汽车电子系统发展和实用化的三大技术 - 文章

汽车电子系统发展和实用化的三大技术

作者：神龙汽车有限公司项妍操小军

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[摘要] 目前在汽车上使用的新技术有80%来源于电子系统的不断更新和进步。目前已经开始进入实用状态的有三大技术，即：X-by-wire 技术、车载网络和42V 电能方案。他们之间相辅相成、互相促进，使得汽车电子技术水平迈上了一个新的台阶。
关键词：汽车电子 X-by-wire 技术 CAN 网 42V 能量方案

1 引言

在过去的数十年里，车用电子系统在数量和复杂程度上取得了极大的增长。由于大量使用了电子元件，如各类传感器、微处理器、电动驱动器等，汽车成本已大大增加。而今，中高级汽车上的电子系统已经占整车总制造成本的23%以上。一辆汽车上的电子产品所占的平均费用由1977 年110 美元上升到2001 年的1800 美元。汽车专家们认为，当前汽车上的新技术有80%来源于电子系统的不断更新和进步。预计在未来十年内，汽车电子及电子技术相关产品在整车成本中所占的比例将从目前的20％上升到32％。汽车电子的增长率将从目前的10％上升到20％。

由于人们对汽车节能、安全、舒适、便捷和豪华的追求，对汽车的性能提出了更高的要求。使用传统机械的办法已不能使汽车的性能进一步得到明显的改善和提高。近年来，微电子技术的飞速发展，特别是微型计算机技术的巨大进步，将电子技术和传统的机械相结合，使得汽车的环保、节能、安全、舒适、便捷和智能化等方面的问题均能得到很好的解决。

笔者认为，目前可实用化和正在实用化的汽车电子技术主要集中在三个方面，即以下的三种技术：

（1）电控技术的发展和使用，即电控化或叫线控化（X-by-wire）技术；
（2）车载网络系统特别是CAN 网的不断使用和普及；
（3）即将采用的新的电压系统42V（伏）整车电器系统。

这三种技术的发展，有的已经开始实用，有的即将投入实用。为此，我国在引进拥有这些新技术的新车型的同时，也需要对这些技术有必要的认识和研究，这样才有利于提高我们的汽车设计和制造水平，使得我国汽车生产企业能尽快的达到国际水平。

2 X-by-wire 技术

过去的汽车曾经是机械和液压系统的天下，随着人们对汽车要求的不断提高，特别是对排放和安全性的要求，如今的汽车已经变成了一个高度的机电一体化的自动系统。随着技术的发展这种趋势越来越明显。

人们现在常常提到一个名词“X-by-wire”，“wire”是电线的意思，“by-wire”可理解为电控方式，而这里的“X”就像数学方程中的未知数，代表着汽车中传统上由机械或液压控制的各个部件，大的如：发动机、悬架、转向机等，小的如：油门、门锁等。显然，为了满足人们对汽车更高的要求，这些由机械或液压控制的部件正在逐渐的转化为由机电液压一体化控制，甚至转换为纯电子控制方式。

目前，用合理配置的电子部件取代机械部件的工作正在有条不紊的进行中，系统的性能和水平也获得了不断提升。先进的电子系统的费用也在直线下降。底盘控制和灵敏传感等复杂的高性能的电子部件已被应用在高级汽车上，并逐渐的成为主流。图1 表明自1920 年以来在制动稳定性控制方面，电子控制化趋势十分明显。

高可靠性的容错电子控制系统X-by-wire 不依赖于传统的机械和液压装置，它使得汽车更轻、更便宜、更安全、更省油。其自诊断系统和适配系统对各类型车辆都适宜。这个系统可取消汽车的驱动带，液压制动泵，甚至转向柱，出现无转向盘的汽车。

事实上，到2010 年将有1/3 的新车拥有电子驾驶系统。正在开发的X-by-wire 驾驶系统将用角度感应器和反馈电机取代转向柱。一个串行网络给安装在车轮上的执行电机提供控制链接。转向柱的这一变化将在发生冲撞时改进驾驶者的安全性。它将简化左右手驾驶零件。

在此电子系统基础之上，增加一些先进功能是很容易的。如：在机械转向系统中，驾驶员在高速时不能正确使用转向盘（如：由于惊慌，过快的转向），而电控方式可在适当范围内驱动执行电机跳过这一失控阶段。

所有大型汽车制造商都在开发X-by-wire 系统雏形及其产品。如：TRW 电子辅助驾驶系统使得燃油经济性上升5%，Delphi 汽车宣称在E-steer system 中也作了类似改进。Bosch，Valeo 公司和其他一些设备制造商已开发或正在开发X-by-wire 技术和产品。

3 车载网络

随着汽车电子技术的发展，汽车上出现了许多的电控单元，如：发动机控制模块(ECM)、BVA 电脑、智能显示屏、ABS 等。这些带微处理器的电子元件之间存在着大量的信息交换。以往，电线作为电器元件的标准连接方式。但是随着电子产品的不断增加，愈来愈多的连接线成为阻碍技术发展的壁垒。

采用传统的线束方案将使得连线的长度和数量大大增加，而不断加长的线束和增多的插接器增加了汽车质量，削弱了性能，使得可靠性很难保证。一辆正常行驶的车辆，线束每超过50g 或能量损耗每超过100W，百公里油耗将增加0.2L。而且，繁杂的线束插接器使得电压大幅下降，限制了其他功能的正常使用，成为汽车电子系统中最昂贵、最繁琐的的一部分。

车载网络系统就是将电器元件连接在汽车控制网上，如同计算机连接在局域网上一样。这些网络都可以方便地进行信息和资源共享，从而成功的解决了上述技术难题，这也是现代计算机网络技术和汽车电子技术成功结合的一个典型范例。目前，车载网络系统已开始在全世界范围内得到广泛的应用。而在汽车中应用最广泛的网络协议标准就是CAN（Controller Area Network）网。

20 世纪80 年代中期，Bosch 公司开发出了这种控制局域网，这是最早的、使用时间最长的汽车控制网络。CAN 网已在当前的汽车上广泛应用。仅2000 年其相关器件的销量就超过的1 亿个。

一台典型安装有CAN 网的车辆能同时容纳2～3 个独立的运行在不同传输速率下的CAN 网，低速CAN网运行在125 Kbps 下，通常负责管理“舒适性功能”，如：电动座椅，电动玻璃升降等。一般情况下，没有实时要求的控制采用低速网。它有能量存储-睡眠模式，在此模式下，节点停止振荡直到一个CAN 网信息唤醒它。睡眠模式可防止电量消耗。

高速CAN 网用于满足实时性高的重要控制。如：发动机管理、ABS、巡航。尽管高速CAN 网最大波特率可达到1Mbps，但是CAN 网高速运行时双绞线电缆中产生很大的电磁辐射，当传输速率超过500kbps后，其能量的损失会迅速增大。所以一般高速网为500kbps。图2 给出了一个典型的双速CAN 网的模型。

图2 一个典型的CAN 网模型

4 电能供应和42V 方案

随着汽车上电子系统的迅速增多，他们将消耗大量的电能，使得总负荷即将超过2kW。内部能量需求将以每年4%的速度递增，如果这种趋势持续下去，那么，保守一点估计，到2005 年，高级汽车的平均电能需求将达到2.5kW。这种增长将使目前的供电系统显得力不从心。例如：在3kW 负荷下，带托架和皮带传动的发电机会发出明显的噪声，并且需要附加额外的冷却装置。

表1 指出了一些重要系统可能消耗的电能负荷。汽车专家们预计在2005 年的电器负荷水平会达到表中的指定值。

表1 汽车主要电器系统负载预计

在一个汽车电子系统内部，对于特定的功率，电压值的提高可使得系统电流减小。而小的电流可使得导线上的损耗减少，从而可使用更细更小的线束。提高电压值，也可以减少电器装置本身的体积、质量和损耗，也有利于控制装置的小型化，提高集成度。

采用42V 的电器系统需要一个36V 蓄电池，最大工作电压50V，峰值电压可达58V。这是因为60V 是工程师们认为的最大安全界限。更高的电压将产生危害。

尽管42V 系统的优点显而易见，但从沿用了半个世纪的12V 系统转换成42V 系统，产品的重新设计和制造的费用极大，维护和升级将带来障碍。因此，目前比较现实的是采用一种14V/42V 的双电压方案，以减小对汽车零部件制造业的冲击，实现平稳过渡。

14V/42V 双电压的变换过程如下：交流发电机输出42V 高电压，借助一个DC/DC 变换器（直流变换器），由42V 变换14V。在这个系统中，DC/DC 变换器将供电系统分隔为两个具有不同电压等级的供电系统，除降压外，还在整个电气系统的电能分配管理中起到重要作用。

5 结束语

通过对以上三种汽车电子发展和实用化技术的分析，大家不难看出，他们之间有着十分明显的因果关系。为了满足人们对汽车性能的新要求，必须广泛采用X-by-wire 技术实现电控化，而X-by-wire 技术的发展又使得线束系统过于复杂化而不堪重负，车载网络系统的发展则成功的解决了这一技术难题。同时采用42V 能量方案又保障了前两者的能量供应，并为其发展提供了更广泛的空间和保证。这三者相辅相成、互相促进的共同发展，必将使汽车电子技术水平迈上一个新的台阶。可以预见，在最近几年，我国与国际同步推出的新车型里，我们将会经常看到成功应用这些技术的例子。

参考文献
1 Gabriel Leen， Donal Heffernan “Expanding Automotive Electronic systems” IN VEHICLE NETWORKS 0018-91621021 January 2002
2 吴玉生，刘曙生，陈大恒. CAN 网络应用软件的设计. 微机算计信息2002 (2)
3 邬宽明. CAN 总线原理和应用系统设计. 第一版. 北京航空航天大学出版社， 1996(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/8/2005)


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