汽车电子及控制技术发展历程和趋势
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AUTO TIME 57 FRONTIER DISCUSSION | 前沿探讨
1 引言
近年来,随着科技的不断发展,汽车
技术和电子技术不断的革新,现代轿车为
了提升车辆动力性,经济性,安全性,舒
适度,并且降低废气排放污染而应用了电
子控制。汽车电子控制技术是现代汽车科
技发展的主要趋势和标志,从汽车发动机
的燃料喷射、点火控制系统、进气控制、
排放控制系统、故障自诊到底盘的传动系
统、转弯和刹车等控制系统,还有车身、
辅助设备等均应用了汽车电子控制技术。
本篇将对汽车电子控制技术的发展历史与
发展趋势加以阐述与解析。
2 汽车电子控制技术研究的必要性
近年来,汽车工业高速发展,汽车的
产量和汽车的保有量大幅增长。汽车在给
人们生活带来巨大好处的同时,也带来了
如下三个方面的问题:
(1)汽车尾气是大气污染中最重要的源头,威胁着人们的身体健康。经调查,
目前大气环境中百分之三十八点五的一氧
化碳(CO)、百分之二十一点七的碳氢化
合物(HC)、百分之八十七点六的氮氧化
物(NOX)、百分之十一点七的二氧化碳
(CO2)、百分之六点二的二氧化硫(SO2)、
百分之三十二的微粒(PM)都由汽车尾气
中排出。
(2)汽车是一个高耗能的产业,汽车
的大量使用将导致能源紧缺问题。目前汽
车消耗的燃料主要是石油。正如目前的国
际局势,欧美在过度依赖石油进口后被俄
罗斯制裁使得国家陷入能源危机,由于我
国也是能源进口大国,尤其是石油,可见
过度依赖原油在遇到突发变故时会对国家
经济造成冲击。
(3)随着汽车的大量使用,车辆驾
乘人员以及其他道路使用者的安全问题也
日益突出。随着汽车销售量的增加,交通
事故的发生量也在急剧增加。其中,车辆驾乘人员的死亡率占35%,而其他道路
使用者(如行人、汽车人等)的死亡率为65%。近年来,我国对汽车和交通安全持
续进行关注和投入,汽车安全碰撞实验被
广泛接受和推广。然而,这些努力大多数
是针对车辆驾乘人员,对于其他道路使用
者的安全保护,至今未引起社会各方的充
分重视。
汽车工业界的研究者针对上述问题都
在努力探索解决方案,使汽车工业能够走
上与人类生存环境及社会和谐发展的道路。
因此,安全、环保和节能以及成为当今汽
车工业发展的三大主题。这也是促使人们
在汽车产品中采用先进技术的主要原因。
另外,人们对汽车的操控性、舒适性
等方面的要求不断提高也在促使着汽车界
的研究人员采用各种先进技术,改进汽车
各方面的性能,以满足消费者对汽车产品
性能的要求[1]。汽车电子及控制技术发展历程和趋势
景治瑞 李强 梁快陕西理工大学 机械工程学院 陕西省汉中市 723000
摘 要: 由于全球范围内轿车制造业的高速增长,轿车的生产以及轿车的保有量急剧增加。车辆在为我们的生
活提供很多方便的同时也产生了不少困难。伴随着人民生活条件的日益改善,他们对车辆的可靠性、
舒适度等方面的需求也将日益增加,这就更加促使我们车界的研发工作者运用各类新型科学技术,提
高车辆各方面的可靠性,以适应顾客对车辆技术方面的需求。
关键词:汽车 操控性 舒适性 性能
Development History and Trends of Automotive Electronics and Control TechnologyJing Zhirui,Li Qiang,Liang Kuai
Abstract: Due to the rapid growth of the car manufacturing industry worldwide, the production of cars and the ownership of cars have increased sharply. Vehicles provide a lot of convenience for our lives and create a lot of diffi culties. With the improvement of people's living conditions, their demand for vehicle reliability, comfort and other aspects will also increase, which further prompts our R & D workers in the car industry to use various new types of science and technology to improve the reliability of all aspects of the vehicle to meet the needs of customers for vehicle technology.Key words:Automotive, Manipulativeness, Comfort, Performance58 AUTO TIMEFRONTIER DISCUSSION | 前沿探讨
由于上述各种社会需求和相关技术的
发展,从20世纪80年代开始,国际上汽
车工业的微电子化得到了迅猛的发展。电
子控制技术的应用能有效地改善汽车的动
力性、经济性、安全性、操控性和舒适性,
并能降低排放指标。目前,在我国汽车电
子技术非常普及,先进的电子控制技术已
成为汽车工业发展的必然趋势。
在我国,从事汽车电子控制技术应用
性开发的人员较多,而从事开发性研究的
人员较少,与国外相比存在较大的差距。
我国应该在引进、吸收并消化国外先进汽
车电子控制技术成果的同时,加强自主创
新能力,发展并壮大自身的汽车电子控制
技术的科技力量,以尽快赶上世界先进发
展水平。这也是我国汽车工业发展的必由
之路。2009年2月,国家发展和改革委员会
批准建立五个研发平台以促进我国汽车领域的发展。这表明,我国已经充分认识到
了汽车电子控制技术在汽车产品中的重要
性,必将进一步推动汽车电子控制技术在
我国的发展。
电子技术是汽车电子及控制技术的必
要基础,其发展历程如图1所示:
综上所述,进行汽车电子控制技术的
研究对于节约能源、保护环境、提高汽车
动力性、安全性、舒适性、操控性和经济
性等性能指标具有重要的意义;同时,也
可增强我国的自主研发能力,提高自主汽
车品牌的竞争力,为我国汽车工业的高速
发展奠定基础[2]。
3 汽车电子控制系统
现在,各种汽车电子控制设备已成为
汽车上不可或缺的部分,并且这些电子控
制设备在车辆运行过程中担当的角色越来
越重要。各种汽车电子控制技术均以自动控制理论作为其理论基础。
汽车电子控制系统的基本概念如图 2
所示。
从是否采用反馈的角度看,控制系统
分为开环控制系统和闭环控制系统两类,
而闭环控制系统又被称为反馈控制系统。
开环控制系统开环控制系统的原理图如图 3所示:
在开环控制系统中,使控制环境的输
入信息不受输出信息的干扰。在开环控制
系统中,在没有外部扰动(如环境温度变换、
扰动等)情况下,为了产生稳定的参考信号,
传感器根据相应的计算形成了一个驱动信
号作用于控制目标上,而其输出功率也维
持不变。
闭环控制系统随着车辆的应用环境(如环境温度、
地面的平顺度)及其电子控制元器件参数
的变化,使用开环控制系统往往无法达到
预期的精度控制,所以就必须采用闭环控
制技术。闭环控制过程的基本原理图,如
图4所示。
4 汽车电子控制技术的发展简介
汽车作为机电一体化产品的典型代表,
其发展过程与机电一体化系统的发展过程
紧密相连。机电一体化的新型现代汽车在
动力性、 操控性、可靠性、安全性、舒适
性和经济性等各方面的性能指标都有了大
幅度的提高。其中,汽车电子控制技术发
挥了巨大的作用。
现在普遍认为,汽车电子控制技术的
发展经历了三个阶段:
第一阶段,从20世纪60年代中期到70年代末期。在第一阶段中,人们开始研
究在汽车产品上应用电子技术,并在汽车
上采用一些电子控制装置,以改善部分机
械部件的性能。在此阶段中,典型的汽车
电子控制装置有电子点火控制装置和燃油
喷射电子控制装置。
第二阶段,从20世纪70年代末期到90年代中期。第二阶段是汽车电子控制技
术蓬勃发展的阶段。在此阶段中,电子技图1 电子技术发展历程
图2 概念图
图3 开环控制原理图
参考输入
电子控制单元(ECU)执行机构被控对象控制系统
传感器汽车电子控制单元(ECU)执行机构
发动机、变速器、转向系统、制动系统、悬架等20世纪50年代末,世界上出现了第一块集成电路(IC),它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上,使电子产品向更小型化发展。 19世纪末、20世纪初开始发展。 20世纪40年代末,诞生第一只半导体晶体管,以小巧、轻便、省心、使用寿命长等特点在很大范围内取代了电子管。 在20世纪发展最为迅速、应用最为广泛,成为近代科学技术发展的一个重要标志。 第一代电子产品以电子管为核心。AUTO TIME 59 FRONTIER DISCUSSION | 前沿探讨
术、计算机技术、自动控制技术和通信技
术有了长足的发展,为汽车电子控制技术
的发展奠定了良好的技术基础。基于上述
技术基础和物质基础,在汽车产品的设计、
制造和生产过程中,形成了“机电一体化”
的思想和技术。在此期间,汽车产品上开
始大量使用微处理器和集成电路(IC)。采
用闭环控制的汽车发动机电子控制系统研
制成功,显著地降低了汽车的排放污染,
使汽车的性能大大提高,这也标志着汽车
系统控制技术微电子化的开端。随后,相
继出现了电子控制自动变速器、电子控制
制动装置、电子控制防抱死制动系统、自
动巡航控制系统、发动机故障诊断系统、
车辆导航系统、防盗系统、电子组合仪表等。
在此阶段中,各种汽车电子控制系统的主
要特点是各系统相互独立。
第三阶段,从20世纪90年代中期至
今。汽车电子控制技术的第三阶段处于高
科技迅速发展的时期,进入汽车电子控制
技术的纵深发展阶段。此阶段的主要工作
是使用功能更加强大的微处理器,以增强
汽车电子控制系统的功能,进一步提高汽
车的性能。同时,对汽车电子控制系统的
建模设计、分析和集成测试等方面的研究
也更加深入。在此阶段中,电子控制技术
在汽车上得到了越来越广泛的应用控制功
能和控制范围进一步扩大,电子控制单元
(ECU)从普通的八位单片机发展到十六
位甚至三十二位单片机,同时,单片机的主频也由6MHz发展到12MHz、18MHz,
甚至更高,因此,ECU控制的智能化程度
越来越高,控制的实时性和精确度大幅度
提高。并且,为实现各汽车电控系统的协调、
综合控制,各ECU通过通信接口形成了车
载分布式计算机网络,以满足各种不同控
制目标的要求。在此阶段中,汽车电子控
制系统的功能更加明确地划分为五大部分,
即发动机控制、底盘控制、主动或被动安全
控制、车身电子控制和信息与通信控制,使
得汽车各方面的性能都有了很大的提高[3]。
同时,随着汽车电子控制系统的发展,
其复杂程度越来越高,采用传统的控制系
统设计方法已经不能满足应用的要求。为
此,基于模型的建模设计方法和基于各种
在环境仿真测试技术的方法被广泛地应用
于汽车电子控制系统的设计过程,大大提
高了汽车电子控制系统的设计质量,加速
了汽车电子控制系统的设计过程,降低了
汽车电子控制系统的设计成本。
5 汽车电子控制系统的基本要求和一般
设计方法
汽车电子控制器是一个主动控制器,
其目的是将受控物体的控制变量按照特定
的规则加以改变,所以需要具有相应的特