汽车电气的现代电子控制技术探讨

摘 要：随着计算机应用及其相关技术的发展，电气控制的方法来控制汽车的功能成为可能。文章针对汽车电气与电子控制系统做了详细分析，分析了系统的工作原理及特点、阐述了汽车电子控制系统的相关先进技术。

关键词：汽车；电子控制；电气系统

汽车电气设备汽车应用上的发展经过了大约100多年的历史。从20世纪初磁电机应用到汽车的电点火上，经过了感应线圈点火装置、照明装置、起动机、交流电动机等一系列电气装置的研发应用，汽车电气与电子控制系统逐渐走向成熟。随着计算机技术及电子信息技术的迅猛发展，电子功率开关技术、先进的控制策略、总线技术及智能电器技术在汽车电气与电子控制系统应用越来越广泛，使得汽车的电气装置更加安全可靠，电气系统更加稳定。大多数汽车制造商都在对当前的技术进行不断的改进，电子控制技术将被应用到汽车更多的领域。在不久的将来，汽车电子控制系统主要的变化是将12V系统改为42V系统，这将为其他系统的发展打开希望之门。42V系统对汽车的主要改变是使汽车可以采用更多的线控系统，远程信息处理也将进一步发展。

1 概述

汽车上许多复杂的电子控制系统都可以从输入和输出进行分析。将电子控制单元作为系统的控制元件，考虑其输入和输出，是对系统进行分析通常使用的方法。

汽车的电气系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统是一个只要给定输入就可以得到需要的输出的系统。例如汽车的前照灯就是一个开环控制系统，在给定输入、开关接通的情况下，得到需要的输出-前照灯被点亮。要确定一个系统是否为开环控制系统，只要看该系统工作时是否需要反馈，如果不需要反馈，即为开环控制系统。存在反馈的系统为闭环控制系统。反馈的作用是如果输出结果偏出希望值时，可以对其进行矫正。汽车的自动温度控制系统就是一个闭环控制系统，车内的温度由暖风加热器的输出决定，暖风加热器的开关取决于来自汽车乘坐舱内温度传感器的信号。反馈来自系统的输出，即温度信号，该信号也作为系统的输入信号。

根据汽车不同功能系统的划分，汽车的电气与电子控制系统包括充电系统、起动系统、点火系统、电气控制燃油喷射系统、发动机管理系统、照明系统、空调系统、底盘电子控制系统及舒适性与安全系统等。

充电系统内的主要部件是交流发电机，在许多现代汽车上，除了与其相连的导线外，交流发电机是充电系统唯一的部件。充电系统必须满足能提供所有负载所需要的电流、在所有工况下都能提供恒定的电压、具有较高的功率重量比及维护需求少等要求。

起动系统需要满足的要求是使用寿命长、勿需维护、可随时工作、能经受启动应力及震动等方面的影响、结构紧凑及重量轻等。设计起动系统需要考虑的问题：起动机位置的确定需要考虑蓄电池的位置，根据汽车不同的用途，需要对起动机采取不一样的密封措施。

点火系统的基本功能是在接近压缩行程上止点时，在气缸内产生电火花，点燃压缩的可燃性混合气。点火系统的工作原理是在点火线圈中的一个绕组中反复通电、断电，在另一个绕组中感应出高电压。点火系统的设计要考虑的因素：燃烧室的结构、空燃比、发动机的转速范围、发动机的负荷、发动机的用途及排放法规等。

发动机管理系统包括点火与燃油组合管理系统、废气排放控制及车辆控制系统等。涉及到的控制方式包括闭环控制、爆燃控制及怠速控制。综合控制系统采用一个或多个控制单元（ECU），这些ECU之间通过控制器局域网（CAN）数据总线能够互相通信，采用集中控制的方式控制每个单元中作到它的最佳状态。实现全面的集中控制的优点可以使车载诊断（OBD）扩展到整车，节省修理时间和运行费用。随着科技的发展，人工智能和神经网络也应用到发电机管理系统中。

底盘电子控制系统包括防抱死制动器、牵引力控制、自动变速器、电气控制动力转向、电气控制防滑差速器及制动辅助系统等。防抱死控制系统就是在汽车制动过程中，当车轮滑移率低于稳定界限时，又自动增加制动压力，以增大车轮制动器制动力，从而增大车轮滑移率。保证汽车的制动方向稳定性，防止产生侧滑和跑偏。牵引力控制系统的作用是保持操作的稳定性，减轻横摆力矩的影响、在所有转速下提供最佳驱动力及减轻驾驶员劳动程度。自动变速器的主要作用是降低燃油消耗、提高变速器使用寿命及可靠性。

2 先进技术在汽车电子控制系统的应用

2.1 电子功率开关在电气系统的应用

电子功率开关器件包括晶闸管、大功率晶体管、功率场效应管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等器件。可以根据不同的工作参数和用途区分不同的器件及规格型号。在汽车电子控制系统的应用中，需要考虑电子功率器件的极限参数、工作参数、控制方式及性能特点等综合目标。目前的电子半导体器件朝集成化方向发展，一般一个电子半导体模块是把两个或者两个以上的电力电子功率开关器件及需要的辅助电路集成在一起。这种集成模块化电子功率器件大大提高了电力电子装置的可靠性和效率，减小了电力电子装置的体积和重量，使得综合性能指标得到进一步的提高和完善。

电子功率开关器件是汽车电子控制系统中不可缺少的重要部件。开关器件的作用主要是用来控制汽车的各种电气设备，这就需要开关器件达到安全、可靠、耐用及便于操纵的性能要求。随着电子功率开关器件集成化程度的发展，混合封装形式的智能电力电子功率模块（IPEM）应用越来越广泛，它的性能优势主要体现在技术性和经济性方面。

2.2 总线技术在电气系统的应用

随着电子控制系统的数量的持续增加，传统的线路传输系统已不能满足信号传输的要求。现代总线技术包括CAN总线技术、LIN总线技术、MOST总线技术及FlexRay总线技术，其中CAN总线技术在汽车电子控制系统中应用最为广泛。

针对不同总线技术的特点，汽车制造商根据所需连接的电子控制单元的不同而选择合适的总线技术。一般控制器局域网络（CAN）总线技术多用于传动系统和制动系统控制单元的连接。由于局域互联网络（LIN）总线技术适用在通信不太密集的情况，所以这种总线技术一般应用在汽车的控制车镜和车窗升降装置上。MOST总线技术多用于汽车的多媒体娱乐系统，除此之外的控制系统的连接可以用FlexRay总线技术作为补充。

2.3 智能电器在电气系统中的应用

随着数字技术的发展，未来汽车电子控制系统的智能化器件的基本特征就是数字化通信功能。汽车智能电器的应用包括汽车智能传感器、智能执行器及数字信号传输技术等。

一般由转换器、信号调理、模数转换、微处理器、通讯控制器和存储器等组成的智能传感器在电气系统应用越来越广泛。它可以完成采集量的数字方式的传输、提高传感器的线性度和准确度、调整传感器的零点及适用范围等。智能传感器也可以检测和传输模拟量。

智能执行器在原有的执行装置上增添了自我控制和自我调节等复杂的功能。其中代表性的包括智能雨刮器、智能轮胎及智能汽车前照灯等装置。

3 结束语

文章针对汽车电气与电子控制系统的组成和原理做了详细阐述，介绍了几种先进技术在汽车电子控制系统中的应用。随着电动汽车及新能源汽车的发展，汽车电气电子控制系统越来越复杂化，智能化，集成化。

参考文献

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作者简介：贾峰（1986，11-）男、山东菏泽人，助理工程师，工学学士；研究方向：电气工程。endprint