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汽车电子控制技术的应用与发展前途


东方学院(刘奎秀)

现代汽车电子控制技术是汽车技术与电子技术相结合的产物。随着汽车工业与电子 工业的不断发展,在现代汽车上,电子技术的应用越来越广泛,汽车电子化的程度越 来越高。20 实际 70 年代中期,随着微型计算机开始在汽车上的应用,给汽车业带来 了划时代的变化。可以说,今天的汽车已进入微机控制的时代,且日趋成熟和可靠。 汽车业与电子业是世界工业的两大

金字塔。近年来,汽车业与电子业的联系日趋 密切。从发动机的燃油喷射、点火控制、怠速控制、进气控制、排放控制、故障诊断 到底盘的传动系统,行驶系、转向系、制动系和车身及辅助装置,普遍采用了电子控 制一体化,这是现代汽车的显著特点。 在汽车零部件中,最初采用的电子装置是交流发电机的整流器。通过使用硅二极 管,车用发电机改直流为交流。交流发电机结构紧凑、故障少、成本低。1960 年,美 国克莱斯勒汽车公司和日本汽车公司开始采用硅二极管整流的交流发电机。此后不 久,交流发电机迅速推广到全世界。我国适用于 20 世纪 70 年代,现已全部取代了直 流发电机。 20 世纪 60 年代以来,发动机周围零部件的电子化显得十分活跃,尤其是电压调 节器和点火装置电子化,并得到快速发展。 深入了解国内外电子技术的发展,找出我国汽车电子技术于国外汽车电子技术的 差距。汽车电子化是汽车技术发展进程中的一次革命,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。 汽车制造商认为增加汽车电子设备的数量、促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的重 要的有效手段。 我国的汽车电子工业起步较晚。 20世纪90年代以前.除了汽车收音机等直接从家 用电器移植过来的产品以外。几乎没有汽车电子工业。进入 20世纪90年代以后.随着 我国汽车工业的较快发展和国外的汽车电子化潮流,我国的汽车厂家如雨后春笋般涌 现。据 CCID统计,我国涉及汽车电子生产的企业有 1000 多家,但其多数企业规模偏 小,产品结构单一。且技术含量低。近几年,我国汽车产业发展迅猛。特别是轿车产 业.我国的巨大市场潜力吸引了全球知名汽车厂商的目光,纷纷来华投资,凭借这些 跨国企业提供的技术、硬件、以及产能上的保障,我国在短短几年时间内成为全球知 名的汽车生产国。当前,汽车由单纯的机械产品逐步演变为一种高级的机电一体化产
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品.并向着电动汽车 (含混合动力车 )和智能汽车的方向。使汽车电子市场进入了一个 稳定且快速增长阶段;同时第三代移动通信、高清数字电视、卫星导航、移动网络等 越来越多的 IT技术被逐步移植到汽车上,电子装置占整车的价值比显著提高,汽车电 子产业也随之蓬勃发展。 自主开发刚刚起步,合资合作企业成为竞争的主体。我国汽车电子企业正处于起 步发展阶段,据统计,我国汽车电子企业或涉及汽车电子生产的企业有 1000多家,但 绝大部分企业规模都太小,产品单一并且技术含量低,与世界汽车电子业跨国公司的 差距在不断拉大。目前,国内在整车及大总成的电子控制系统方面有一些自主开发生 产的产品,如重庆宏安 ABS技术有限公司、维克交通高技术有限公司、西安国力博华 机电公司等生产了商业化的 ABS产品;重庆欧翔、深圳欣源展实业公司都自主开发生 产了自动变速器;北京赫达、石家庄久乐、山西大恒通用都少量生产了安全气囊产品。 虽然我国企业也能自主开发出一些产品,但总体水平与国外相比差别很大,与国际先 进水平相比,要落后 10~15年。主要差距是在电子控制单元的软硬件、系统的可靠性 和控制精度方面;企业的技术主要来源于国外,而且虽然某些产品已形成一定的生产 能力,但是规模化大生产还未形成。 配套体系相对封闭,行业进入壁垒较高。尽管全球汽车电子产业分工体系呈现出 日益专业化的趋势,但目前,我国汽车工业条块分割的封闭配套体系还没有根本性的 转变,我国汽车电子企业产品销售渠道依旧单一、封闭,对整车厂依赖程度高。而目 前国内整车厂与外方合资已成主流,引进外国新车型,越来越多地采用原配套厂生产 的进口零部件。尽管国际汽车厂商在进入中国之前都承诺,零部件在中国生产,实行 全球化采购。但一旦进入,就把为其配套的零部件厂商带进来了,对于缺乏统一质量 标准的国内零部件企业,要想进入它的配套体系甚至比插针还难。事实上,汽车电子 行业的一个显著特点是主机厂根据整车厂商的要求进行专门设计制造,产品要具有多 样性和适应性,有专门为一个客户建设的生产线。如上海联合电子和德尔福公司分别 为东安发动机厂各提供一套系统,东安厂提供两套电喷发动机供整车厂选择。因此, 配套渠道体系一旦形成就会相当稳定。正因为这样,为了获得广阔的市场空间,主机 厂之间的渠道竞争必将成为企业竞争的制高点,渠道竞争将日趋激烈。 电子点火系统也有闭环控制与开环控制之分 :带有爆震传感器, 能根据发动机是否 发生爆震及时修正点火提前角的电控系统称为闭环控制系统;不带爆震传感器,点火
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提前控制仅根据电控单元内设定的程序控制的称为开环控制系统。 系统中的空气由电控单元根据输入信号通过控制相关电磁阀引往空气滤清器、排 气管及催化式排气净化器中。该系统有两套主控电磁阀,第一套电磁阀为分流阀,用 于将空气送往空气滤清器;第二套电磁阀为开关电磁阀,用于将空气送往排气管或催 化式排气净化器。二次空气喷射系统也常被称为补燃系统或后燃系统。其原因是可燃 混合气在汽缸内进行第一次燃烧后,其中那些未完全燃烧的部分由于人为地引入新鲜 空气而使其在排气过程中进行了补燃,因而经消声器排入大气时的尾气很少有或者完 全没有火星。而排气内有火星是在有可燃气体存在的情况下引发火灾的一大原因。因 此,二次空气喷射系统也是防止内燃机尾气引起火灾的一项重要技术和设施。除了在 轿车上应用外,它还广泛应用于安全性能要求更高的内燃机车和专用汽车,如液化气 运输车、轻油运输车、机场加油车等。 近几十年来,基于提高汽车发动机动力性、经济性和降低排污的要求,许多国家 和发动机厂商、科研机构投入了大量的人力、物力进行新技术的研究与开发。目前, 这些新技术和新方法,有的已在内燃机上得到应用,有些正处于发展和完善阶段,有 可能成为未来内燃机技术的发展方向。发动机可变气门正时技术 (VVT, Variable Valve Timing)是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种, 发动机采用可变气门 正时技术可以提高进气充量,使充量系数增加,发动机的扭矩和功率可以得到进一步 的提高。Passat B5 轿车选用 2.8 升 V6 发动机,该发动机对可变气门正时进行了特别 设计。从俯视观察,排气凸轮轴安装在外侧,进气凸轮轴安装在内侧。曲轴通过齿形 皮带首先驱动排气凸轮轴,排气凸轮轴通过链条驱动进气凸轮轴。Passat B5 发动机所 应用的可变气门正时系统,是通过微机控制可变气门调节器上升和下降获得齿形皮带 轮与进气凸轮(进气门)的相对位置变化,这种结构属于凸轮轴配气相位可变结构, 一般可调整 20~30 曲轴转角。 电控单元 (ECU)根据传感器检测到的发动机转速、节气门开度、车速、发动机冷 却液温度、自动变速器液压油温度等信号确定换档规律,并向电磁阀发出电子控制信 号;电磁阀将该信号转变为液压控制信号,阀板中的各个控制阀根据这些液压控制信 号,控制换档执行机构的动作,从而实现自动换档;电控自动变速器则在全液压控制 自动变速器的基础上增加了一套电子控制系统,ECU根据节气门开度和车速等信号确 定换档时刻,控制执行元件电磁阀工作,从而控制制动器和离合器工作,实现换档。
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对于电控自动变速器, 采用节气门阀主要用于调节油道压力, 而不用于控制换档时刻。 电控自动变速器能实现最佳的换档规律,具有良好的经济性和动力性,污染低;换档 过程中无冲击和振动,换档动作准确、及时;工作稳定、可靠,能在高低温、大颠簸、 冲击振动、强磁声、电子干扰下正常工作,能很好地适应复杂的交通情况和地理条件; 具有故障自诊断功能;取消了离合器,无需频繁换档,操纵方便。但电控自动变速器 也存在结构复杂、零件精度要求高、制造难度大,成本较高、维修技术复杂,车辆低 速行驶时传动效率较手动变速器低等缺点。 驱动力矩可以通过调节发动机的输出转矩、变速器传动比、差速器锁紧系数等来 实现,但目前采用调节变速器传动比和差速器锁紧系数的方式在TRC中,相对而言, 较为少见。在差速器向车轮输出端的离合器片上加压可实现锁止功能,其锁止的程度 可逐渐变化,从基本锁止到完全锁止。控制压力来自蓄压器的高压油液,压力值的大 小由TRC电脑控制电磁阀来调节,并由压力传感器和驱动轮车速传感器反馈给电子控 制单元实行反馈控制。这种控制方式可以把驱动轮的差速滑动控制在某一范围内,使 汽车在各种路面上行驶和启动时都具有较好的稳定性和操纵性。简单地说,TRC系统 的工作过程是:车速传感器将车轮的速度转变为电信号传给 TRC电脑,TRC电脑据此 计算车轮的滑转率,再综合参考节气门开度、发动机转速等信号确定控制方式,输出 信号使执行机构动作, 从而将驱动轮的滑转率控制在目标范围之内。 由于 TRC是在ABS 的基础上发展起来的, ABS和TRC系统之间有许多相似之处,如都需要对车轮的滑转 率进行控制, 都需要电脑和车速传感器等, 为此,一般有 TRC系统的汽车都装有ABS, 如日本的丰田凌志 LS300,LS400,美国的卡迪拉克、别克等车型都装有 TRC系统,但 装有ABS的轿车并不一定装有 TRC。 微控器必须控制EPS系统的直流有刷电机。微控器根据转矩传感器提供的转向轮 所需转矩信息,形成一个电流控制回路。为了提高系统的安全水平,该微控器应有一 个板载振荡器,这样即使在外部振荡器出现故障的情况下,亦可确保微控器的性能, 同时还应具备片上看门狗。英飞凌公司的 XC886集成了所有重要的微控器组件,其它 安全特性可通过软件实现,如果必须执行 IEC61508等行业安全标准规范,就不得不完 成各种诊断和自检任务,因而会增加微控器的工作负荷。目前不同客户采用的转矩传 感器与转子位置传感器差别很大。他们采用不同的测量原理,如分解器、电磁共振器、 基于传感器的集成巨磁阻 (IGMR)。
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近年来,汽车保有量迅速增加,汽车安全性已成为人们最关心的问题。为了保障 人民生命财产安全,政府部门制定了相关的道路交通安全法规,为了满足安全法规和 消费者对.汽车安全性的要求,汽车厂制造了多种汽车作为现代人类的交通工具,改 变了人们的生活方式,推动了社会经济的发展和人类文化的进步,成为社会不可缺少 的交通工具。汽车道路交通事故是世界性的灾害,因此汽车交通安全也是世界性的难 题。道路交通事故引发的人员伤亡,财产损失,给国民经济带来了巨大的影响。然而 诱发交通事故的因素是多方面的,它受汽车行车速度、道路条件、车辆状况、驾驶员 行为、驾驶员的文化素质和自然环境等综合因素的影响。现代汽车主动安全性电子技 术有代表性的电控装置有防抱死制动系统 (ABS)、电子制动力分配装置 (EBD)、驱动 防滑系统(ASR)、电子稳定程序系统 (ESP)、电控悬架系统、电控动力转向系统、主 动避撞系统、车辆动力学控制系统 (VDC)、信息显示系统等。 防抱死制动系统是一种防止制动过程车轮抱死的汽车主动安全装置。ABS系统在 制动过程中通过传感器感知车轮与路面的滑移,由 ABS 电控单元做出判断,并通过电 磁阀调整制动力的大小,使轮胎滑移率保持在一个理想的范围 (10% ~20% ),来保证 车辆制动时有较大的纵向制动和抗侧向外力的能力, 防止可能发生的后轮侧滑, 甩尾, 提高汽车在制动过程中的方向稳定和转向操纵的能力,并能提高附着系数利用率,缩 短制动距离,减少轮胎磨损。电子控制汽车防抱死系统是目前提高车辆行驶安全性的 有效措施之一。 自 20 世纪 70 年代以来,汽车工业的飞速发展都是在电子技术的推动下实现的, 未来几年内的汽车领域的技术革新,将有 70% 来自于电子技术的进步。可见,电子 技术在未来汽车工业中所起到的作用是不可替代的。一个国家电子产业的水平及其在 汽车工业的应用情况,将会决定它在未来的世界汽车行业竞争中能否掌握主动权。对 于我国汽车工业来说,汽车电子产业仍处于初期阶段。必须正确把握未来汽车电子技 术发展方向,加快相关技术的研究开发工作,以便形成自己的优势,实现民族汽车产 业的快速崛起。未来汽车设计的发展必然随着汽车技术的进步而日新月异,众多设计 师的艺术风格也会更广泛更强烈地体现在汽车设计之中,而给予人们更加广泛的选 择。高科技下,个性鲜明、更加人性化的汽车将是 21 世纪汽车产业发展的必然,因 为它符合人类对文化、个性的追求和需要。因此,加大对概念汽车的设计的重视和投 入,将对我国汽车产业的发展起到极大的推进作用 .
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现代汽车电子技术的应用不仅提高了汽车的动力性、经济性和安全性,改善了汽 车行驶的稳定性和舒适性,推动了汽车产业的发展,而且还为电子产品开拓了更加广 阔的市场,从而推动了电子产业的发展。作为汽车产业和电子产业结合的产物,汽车 电子产业的发展已经驶上了快车道。在未来的几年中,汽车电子产业的发展将会主要 集中在汽车网络、通讯系统、音响、动力总成、底盘控制、安全以及车身控制系统等 方面。

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