汽車電氣的現代電子控制技術探討

摘 要：隨著計算機應用及其相關技術的發展，電氣控制的方法來控制汽車的功能成為可能。文章針對汽車電氣與電子控制系統做了詳細分析，分析了系統的工作原理及特點、闡述了汽車電子控制系統的相關先進技術。

關鍵詞：汽車；電子控制；電氣系統

汽車電氣設備汽車應用上的發展經過了大約100多年的歷史。從20世紀初磁電機應用到汽車的電點火上，經過了感應線圈點火裝置、照明裝置、起動機、交流電動機等一系列電氣裝置的研發應用，汽車電氣與電子控制系統逐漸走向成熟。隨著計算機技術及電子信息技術的迅猛發展，電子功率開關技術、先進的控制策略、總線技術及智能電器技術在汽車電氣與電子控制系統應用越來越廣泛，使得汽車的電氣裝置更加安全可靠，電氣系統更加穩定。大多數汽車制造商都在對當前的技術進行不斷的改進，電子控制技術將被應用到汽車更多的領域。在不久的將來，汽車電子控制系統主要的變化是將12V系統改為42V系統，這將為其他系統的發展打開希望之門。42V系統對汽車的主要改變是使汽車可以采用更多的線控系統，遠程信息處理也將進一步發展。

1 概述

汽車上許多復雜的電子控制系統都可以從輸入和輸出進行分析。將電子控制單元作為系統的控制元件，考慮其輸入和輸出，是對系統進行分析通常使用的方法。

汽車的電氣系統可以分為開環控制系統和閉環控制系統。開環控制系統是一個只要給定輸入就可以得到需要的輸出的系統。例如汽車的前照燈就是一個開環控制系統，在給定輸入、開關接通的情況下，得到需要的輸出-前照燈被點亮。要確定一個系統是否為開環控制系統，只要看該系統工作時是否需要反饋，如果不需要反饋，即為開環控制系統。存在反饋的系統為閉環控制系統。反饋的作用是如果輸出結果偏出希望值時，可以對其進行矯正。汽車的自動溫度控制系統就是一個閉環控制系統，車內的溫度由暖風加熱器的輸出決定，暖風加熱器的開關取決于來自汽車乘坐艙內溫度傳感器的信號。反饋來自系統的輸出，即溫度信號，該信號也作為系統的輸入信號。

根據汽車不同功能系統的劃分，汽車的電氣與電子控制系統包括充電系統、起動系統、點火系統、電氣控制燃油噴射系統、發動機管理系統、照明系統、空調系統、底盤電子控制系統及舒適性與安全系統等。

充電系統內的主要部件是交流發電機，在許多現代汽車上，除了與其相連的導線外，交流發電機是充電系統唯一的部件。充電系統必須滿足能提供所有負載所需要的電流、在所有工況下都能提供恒定的電壓、具有較高的功率重量比及維護需求少等要求。

起動系統需要滿足的要求是使用壽命長、勿需維護、可隨時工作、能經受啟動應力及震動等方面的影響、結構緊湊及重量輕等。設計起動系統需要考慮的問題：起動機位置的確定需要考慮蓄電池的位置，根據汽車不同的用途，需要對起動機采取不一樣的密封措施。

點火系統的基本功能是在接近壓縮行程上止點時，在氣缸內產生電火花，點燃壓縮的可燃性混合氣。點火系統的工作原理是在點火線圈中的一個繞組中反復通電、斷電，在另一個繞組中感應出高電壓。點火系統的設計要考慮的因素：燃燒室的結構、空燃比、發動機的轉速范圍、發動機的負荷、發動機的用途及排放法規等。

發動機管理系統包括點火與燃油組合管理系統、廢氣排放控制及車輛控制系統等。涉及到的控制方式包括閉環控制、爆燃控制及怠速控制。綜合控制系統采用一個或多個控制單元（ECU），這些ECU之間通過控制器局域網（CAN）數據總線能夠互相通信，采用集中控制的方式控制每個單元中作到它的最佳狀態。實現全面的集中控制的優點可以使車載診斷（OBD）擴展到整車，節省修理時間和運行費用。隨著科技的發展，人工智能和神經網絡也應用到發電機管理系統中。

底盤電子控制系統包括防抱死制動器、牽引力控制、自動變速器、電氣控制動力轉向、電氣控制防滑差速器及制動輔助系統等。防抱死控制系統就是在汽車制動過程中，當車輪滑移率低于穩定界限時，又自動增加制動壓力，以增大車輪制動器制動力，從而增大車輪滑移率。保證汽車的制動方向穩定性，防止產生側滑和跑偏。牽引力控制系統的作用是保持操作的穩定性，減輕橫擺力矩的影響、在所有轉速下提供最佳驅動力及減輕駕駛員勞動程度。自動變速器的主要作用是降低燃油消耗、提高變速器使用壽命及可靠性。

2 先進技術在汽車電子控制系統的應用

2.1 電子功率開關在電氣系統的應用

電子功率開關器件包括晶閘管、大功率晶體管、功率場效應管、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等器件。可以根據不同的工作參數和用途區分不同的器件及規格型號。在汽車電子控制系統的應用中，需要考慮電子功率器件的極限參數、工作參數、控制方式及性能特點等綜合目標。目前的電子半導體器件朝集成化方向發展，一般一個電子半導體模塊是把兩個或者兩個以上的電力電子功率開關器件及需要的輔助電路集成在一起。這種集成模塊化電子功率器件大大提高了電力電子裝置的可靠性和效率，減小了電力電子裝置的體積和重量，使得綜合性能指標得到進一步的提高和完善。

電子功率開關器件是汽車電子控制系統中不可缺少的重要部件。開關器件的作用主要是用來控制汽車的各種電氣設備，這就需要開關器件達到安全、可靠、耐用及便于操縱的性能要求。隨著電子功率開關器件集成化程度的發展，混合封裝形式的智能電力電子功率模塊（IPEM）應用越來越廣泛，它的性能優勢主要體現在技術性和經濟性方面。

2.2 總線技術在電氣系統的應用

隨著電子控制系統的數量的持續增加，傳統的線路傳輸系統已不能滿足信號傳輸的要求。現代總線技術包括CAN總線技術、LIN總線技術、MOST總線技術及FlexRay總線技術，其中CAN總線技術在汽車電子控制系統中應用最為廣泛。

針對不同總線技術的特點，汽車制造商根據所需連接的電子控制單元的不同而選擇合適的總線技術。一般控制器局域網絡（CAN）總線技術多用于傳動系統和制動系統控制單元的連接。由于局域互聯網絡（LIN）總線技術適用在通信不太密集的情況，所以這種總線技術一般應用在汽車的控制車鏡和車窗升降裝置上。MOST總線技術多用于汽車的多媒體娛樂系統，除此之外的控制系統的連接可以用FlexRay總線技術作為補充。

2.3 智能電器在電氣系統中的應用

隨著數字技術的發展，未來汽車電子控制系統的智能化器件的基本特征就是數字化通信功能。汽車智能電器的應用包括汽車智能傳感器、智能執行器及數字信號傳輸技術等。

一般由轉換器、信號調理、模數轉換、微處理器、通訊控制器和存儲器等組成的智能傳感器在電氣系統應用越來越廣泛。它可以完成采集量的數字方式的傳輸、提高傳感器的線性度和準確度、調整傳感器的零點及適用范圍等。智能傳感器也可以檢測和傳輸模擬量。

智能執行器在原有的執行裝置上增添了自我控制和自我調節等復雜的功能。其中代表性的包括智能雨刮器、智能輪胎及智能汽車前照燈等裝置。

3 結束語

文章針對汽車電氣與電子控制系統的組成和原理做了詳細闡述，介紹了幾種先進技術在汽車電子控制系統中的應用。隨著電動汽車及新能源汽車的發展，汽車電氣電子控制系統越來越復雜化，智能化，集成化。

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作者簡介：賈峰（1986，11-）男、山東菏澤人，助理工程師，工學學士；研究方向：電氣工程。endprint