电子技术实现汽车智能舒适论文
电子技术实现汽车智能舒适论文 编者按：本文主要从电子技术在现代汽车中的应用；电子技术在现代汽车 中的发展趋势；
结束语进行论述。其中，主要包括：随着微电子技术的不断发展, 车辆中的电子自动化程度越来越高、汽车电子技术主要包括硬件和软件方面的内 容、把汽车电子产品归纳为两类、在发动机上的应用、现代汽车发动机的基本功 能没有根本变化、喷油泵在同一时间射出所有燃油、在底盘上的应用、自动变速 器主要由液力变矩器和行星齿轮变速器组成、通用、福特、丰田等等大厂商采用 的自动变速器电子控制系统、整车控制技术、集中综合控制、目前汽车电子技术 向集中综合控制方向发展、网络化、汽车上的电子电器装置数量急剧增多等，具 体请详见。
[摘要]电子技术在现代汽车上应用越来越广泛,电子技术的应用对于改进 汽车性能、提高行驶安全、降低污染、节约能源有着非常重要的作用。文章就现 代汽车电子技术的应用、发展趋势及应用前景进行了综述。
[关键词]电子技术微处理器电子控制装置汽车传感器 随着微电子技术的不断发展,车辆中的电子自动化程度越来越高。可以说, 机械技术构成了现代车辆的筋骨,电子技术则构成了现代车辆的神经中枢。汽车 电子化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志,是用来开发新车型,改进汽 车性能最重要的技术措施。增加汽车电子设备的数量、促进汽车电子化是汽车制 造商夺取未来汽车市场的重要的有效手段。
汽车电子技术主要包括硬件和软件方面的内容:硬件包括微处理器及其接 口、执行部件、传感器等;软件主要是以汇编语言及其他高级语言编制的各种数 据采集、计算判断、报警、程控、优化控制、监控、自诊断系统等程序。
特别是微处理器的出现给汽车的电子自动化程度带来了革命性的变化,车 辆上微处理器的使用数量激增,电子装置在整个汽车制造成本中所占的比例越来 越大。例如,一些豪华轿车上,使用单片微型计算机的数量已经达到50个左右,电子 产品占到整车成本的50%以上,微处理机将更广泛地应用于汽车安全、环保、发动 机、传动系统、速度控制和故障诊断中,目前电子技术的应用几乎已经深入到汽 车所有的系统。
一、电子技术在现代汽车中的应用按照对汽车行驶性能作用的影响划分,可以把汽车电子产品归纳为两类:一 类是汽车电子控制装置,汽车电子控制装置要和车上机械系统进行配合使用,即所 谓“机电结合”的汽车电子装置;它们包括发动机、底盘、车身电子控制。例如电 子燃油喷射系统、制动防抱死控制、防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、电 子控制自动变速器、电子动力转向等,另一类是车载汽车电子装置,车载汽车电子 装置是在汽车环境下能够独立使用的电子装置,它和汽车本身的性能并无直接关 系。它们包括汽车信息系统(行车电脑)、导航系统、汽车音响及电视娱乐系统、 车载通信系统、上网设备等。
1.在发动机上的应用 现代汽车发动机的基本功能没有根本变化,但引入了大量的电子控制装置, 极大地改进了车辆的排放性能、燃油经济性和耐用性。发动机电子控制系统包括 很多电子控制装置,电子燃油喷射和点火装置是其重要组成部分,除此外,还有自 适应控制装置、智能控制装置及自诊断操作装置等。
现代汽车上,电子控制燃油喷射装置,因其优越的性能,已得到普及。这种新 型燃油喷射装置可以自动保证发动机始终工作在最佳状态;电子点火装置 (ElectronicSparkAdvance,ESA)由计算机、传感器及其接口、执行机构等部分构成。
该装置可根据传感器送来的发动机各种参数进行运算、判断,然后进行点火时刻 调节。在输出一定功率的条件下最大限度地节约燃油和净化空气。
各公司相继研制成功了多种新技术,并且投入了使用,取得了很好的效果。
例如,由RobertBosch公司制造的计算机控制系统使用嵌入式微处理器技术实时监 测发动机运转情况,确保喷射燃油量恰到好处,使燃油喷射量刚好满足要求,对清 洁这些发动机大有帮助。
特别是电控直接喷射和共轨燃油系统两项技术的突破,催生了具有优良性 能的新型柴油机的出现。这些新型柴油机电控、加速性良好、气味不浓也不产生 烟尘、行程大并且耐用。
在通常的柴油机中,喷油泵在同一时间射出所有燃油,其结果就是产生柴油 机标志性的乓乓的敲击声。在直接喷射时,燃料射入之前先有一小部分先行射入, 这样当燃料射入时产生的敲击声会变得柔和。与此同时也可以降低燃烧温度,减 少NOx(氮氧化物)的排放量。共轨燃油系统的作用则在于它可以更好地控制燃油数量和喷射定时。共轨 系统有一个高压泵,当喷油嘴开启时,高压使燃油产生很好的薄雾使得燃烧更加充 分,同时还减少了尾气排放。
现代汽车的各种性能(燃油经济性、排放、驾驶性能和功率等)越来越好, 而使这一切成为现实的正是电子技术与计算机辅助设计的结合。
2.在底盘上的应用 底盘电子控制系统包括很多电子控制装置,电子控制自动变速器 (Electronic-C0ntrolledAutomaticTransmission,ECAT)是其重要组成部分。现在许多 轿车的自动变速器是电子控制的,电子控制也就是微处理器控制。
自动变速器主要由液力变矩器和行星齿轮变速器组成,微处理器根据传感 器输入信号和开关信号,通过电磁阀控制换档和变矩器锁止这两个工作过程,达到 自动变档的最佳控制精度。发动机曲轴与变矩器涡轮之间通过离合器接合的装置 也称为变矩器锁止,其作用是减轻变矩器涡轮与叶轮之间的打滑现象,改善燃油经 济性。ECAT优点是加速性能好、灵敏度高、能准确地反映车辆行驶负荷和道路 条件等。
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、歧管压力开关、制动开关等信号。这些信号反馈到ECU(在 通用汽车上称为PCM-动力传动控制组件),在ECU进行计算然后输出控制信号,通 过换档电磁阀、离合器电磁阀等控制换档和锁止动作。微处理器接到传感器反馈 信号后,根据程序计算的结果发出控制信号接通变矩器的离合器电磁阀电源,驱使 电磁阀启动,使离合器接合;如果切断离合器电磁阀电源则离合器分离。ECU是根 据汽车行驶状态来操纵电磁阀通电开关开启或关闭的。当汽车速度比较慢或停止 时,ECU不启动电磁阀,当汽车速度达到一定值时,ECU就会启动电磁阀使离合器 接合。微处理器接到传感器反馈信号后,根据汽车车速、发动机转速及工作温度、 节气门位置、歧管真空度、选档位置等输入信号参数选择换档。ECU根据即时变 速杆的位置,对照参数计算选择最佳的档位位置,发出控制信号驱动换档电磁阀, 令变速器换档。
通用、福特、丰田等等大厂商采用的自动变速器电子控制系统,根据与其连接的变速器和发动机的不同型号而不同,每个系统中的元件和系统的工作过程 也随着不同的变速器而有所变化,但其基本的工作方式及基本部件还是一样的。
除此外,还有电子稳定智能控制装置(ElectronicStabilitvPro-gram,ESP)、电 控悬架操作装置等。ESP将多种功能整合在一起,并在此基础上进行了扩展。与其 他牵引力控制系统比较,电子稳定控制程序不但控制汽车驱动轮,而且可控制从动 轮。通过安装在车辆上的轮速传感器、侧向加速度传感器和横摆角速度传感器, 电子稳定控制程序能对车辆的状态进行实时监控,当感应到轮胎与地面失去附着 力,车辆存在侧滑危险时,电子稳定控制程序会快速而有选择地对需要制动的车轮 实施独立操作或降低发动机输出,以使车辆行驶方向尽可能保持与驾驶员的预期 相一致,从而提升车辆在各种工况下的方向稳定性及可控性。
目前电控悬架,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 足平顺性和操纵稳定性的更高要求5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。
3.整车控制技术 整车控制技术包括车身电子控制、驾驶电子控制等系统。汽车车身电子控 制技术所涉及的内容很多,主要包括对汽车照明灯和转向信号灯的电子控制、对 电动座椅、电动门窗、电动门锁、自动雨刮等的电子控制以及多媒体系统等。目 的是保证视野性、方便性、舒适性、娱乐性、通信功能等。目前车身电控技术呈 现如下的发展趋势:进一步满足用户个性化的需求;先进的驾驶和乘坐信息系统, 如车辆遥控检测、智能型防盗、乘座适应性控制、42V电子系统、环保设计系统 等等。
传统的机械和液力驾驶控制系统由于结构的原因(间隙、运动惯量等),从控 制指令发出到指令执行会有一定的延迟,这在极限情况下是不能允许的。电控驾 驶控制系统是没有机械和液力后备系统的,电控驾驶控制系统主要由三部分组成: 控制系统、执行系统、通讯系统。控制系统的功能是根据驾驶员的意图和车辆行 驶状况,对执行器给出执行的设定值。执行系统的功能是在控制系统的控制下,完 成具体的执行动作(转向、制动等)。驾驶电子控制技术在现代汽车中,已大量使用, 完全取代传统的机械和液力驾驶控制系统是必然趋势。4.主被动安全系统 汽车的操纵稳定性和安全性是衡量汽车性能的重要指标。电子控制技术的 引入为汽车的稳定性和安全性提供了保障。
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,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-LockBrakingSystem,简称ABS)、牵引力控制系统(TractionControlSystem,简 称TCS,也称ASR)、四轮转向系统(4WS)、车辆动力学控制系统 (VehicleDynamicControl,简称VDC,也称VSC、ESP)。其中,VDC是在ABS和TCS 的基础上,增加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。
轮胎压力检测系统(TirePressureM0nit0ringSystem,简称TPMS)是在每一个 轮眙上安装高灵敏度的传感器,在行车状态下实时监视轮胎的各种数据,通过无线 方式发射到接收器,并在显示器上显示各种数据,任何原因(如铁针扎入轮胎、气门 芯漏气)等导致的轮胎漏气、温度升高,系统都会自动报警,从而确保行驶中的安全, 延长轮胎的使用寿命。
为了保证行车安全,安全气囊和座椅安全带控制系统是必不可少的。安全 气囊的合理触发以及座椅安全带的及时束紧,需要安全系统对行驶状况的及时监 测和判断。安全气囊和座椅安全带控制系统将采用越来越多的先进电子传感器、 控制芯片以及电子控制装置。
二、电子技术在现代汽车中的发展趋势 随着高性能传感器、微处理器的研制成功以及网络、总线技术的完善,汽 车电子技术将向集中综合控制和网络化方向发展。
1.集中综合控制 目前汽车电子技术向集中综合控制方向发展。例如,将发动机管理系统和 自动变速器控制系统,集成为动力传动系统的综合控制(PCM);将制动防抱死控制 系统(ABS)、牵引力控制系统(TCS)和驱动防滑控制系统(ASR)综合在一起进行制 动控制;通过中央底盘控制器,将制动、悬架、转向、动力传动等控制系统通过总线进行连接。控制器通过复杂的控制运算,对各子系统进行协调,将车辆行驶性能 控制到最佳水平,形成一体化底盘控制系统(UCC)。汽车的机械结构还将发生重大 的变化,汽车的各种操纵系统向电子化和电动化发展,实现“线操控”。用导线代替 原来的机械传动机构,例如“导线制动”、“导线转向”、“电子油门”等。
随着汽车电子装置越来越多,消耗的电能正在大幅度地增加。现有的12伏 动力电源,已满足不了汽车上所有电气系统的需要,汽车12伏供电系统需向42伏转 化。今后将采用集成起动机-发电机42伏供电系统,发电机最大输出功率将会由目 前的1千瓦提高到8千瓦左右,发电效率将会达到80%以上。42伏汽车电气系统新标 准的实施,将会使汽车电器零部件的设计和结构发生重大的变革,机械式的继电器、 熔丝式保护电路将被淘汰。
2.网络化 汽车上的电子电器装置数量急剧增多,为了减少连接导线的数量和重量,网 络、总线技术十分重要。集中综合控制要求有一个庞大而复杂的信息交换与控制 系统,车用计算机的容量要求更大,计算速度要求更高。采用高速数据传输网络日 益显得必要。光导纤维可为此传输网络提供传输介质,以解决电子控制系统防电 磁干扰的问题。通讯线将各种汽车电子装置连接成为一个网络,通过数据总线发 送和接收信息。电子装置除了独立完成各自的控制功能外,还可以为其他控制装 置提供数据服务。由于使用了网络化的设计,简化了布线,减少了电气节点的数量 和导线的用量,使装配工作更为简化,同时也增加了信息传送的可靠性。通过数据 总线可以访问任何一个电子控制装置,读取故障码对其进行故障诊断,使整车维修 工作变得更为简单。
三、结束语 汽车电子技术的应用将使汽车更加智能化和舒适。智能汽车装备有多种传 感器,能够充分感知驾车者和乘客的状况,交通设施和周边环境的信息,判断乘员 是否处于最佳状态,车辆和人是否会发生危险,并及时采取对应措施。今天,社会进 入了信息网络时代,汽车已不仅仅是一种代步工具,人们已可以在汽车上收听广播, 打电话,上互联网,处理工作。随着数字技术的进步,具有信息处理、通讯、导航、 防盗、语言识别、图像显示和娱乐等功能的车载计算机多媒体系统的开发,汽车 也将步入多媒体时代。可以预见到的将来,汽车装置自动导航和辅助驾驶系统,驾 驶员可把行车的目的地输入到汽车电脑中,汽车就会沿着最佳行车路线行驶到达 目的地。人们可以通过语言识别系统操纵着车内的各种设施,一边驾驶着汽车,一边欣赏着音乐电视,还可上网预定饭桌、机票等。