鉅大LARGE | 點擊量：426次 | 2024年02月02日
汽車電子系統(tǒng)發(fā)展和實用化的三大技術(shù)介紹
[摘要]目前在汽車上使用的新技術(shù)有80%來源于電子系統(tǒng)的不斷更新和進(jìn)步。目前已經(jīng)開始進(jìn)進(jìn)實用狀態(tài)的有三大技術(shù)，即：X-by-wire技術(shù)、車載網(wǎng)絡(luò)和42V電能方案。他們之間相輔相成、互相促進(jìn)，使得汽車電子技術(shù)水平邁上了一個新的臺階。
關(guān)鍵詞：汽車電子X-by-wire技術(shù)CAN網(wǎng)42V能量方案
1、引言
在過往的數(shù)十年里，車用電子系統(tǒng)在數(shù)目和復(fù)雜程度上取得了極大的增長。由于大量使用了電子元件，如各類傳感器、微處理器、電動驅(qū)動器等，汽車本錢已大大增加。而今，中高級汽車上的電子系統(tǒng)已經(jīng)占整車總制造本錢的23%以上。一輛汽車上的電子產(chǎn)品所占的均勻用度由1977年110美元上升到2001年的1800美元。汽車專家們以為，當(dāng)前汽車上的新技術(shù)有80%來源于電子系統(tǒng)的不斷更新和進(jìn)步。預(yù)計在未來十年內(nèi)，汽車電子及電子技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品在整車本錢中所占的比例將從目前的20％上升到32％。汽車電子的增長率將從目前的10％上升到20％。
由于人們對汽車節(jié)能、安全、舒適、便捷和豪華的追求，對汽車的性能提出了更高的要求。使用傳統(tǒng)機(jī)械的辦法已不能使汽車的性能進(jìn)一步得到明顯的改善和進(jìn)步。近年來，微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是微型計算機(jī)技術(shù)的巨大進(jìn)步，將電子技術(shù)和傳統(tǒng)的機(jī)械相結(jié)合，使得汽車的環(huán)保、節(jié)能、安全、舒適、便捷和智能化等方面的題目均能得到很好的解決。
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筆者以為，目前可實用化和正在實用化的汽車電子技術(shù)主要集中在三個方面，即以下的三種技術(shù)：
（1）電控技術(shù)的發(fā)展和使用，即電控化或叫線控化（X-by-wire）技術(shù)；
（2）車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特別是CAN網(wǎng)的不斷使用和普及；
（3）即將采用的新的電壓系統(tǒng)42V（伏）整車電器系統(tǒng)。
這三種技術(shù)的發(fā)展，有的已經(jīng)開始實用，有的即將投進(jìn)實用。為此，我國在引進(jìn)擁有這些新技術(shù)的新車型的同時，也需要對這些技術(shù)有必要的熟悉和研究，這樣才有利于進(jìn)步我們的汽車設(shè)計和制造水平，使得我國汽車生產(chǎn)企業(yè)能盡快的達(dá)到國際水平。
2、X-by-wire技術(shù)
過往的汽車曾經(jīng)是機(jī)械和液壓系統(tǒng)的天下，隨著人們對汽車要求的不斷進(jìn)步，特別是對排放和安全性的要求，如今的汽車已經(jīng)變成了一個高度的機(jī)電一體化的自動系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展這種趨勢越來越明顯。
人們現(xiàn)在經(jīng)常提到一個名詞“X-by-wire”，“wire”是電線的意思，“by-wire”可理解為電控方式，而這里的“X”就像數(shù)學(xué)方程中的未知數(shù)，代表著汽車中傳統(tǒng)上由機(jī)械或液壓控制的各個部件，大的如：發(fā)動機(jī)、懸架、轉(zhuǎn)向機(jī)等，小的如：油門、門鎖等。顯然，為了滿足人們對汽車更高的要求，這些由機(jī)械或液壓控制的部件正在逐漸的轉(zhuǎn)化為由機(jī)電液壓一體化控制，甚至轉(zhuǎn)換為純電子控制方式。
目前，用公道配置的電子部件取代機(jī)械部件的工作正在有條不紊的進(jìn)行中，系統(tǒng)的性能和水平也獲得了不斷提升。先進(jìn)的電子系統(tǒng)的用度也在直線下降。底盤控制和靈敏傳感等復(fù)雜的高性能的電子部件已被應(yīng)用在高級汽車上，并逐漸的成為主流。
高可靠性的容錯電子控制系統(tǒng)X-by-wire不依靠于傳統(tǒng)的機(jī)械和液壓裝置，它使得汽車更輕、更便宜、更安全、更省油。其自診斷系統(tǒng)和適配系統(tǒng)對各類型車輛都適宜。這個系統(tǒng)可取消汽車的驅(qū)動帶，液壓制動泵，甚至轉(zhuǎn)向柱，出現(xiàn)無轉(zhuǎn)向盤的汽車。
事實上，到2010年將有1/3的新車擁有電子駕駛系統(tǒng)。正在開發(fā)的X-by-wire駕駛系統(tǒng)將用角度感應(yīng)器和反饋電機(jī)取代轉(zhuǎn)向柱。一個串行網(wǎng)絡(luò)給安裝在車輪上的執(zhí)行電機(jī)提供控制鏈接。轉(zhuǎn)向柱的這一變化將在發(fā)生沖撞時改進(jìn)駕駛者的安全性。它將簡化左右手駕駛零件。
在此電子系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，增加一些先進(jìn)功能是很輕易的。如：在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，駕駛員在高速時不能正確使用轉(zhuǎn)向盤（如：由于驚慌，過快的轉(zhuǎn)向），而電控方式可在適當(dāng)范圍內(nèi)驅(qū)動執(zhí)行電機(jī)跳過這一失控階段。
所有大型汽車制造商都在開發(fā)X-by-wire系統(tǒng)雛形及其產(chǎn)品。如：TRW電子輔助駕駛系統(tǒng)使得燃油經(jīng)濟(jì)性上升5%，Delphi汽車宣稱在E-steersystem中也作了類似改進(jìn)。Bosch，Valeo公司和其他一些設(shè)備制造商已開發(fā)或正在開發(fā)X-by-wire技術(shù)和產(chǎn)品。
3、車載網(wǎng)絡(luò)
隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車上出現(xiàn)了很多的電控單元，如：發(fā)動機(jī)控制模塊(ECM)、BVA電腦、智能顯示屏、ABS等。這些帶微處理器的電子元件之間存在著大量的信息交換。以往，電線作為電器元件的標(biāo)準(zhǔn)連接方式。但是隨著電子產(chǎn)品的不斷增加，愈來愈多的連接線成為阻礙技術(shù)發(fā)展的壁壘。
采用傳統(tǒng)的線束方案將使得連線的長度和數(shù)目大大增加，而不斷加長的線束和增多的插接器增加了汽車質(zhì)量，削弱了性能，使得可靠性很難保證。一輛正常行駛的車輛，線束每超過50g或能量損耗每超過100W，百公里油耗將增加0.2L。而且，繁雜的線束插接器使得電壓大幅下降，限制了其他功能的正常使用，成為汽車電子系統(tǒng)中最昂貴、最繁瑣的的一部分。
車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就是將電器元件連接在汽車控制網(wǎng)上，如同計算機(jī)連接在局域網(wǎng)上一樣。這些網(wǎng)絡(luò)都可以方便地進(jìn)行信息和資源共享，從而成功的解決了上述技術(shù)困難，這也是現(xiàn)代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和汽車電子技術(shù)成功結(jié)合的一個典型范例。目前，車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已開始在全世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。而在汽車中應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)就是CAN（ControllerAreaNetwork）網(wǎng)。
20世紀(jì)80年代中期，Bosch公司開發(fā)出了這種控制局域網(wǎng)，這是最早的、使用時間最長的汽車控制網(wǎng)絡(luò)。CAN網(wǎng)已在當(dāng)前的汽車上廣泛應(yīng)用。僅2000年其相關(guān)器件的銷量就超過的1億個。
一臺典型安裝有CAN網(wǎng)的車輛能同時容納2～3個獨(dú)立的運(yùn)行在不同傳輸速率下的CAN網(wǎng)，低速CAN網(wǎng)運(yùn)行在125Kbps下，通常負(fù)責(zé)治理“舒適性功能”，如：電動座椅，電動玻璃升降等。一般情況下，沒有實時要求的控制采用低速網(wǎng)。它有能量存儲-睡眠模式，在此模式下，節(jié)點停止振蕩直到一個CAN網(wǎng)信息喚醒它。睡眠模式可防止電量消耗。
高速CAN網(wǎng)用于滿足實時性高的重要控制。如：發(fā)動機(jī)治理、ABS、巡航。盡管高速CAN網(wǎng)最大波特率可達(dá)到1Mbps，但是CAN網(wǎng)高速運(yùn)行時雙絞線電纜中產(chǎn)生很大的電磁輻射，當(dāng)傳輸速率超過500kbps后，其能量的損失會迅速增大。所以一般高速網(wǎng)為500kbps。
4、電能供給和42V方案
隨著汽車上電子系統(tǒng)的迅速增多，他們將消耗大量的電能，使得總負(fù)荷即將超過2kW。內(nèi)部能量需求將以每年4%的速度遞增，假如這種趨勢持續(xù)下往，那么，守舊一點估計，到2005年，高級汽車的均勻電能需求將達(dá)到2.5kW。這種增長將使目前的供電系統(tǒng)顯得力不從心。例如：在3kW負(fù)荷下，帶托架和皮帶傳動的發(fā)電機(jī)會發(fā)出明顯的噪聲，并且需要附加額外的冷卻裝置。
在一個汽車電子系統(tǒng)內(nèi)部，對于特定的功率，電壓值的進(jìn)步可使得系統(tǒng)電流減小。而小的電流可使得導(dǎo)線上的損耗減少，從而可使用更細(xì)更小的線束。進(jìn)步電壓值，也可以減少電器裝置本身的體積、質(zhì)量和損耗，也有利于控制裝置的小型化，進(jìn)步集成度。
采用42V的電器系統(tǒng)需要一個36V蓄電池，最大工作電壓50V，峰值電壓可達(dá)58V。這是由于60V是工程師們以為的最大安全界限。更高的電壓將產(chǎn)生危害。
盡管42V系統(tǒng)的優(yōu)點顯而易見，但從沿用了半個世紀(jì)的12V系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成42V系統(tǒng)，產(chǎn)品的重新設(shè)計和制造的用度極大，維護(hù)和升級將帶來障礙。因此，目前比較現(xiàn)實的是采用一種14V/42V的雙電壓方案，以減小對汽車零部件制造業(yè)的沖擊，實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。
14V/42V雙電壓的變換過程如下：交流發(fā)電機(jī)輸出42V高電壓，借助一個DC/DC變換器（直流變換器），由42V變換14V。在這個系統(tǒng)中，DC/DC變換器將供電系統(tǒng)分隔為兩個具有不同電壓等級的供電系統(tǒng)，除降壓外，還在整個電氣系統(tǒng)的電能分配治理中起到重要作用。
5、結(jié)束語
通過對以上三種汽車電子發(fā)展和實用化技術(shù)的分析，大家不丟臉出，他們之間有著十分明顯的因果關(guān)系。為了滿足人們對汽車性能的新要求，必須廣泛采用X-by-wire技術(shù)實現(xiàn)電控化，而X-by-wire技術(shù)的發(fā)展又使得線束系統(tǒng)過于復(fù)雜化而不堪重負(fù)，車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展則成功的解決了這一技術(shù)困難。同時采用42V能量方案又保障了前兩者的能量供給，并為其發(fā)展提供了更廣泛的空間和保證。這三者相輔相成、互相促進(jìn)的共同發(fā)展，必將使汽車電子技術(shù)水平邁上一個新的臺階?？梢灶A(yù)見，在最近幾年，我國與國際同步推出的新車型里，我們將會經(jīng)?？吹匠晒?yīng)用這些技術(shù)的例子。
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