弹簧半主动悬架－由刚度控制阀改变主、副气室的通道面积得到软、中、硬不同的刚度,其控制与由车速控制的可调阻尼悬架类似。

操纵稳定性的电子控制系统

提高汽车的操纵稳定性,过去一直局限于通过改进轮胎、悬架、转向与传动系的性能来实现。随着计算机、传感器和执行机构的迅速发展,各国研发了各种显著改善操纵稳定性和安全性的电子控制系统。如防抱死制动系统 (Anti-Lock Braking System简称ABS)、牵引力控制系统(Traction Control System简称TCS,也称ASR)、四轮转向系统 (4WS)、车辆动力学控制系统(Vehicle Dynamic Control 简称VDC,也称VSC、ESP)、轮胎压力检测系统(Tire Pressure Monitoring System简称TPMS)等。

其中, VDC是在ABS和TCS的基础上,增加汽车转向行驶时横摆运动的角速度传感器,通过ECU 控制各个车轮的驱动力和制动力,确保汽车行驶的横向稳定性,防止转向时车辆被推离弯道

或从弯道甩出。它综合了ABS和TCS的功能,用左右两侧车轮制动力之差产生的横摆力矩来