传感器技术在电动汽车上的应用与发展趋势研究

侯庆红，朱春红，梁时光

（北京电子科技职业学院 汽车工程学院，北京 100176）

引言

随着科学技术的发展，电控系统在汽车上得以广泛的应用，传感器是这些系统的主要组成部分，承担着重要的信息采集工作。随着人们对汽车驾驶性及舒适性和各种性能要求的提高，对于传感器的精度及其敏感性和多样性的要求也在增加。目前，燃油车上的传感器的数量及种类也在成倍地增长。如表1所示。

表格1所列也并不是一辆燃油车上的全部传感器，许多操控更加舒适便捷的车辆传感器的数量可以多达近百个甚至两百个之多[1]，可见对于汽车传感器的重要性是大家有目共睹的。这就使得车辆的控制系统越来越庞大，愈来愈繁琐，实际上是不利于汽车的保养及维修的。

表1 燃油车用传感器举例

随着我国各项车辆政策的出台，新能源车尤其是电动汽车的发展逐步开始加快和扩大，实际上电动汽车可以很好地解决了这一矛盾。

1 电动汽车上应用的传感器

电动车首先没有了发动机，因此关于发动机的传感器就全部省略掉了，如：曲轴位置传感器、爆震传感器、氧传感器、进气温度传感器等；关于变速箱控制的传感器也被省略了，如：变速箱压力传感器、变速箱速度传感器、挡位位置传感器等；省略掉的还有尾气排放及其控制系统。保留下来的有底盘控制系统、车内舒适度控制系统及安全控制系统等的传感器元件。除此之外，还需要增加几种电动汽车所特有的传感器元件，包括：电流检测传感器、电压传感器、电池温度检测传感器等。这是因为电动汽车的动力装置是由单元电池组构成，也就是“动力电池”，而动力电池与储能电池的区别是，动力电池需要提供较大的放电电流，而且其工作时电流波动很大，具有峰谷效应，因此电动汽车的电池管理系统需要实时采集与电池状态相关的参数（包括电压、电流、温度等）从而对电池的状态进行准确估计，正确的参数测量可以极大地减少电池的失效事故，对不健康的电池早诊断，防止电池的过充电和过放电，保证电池组的全面安全运行。

图1 单元电池组管理系统总体结构图[2]

2 几种电动汽车专用的传感器

（1）电池温度传感器

动力蓄电池作为纯电动汽车运行的唯一能量来源，是电动汽车的核心组成部分，在电动汽车上扮演着等同于燃油车辆中“发动机”的重要角色。温度是影响电池剩余电量和使用寿命的重要因素之一。为了使蓄电池处在最佳的工作状态并且随时把握好电池的荷电状态，需要选用一种抗干扰能力强、测量精度高的NTC温度传感器器件进行电池单体温度的准确测量。

图2 镍氢电池通风管结构示意图

考虑到电池管理系统对温度测量实时性和准确性的要求，电动汽车蓄电池单体温度采集系统设计时，需要考虑以下问题：（1）温度采集系统是整个电动汽车电池管理系统的一个重要组成部分，鉴于电池管理系统自身的复杂性，要尽量节省单片机端口资源的使用；（2）合理设计软硬件，保证系统工作的稳定性和可靠性；（3）要求系统可以识别单线总线上挂接的所有单总线器件，按照设计需要准确得到目标器件的温度值，并确保数据传感器数据被总线控制器接收的准确性。

（2）电池电流传感器

动力电池在充放电时，对充放电电流大小有严格要求，所以必须由电流传感器对电池充放电电流进行监测。霍尔电流传感器通过监测电池充放电电流状态解决了电池组容量在线监测和单体电池故障早期诊断的难题，为动力电池日常维护提供重要的依据，保证电池组的可靠运行，在电池在线监测系统中起到了必不可少的作用。

图3 电池电流传感器的安装位置图

图4 电流传感器的连接示意图

图5 霍尔电流传感器的外形

（3）制动踏板行程传感器

图6 电动汽车踏板行程传感器

电动汽车用制动踏板行程传感器是采用了无接触行程测量技术，可以记录驾驶员所需的理想制动水平，之后制动系统会进行电气化、液压化执行或是电气液压混合执行，实现了无接触和无磨损行程测量。

除了以上的几种传感器，电动汽车还安装有方向盘转角传感器、电机速度传感器等等电动汽车所特有的传感器。但总体来说，作为纯电动汽车的传感器使用量与燃油车相比已经减少了很多，这就为车辆的装配与维修提供了很多方便之处，这也是电动汽车发展的优势之一。

3 电动汽车上传感器技术的发展

汽车电子市场随着汽车的不断发展而呈现强劲的增长势头,车用传感器随着汽车电子市场的大力发展也在突飞猛进。世界各国对其理论研究、新材料应用和新产品开发都非常重视随着电子技术的发展和汽车电子控制系统应用的日益广泛，汽车传感器市场需求将保持高速增长,网络化、多功能化、集成化和智能化的传感器将逐步取代传统的传感器,成为车用传感器的主流。

智能化传感器能够执行信息处理和信息存储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统，具有自诊断、多参数混合测量、误差补偿等特点。它可以实现与大规模集成电路相结合，带有CPU，具有智能作用，以减少ECU的复杂程度，减少其体积，并降低成本。

多功能化是指将若干种敏感元件组装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化传感器，并且体积小巧、能检测两个或两个以上的特性参数或者化学参数，提高系统可靠性。

传感器的工作原理是基于各种物理、化学、生物效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制具有新原理的新型传感器。开发新材料是传感器技术的重要基础，现在光导纤维、纳米材料、超导材料等新型材料的出现为传感器的发展开辟了新天地，随着研究的不断深入，将会有更多更新的传感器材料被开发出来。这是发展低成本、高性能、多功能和微型化传感器的重要途径。

目前，车辆无人驾驶技术正在被许多国家及公司提出并积极研发，实际上无人驾驶车辆就是室外移动机器人。因此电动汽车更适合作为无人驾驶汽车来进行开发。无人驾驶系统是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合体系[4]，它正是大量需要通过集成视觉、激光雷达、超声传感器、磁罗盘、微波雷达等多种车载传感器来识别汽车所在的状态与周边环境的。

图7 无人驾驶车辆的监测系统示意图

图8 无人驾驶的理念与构想

因此，为了保证无人驾驶技术的真正实现，检测准确、反应迅速、使用便捷的传感器是我们开发的关键，不论是从硬件的高度集成化微小化还是从它自身携带的微处理器的运算速度都需要有一个突破和飞跃。

参考文献

[1] 曾文武,邹志明.传感器在现代汽车上的应用与发展[A].宜春学院学报,2009. 5.

[2] 郁奕飞,秦会斌.电动汽车单元锂电池包管理系统采集单元设计[A].微处理机, 2015.10.

[3] 赵炯,王伟.基于传感器融合技术的电动汽车自动驾驶系统的开发[A].制造业自动化,2013-05（上）.

[4] 赵阳.无人驾驶汽车关键技术 [A].中国科技博览,2011（26）.