汽车电子新技术讲座

汽车电子新技术讲座主讲人：赵晓顺目录一、汽车电子技术的发展二、各种汽车电子新技术的应用三、福特汽车安全新技术介绍一、汽车电子技术的发展1.汽车电子化发展概况2.汽车电子控制理论发展概况3.网络技术在汽车中的应用4.汽车传感器的发展趋势1.汽车电子化发展概况汽车电子化是建立在电子学的发展基础之上，真空管→晶体管→集成电路→大规模集成电路→超大规模集成电路出现了计算机等各种各样的电子装置，汽车电子化也随着逐年的深化与发展，而且有的汽车电子装置占整车造价的1／3，高级轿车有的就装几十个微控器、上百个传感器。电子化的程度可以说是衡量汽车高档与否的主要标志。20世纪50年代，人们开始在汽车上安装电子管收音机，这是电子技术在汽车上应用的雏形。1959年晶体管收音机问世后，很快在汽车上得到了应用。60年代，汽车上应用了硅整流交流发电机和晶体管调节器，到60年代中期，汽车上开始采用晶体管电压调节器和晶体管点火装置。但更多地应用电子技术则是在70年代以后，主要是为解决汽车安全、污染和节油3大问题。进入70年代后期，电子工业有了长足的进步，特别是集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路技术得到了巨大发展，微机在汽车上的应用，给汽车工业带来了划时代的变革。20世纪90年代，汽车电子技术进入了其发展的第三个阶段，这是对汽车工业的发展最有价值、最有贡献的阶段，超微型磁体、超高效电机及集成电路的微型化，为汽车上的集中控制提供了基础。目前汽车电子技术已发展到第四代，即包括电子技术(含微机技术)、优化控制技术、传感器技术、网络技术、机电一体化耦合交叉技术等综合技术的小系统，并且早巳从科研阶段进入了商品生产的成熟阶段。汽车电子技术主要包括硬件和软件方面的内容：硬件包括微机及其接口、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。微机是整个系统的核心，负责指挥其他设备工作。目前汽车上用的微机以通用单片机和高抗干扰及耐振的汽车专用微机为主，其速度和精度要求不像计算用微机高，但抗干扰性能较强，能适应汽车振动大等恶劣的工作环境。有的由单机控制(即一个微机控制一个项目，如控制点火)向集中控制发展，而汽车集中控制也由原来的多个计算机通信向网络化管理过渡。汽车电子技术的内容2汽车电子控制理论发展概况控制理论是编制应用和优化控制软件的理论基础，是“汽车电子技术”中的难点和重点。利用自动控制理论而建立的开环、闭环、最优、自适应控制系统，在汽车优化控制中都有采用。建立这些控制系统时，首先对汽车某个系统，如点火提前角优化控制系统进行系统辨识，建立数学模型，然后采用相应的控制方法进行优化控制。但是发动机本身结构比较复杂，影响点火的因素较多，理论推导优化点火状态下的数学模型比较困难。因此，一般采用实验方法找出各种工况下的最佳点火提前角，然后存入微机内存。在实行控制过程中，微机不断检测发动机的工况，用查表的方法，查出该工况下的最佳点火提前角，进行修正后再通过微机接口、放大电路去控制点火，这是目前国外应用较多的优化控制方法。此外，目前应用较成熟的另一种方法为自适应在线搜索法：他包括顶点保持法和登山法2种。该方法并不需要知道模型的原型，而是由微机在汽车运行中自行搜索最优工况，使控制接近或达到最优化。模糊控制是近年来出现的新的控制理论，在汽车中也有所应用。模糊控制系统也是一种自动控制系统，他是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统。模糊逻辑从含义上比其他传统逻辑更接近人类的思想和自然语言。3网络技术在汽车中的应用3.1网络技术在汽车内部的应用3.2网络技术在汽车外部的应用3.1网络技术在汽车内部的应用比较高级的汽车上装有几十个微机控制器、上百个传感器。这就给汽车进行网络应用提供了条件，而且解决了汽车一直存在集中控制和分散控制的矛盾。所谓分散控制就是汽车上的一个部件如点火或喷油，用一个微控器进行控制，这是微机在汽车上应用的起始。后来发展到汽车集中控制系统，包括完全集中控制系统，如美国的通用汽车公司采用一个微机系统分别控制汽车防滑制动、牵引力控制、优化点火、超速报警、自动门锁和防盗等；分级控制系统，如日产公司的分级控制系统，用1台中央控制计算器分别指挥4台微机，分别控制防滑制动、优化点火、燃油喷射、数据传输等；分布集中控制系统，他是根据汽车的各大部分而进行分块集中控制，如发动机、底盘、信息、显示和报警等几大件控制系统，如日本五十铃生产的汽车I-TEC系统，他对发动机的点火、燃油喷射、怠速及废气再循环进行集中控制。上述各种类型的控制都有优缺点，但网络在汽车上应用后，就可发挥各型控制的优点，克服了他们的缺点。例如集中控制和分散控制的最大问题是可靠性问题，如完全集中控制，一旦微机出现故障全车瘫痪。采用网络技术后，不但共用所有传感器，还可以共用其他设备，如进行了环形网控制，几十个微机，就是个别出现问题，整车还可以正常运行。所以网络在汽车应用中不但增加了许多功能，而且还大大增加了可靠性。为适应汽车网络控制的需要，更好地在各控制系统之间完成交流信息、协调控制、共享资源及标准化与通用化，世界各国都在积极合作，进行汽车局域网的研究与开发。国外在网络标准的制定以及符合网络通信标准的微处理器、通信协议等方面都已经有了成果。网络标准方面有Bosch公司制定的控制器局域网络(CAN)协议和Intel推出的SAEJ18065网络标准。又如Philips，Intel，Motorola等公司推出了符合网络相关协议的微处理器产品。同时，为整合各种标准，一份有关汽车网络的国际标准正在国际标准化组织起草。3.2网络技术在汽车外部的应用汽车上网系统，是一种无线的网络结构。通过他，人们在驾驶汽车时就可以像在家一样进行上网、发E-mail等所有网上操作。目前不少公司在进行这方面的工作，如IBM公司和Motorola公司已合作开发车用无线Internet技术，这项技术将使驾驶员和乘客能够在车上发送电子邮件以及从事网上各种活动，如电子商务和网上购物、查看股市行情和天气预报等。另外Microsoft公司新推出了专门为车上网设计的AutoPC软件，采用WindowsCE操作系统，他具有交互式语言识别等各种多媒体功能。这种功能能够有效地保障汽车行车安全，因为他可以让汽车驾驶员在手不离方向盘、眼不离行驶前方的情况下，与PC机系统交换各种信息，例如行车前方的交通状况有无塞车，最短时间导航等；也可以通过他在车上收发E-mail、打网络电话和其他上网活动。通用公司不但开发了车上网系统，而且还装有车载自动化办公系统。由于该系统采用了超高速光纤串行数据通道(MML)，因此具有多路的数字式影音能力，可以有效地调控多信道大容量的输入、输出信号，例如CD、DVD、显示器、电视接收天线、音响和全球卫星定位导航系统都可以和该系统交换信息。4汽车传感器的发展趋势车用传感器是促进汽车高档化、电子化、自动化发展的关键技术之一，世界各国对车用传感器的研究开发、提高性价比都非常重视。没有传感器技术就没有现代汽车的观点现在已被全世界所公认。汽车电子化越发达，自动化程度越高，对传感器依赖性就越大，所以，国内外都将车用传感器技术列为重点发展的高技术。汽车现代传感器总的发展趋势是：多功能化、集成化、智能化、微型化，其技术的发展方向是：(1)开展基础研究，发现新现象、采用新原理、开发新材料和采用新工艺；(2)扩大传感器的功能与应用范围。4.1发现新现象利用物理现象、化学反应和生物效应等是各种传感器的基本原理，所以发现新现象与新效应是现代传感器发展的重要基础。功能材料是发展传感器技术的另一个重要基础。由于材料科学的进步，在制造各种材料时，人们可以任意控制他的成份，从而可以设计与制造出各种用于传感器的功能材料。例如控制半导体氧化物的成份，可以制造出各种气体传感器；光导纤维用于传感器是传感器功能材料的一个重大发现；有机材料作为功能材料，正引起国内外汽车电子化专家的极大关注。4.2开发新材料传感器的敏感元件性能除了由其功能材料决定外，还与其加工工艺有关。随着半导体、陶瓷等新型材料用于传感器敏感元件，许多现代先进制造技术也引入汽车传感器制造技术，例如集成技术，微细加工技术，离子注入技术，薄膜技术等，能制作出性能稳定、可靠性高、体积小、重量轻的微型化敏感元件。近年来从半导体集成电路技术发展而来的微电子机械系统(MEMS)技术日渐成熟，利用这一技术可以制作各种能敏感和检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器，这些传感器的体积和能耗小，可实现许多全新的功能，便于大批量和高精度生产，单件成本低，易构成大规模和多功能阵列，这些特点使得他们非常适合于汽车方面的应用。4.3采用新工艺20世纪80年代初，微型压阻式多路绝对压力传感器开始大批量生产，取代了早期采用LVDT技术的压力传感器。80年代中期微型加速度传感器开始用于汽车安全气囊，他们是到目前为止大量生产的、并在汽车中得到广泛应用的微型传感器。然而微型传感器的大规模应用势必将不限于发动机燃烧控制和安全气囊，在未来5-7年内包括发动机运行管理、废气与空气质量控制、ABS、车辆动力的控制、自适应导航、车辆行驶安全系统在内的应用将为MEMS技术提供广阔的市场。研究多功能集成传感器是传感器发展的一个重要方向，即在一个芯片上集成多种功能敏感组件和同一功能的多个敏感组件。例如日本研制出复合压阻传感器，一个芯片可同时检测汽车压力与温度。4.4研究多功能集成传感器智能传感器是一种带微型计算机兼有检测、判断、信息处理等功能的传感器。与传统传感器相比，他具有很多特点。例如，他可以确定传感器工作状态，对测量资料进行修正，以便减少环境因素如温度引起的误差；用软件解决硬件难以解决的问题；完成资料计算与处理工作等等。世界各国都在车用传感器硬件的基础上，努力用软件来解决汽车电气干扰大、环境差(温度高、温度梯度大、污染厉害等)等问题造成的对汽车参数测量的影响。而且智能式传感器精度高、量程覆盖范围大、输出信号大、信噪比高、抗干扰性能好，有的还带有自检功能。不少汽车大公司在该方面进行研制与开发，并取得了成就和应用。4.5研究智能式传感器二、各种汽车电子新技术的应用从90年代起，全球汽车电子产品的生产持续高速增长。到1999年，全球汽车电子产品的销售额已达600亿美元以上，计算机技术、集成电路技术、数字电路技术以及通信技术等电子技术在汽车上的应用已占整车成本的30％以上，个别车型已达70％以上。新兴的汽车电子业已成为世界电子设备市场中增长最快的领域。1、发动机方面1.1供油量控制供油量直接影响发动机的排放和扭矩。新开发的电子式供油量控制系统由发动机转速、进气压力、进气道的进气温度等三个因素决定燃油泵齿条的位置以确定进入气缸内的实际供油量。另外把燃油温度信息也输入控制系统，使供油更加精确。由于控制图象软件包括了所有可能出现的工况，所以在任何工况下都能达到最佳供油量。供油量给定后，喷油开始点对排放影响很大，特别是对NOX及微粒（PM）的形成。要降低排放中的有害成分，必须使喷油开始点随工况的要求柔性可变及可控。电子控制系统能够按照一种或多种控制图象软件（如果一种软件无法包括所有工况的话）确定喷油开始点，其输入控制器的信息最少应该有：发动机转速、已确定的供油量、发动机温度和进气压力。1.2喷油定时的控制1.3喷油压力的可变控制发动机在低速转动时喷油压力很低，而电子系统可以把压力升高，以减小烟度的排放量。在怠速较低的负荷时，则不使喷油压力升高，以降低噪声。这种喷油压力随发动机转速及负荷变动而变化的喷油泵已经实现。例如日本电装公司的ECD－U2型高压共轨式燃油喷射系统。柴油高压油泵进入喷油嘴的压力可在80～120MPa之间受控。其方法不是控制泵端压力，而是在各喷油嘴之前、油泵之后设置一个共轨油管，上面的控制阀受控制器的控制，使燃油以所需的压力进入各喷油嘴。1.4喷油率的可变控制一般机械式的喷油泵喷油率随喷油压力升高而