宝马车电子控制基础知识(三)

◆文/山东 刘春晖

(接2021年第9期)

10.超声波传感器

超声波传感器用于测量距离。超声波传感器发出较短的超声波脉冲，环境中的物体反射超声波脉冲，超声波传感器接收反射脉冲。

如图34所示，超声波传感器将发射超声波脉冲与接收第一个反射回声之间的持续时间传输给控制单元，控制单元根据这个持续时间计算出至附近物体的距离。

图34 超声波传感器的工作机理

(1)发送模式

处于发射模式时，超声波传感器的作用相当于扬声器。所选择的超声波频率约为40kHz至50kHz，在这个频率范围内对人和家畜无害。超声波传感器电子装置通过电脉冲使压电陶瓷移动(将电能转化为机械能)。压电陶瓷位于外部隔膜的内侧。外部隔膜以共振频率振动并产生超声波。短脉冲序列碰到障碍物后反射回来。

(2)接收模式

处于接收模式时，超声波传感器的作用相当于话筒。外部隔膜振荡衰减后(约1ms)，超声波传感器接收到障碍物反射回来的超声波。外部隔膜和压电陶瓷受激振动并向超声波传感器电子装置发送电脉冲(将机械能转化为电能)。

电气测量信号进行数字化处理后传输给控制单元。在控制单元内对数据进行处理并计算出至障碍物的距离。通过开始发射的时间和接收到回声的时间可计算出回声传播时间。根据超声波在空气中传播的速度和回声传播时间可计算出至障碍物的距离。超声波传感器的电路符号如图35所示。

图35 超声波传感器的电路符号

11.电容传感器

电容传感器也属于非接触式传感器。发动机机油温度和机油状态传感器常采用电容传感器。

如图36所示，宝马在发动机的油底壳中安装了一个机油状态传感器。通过测量机油油位可以避免油位过低及因此而造成发动机损坏，并且通过测量机油状态可以精确测算出何时需要更换发动机机油。该传感器由两个重叠安装的筒形电容器组成。机油状态通过下面的小电容器(6)测得。两根金属管(2+3)作为电容器电极嵌套安装。在电极之间有发动机机油(4)作为电介质。发动机机油的电特性随着发动机磨损碎屑不断增加以及添加剂的分解而变化。电容器(机油状态传感器)的电容又因这个变化(电介质)而变化，相应的电容值将在传感器内的电子分析装置(7)中处理成一个数字信号。这个传感器数字信号作为发动机机油状态信息传送给DME。这个传感器信号值将在DME中进行处理以便计算距下次换油保养的日期。

图36 机油状态传感器的结构

机油油位在传感器(5)的上部测得传感器的这一部分在油底壳的油位，高度处随着油位(电介质)的下降电容器的电容也发生变化。这个电容值将由传感器电子装置处理成一个数字信号并传送到DME。为了测量机油温度，在机油状态传感器的底座上装有一个铂温度传感器(9)。传感器通过BSD总线与DME进行通讯。

12.智能型蓄电池传感器

IBS是一个自身带有微型控制器μC的智能型蓄电池传感器。IBS持续测量蓄电池端电压、蓄电池充电/放电电流以及蓄电池酸液温度。IBS直接安装在蓄电池的负极上。IBS由机械、硬件和软件三部分功能元件组成。如图37所示，IBS的机械部分是由蓄电池负极接线柱及接地线组成。

图37 IBS的结构

IBS功能：IBSμC中的软件控制该功能过程以及与上级控制单元之间的通信联络。与DME/DDE的联系通过BSD完成。在行驶过程中，DME/DDE从IBS获取数据。此外，IBS中还集成有下列功能：

①持续测量车辆每种行驶状态下蓄电池的电流、电压和温度；

②计算蓄电池指示参数作为蓄电池SoC和SoH的基础；

③平衡蓄电池充电/放电电流；

④SoC处于临界状态时作为相应措施监测SoC并使车辆处于工作状态；

⑤计算启动电流特性曲线用于确定蓄电池SoH；

⑥车辆休眠电流监控；

⑦向上级控制单元传输数据。

13.智能型蓄电池传感器电子分析装置

如图38所示为IBC的功能原理图，IBS电子分析装置持续获取测量数据。IBS利用这些数据来下列电压、电流、温度等蓄电池指示参数。IBS通过BSD将这些蓄电池指示参数的数据传递到DME/DDE。为了计算蓄电池指示参数，还要同时对蓄电池的充电状态SoC进行测量计算。

图38 IBC的功能原理

三、执行机构

执行机构是通过控制单元输出信号执行转动(电动、步进电机)、打开/关闭(继电器)、照明(LED、白炽灯泡)以及发出声音(扬声器)等操作的组件。

1.电机

宝马车辆内安装了大量电机，如用于滑动/外翻式天窗、车窗升降器、座椅、车窗玻璃刮水器等的电机。直流电机和步进电机是特别重要的两种电机。

(1)直流电机

直流电机将电能转化为转动能。这种电机由一个固定部件“定子”和一个转动支撑部件“转子”(电枢)构成。大多数直流电机采用内部转子结构。转子是内部部件，定子是外部部件。定子由电磁铁组成，在小型电机内由永久磁铁构成。转子也称为电枢。

如图39所示，电机工作原理以作用力施加在磁场内的载流导体上为基础。载流导体的磁场和永久磁铁的磁场相互影响。如果永久磁铁牢固固定且导体以可转动方式支撑，则会在导体上施加一个力并使其转动。这个作用力取决于导体内的电流强度、磁场强度以及导体有效长度(线圈圈数)。

图39 电机工作原理

如图40、图41所示，在线圈上施加电压时，线圈内流动的电流产生一个磁场(线圈磁场)。永久磁铁两极间的磁场和线圈磁场形成一个总磁场。根据线圈内的电流方向产生一个左旋或右旋力矩(图42)。线圈继续转动，直至线圈磁场方向与永久磁体两极间磁场方向相同。随后线圈停留在所谓的磁极磁场中性区域内。

图40 两极间的磁场

图41 某个载流导体的磁场

图42 转矩的产生

如图43所示，为了能够继续转动，必须改变线圈内的电流方向。在此通过与线圈起始端和线圈末端连接的电流换向器(集电环)实现电流方向的切换。如果这种电机上没有集电环，则电枢继续转动，直至转子磁场与定子磁场的方向一致。为确保电枢不停留在这个“死点”位置，在每个新分段时电枢线圈内的电流借助电流换向器(也称为集电环或集电极)进行切换。两个位于中性区域内的固定碳刷输送电流。如图44所示，如果使用多线圈电枢绕组替代一个电枢线圈，则可实现电流切换时线圈侧的电流在某一磁极处始终保持方向相同。

图43 线圈的旋转过程

图44 实际中采用多线圈的转子

转子位于定子内部，大多数情况下转子由一个带有铁芯的线圈(也称为电枢)构成，以可转动方式支撑在定子电极接线柱之间的磁场内。通过一个分段集电环和滑动触点(碳刷)为电枢输送电流。电流流经转子时，在此也产生一个与定子磁场相互作用的磁场。电枢上产生力矩，该力矩使电枢围绕其支撑轴转动，电枢通过随之转动的集电环始终将相应绕组接入电流通路内。电功以这种方式转换为机械功。如果这种电机上没有集电环，则电枢继续转动，直至转子磁场与定子磁场的方向一致。为确保电枢不停留在这个“死点”位置，在每个新分段时电枢线圈内的电流借助电流换向器(也称为集电环或集电极)进行切换。集电环由金属段组成，金属段与细条状绝缘材料(塑料、空气)一起构成间断的圆柱或圆形面。每个分段都与电枢绕组连接。用于输送电流的两个碳刷通过弹簧压紧在集电环上。转子每转动一次通过电枢绕组的电流方向就会改变一次，同时那些通过电流流动而产生力矩的导体进入定子磁场内。电机转速取决于电压、转动方向和电流方向。

永久磁铁两极之间安装了一个可转动的线圈。电流流过线圈时产生磁场。两个磁铁(电磁铁和永久磁铁)之间产生促使线圈转动的引力。每旋转180°集电环切换电流方向一次，从而实现连续转动。如图45所示为滑动/外翻式天窗传动装置的部件结构。

图45 滑动/外翻式天窗传动装置

(2)步进电机

如图46所示，步进电机将电脉冲转换为规定转角的机械转动。步进电机是一种电动机械组件，其驱动轴根据控制脉冲以步进方式转动。在要求受控移动或定位处可以使用步进电机。这种电机可以简化位置控制且可靠性和精度较高。必须具备直流电、控制开关和控制脉冲(数字信息)才能运行。相应直流电通过电子开关输送给电机。电子控制开关每发送一个控制脉冲电机驱动轴就转动一个步进。根据步进电机情况步进角度通常为2°至15°。

图46 步进电机的工作原理

步进电机轴所处位置等同于定子磁极数量与转子磁极数量之比。因为转子使用永久磁铁，所以磁极是确定的。定子始终由两对或多对极点组成，每个极点都套有一个线圈，电流流过极点时形成磁极。磁铁绕组内的电流方向逆转时磁场方向也随之逆转。

如果定子线圈内的电流方向依次向一个方向逆转，则产生一个跟随转子永久磁铁的旋转磁场。在此转动速度由定子线圈的切换速度决定。例如，在宝马车辆的IHKR(手动恒温空调)中使用步进电机来控制空气风门(空气分层风门、脚部空间风门、循环空气风门和新鲜空气风门)。

(3)启动机

车辆的启动机是直流电机(图47)。其任务是使内燃机曲轴以启动所需的最低转速转动。如图48所示，内燃机启动的工作原理是一个小齿轮与飞轮齿圈啮合。由于小齿轮和飞轮齿圈之间的传动比较大(约为15:1)，启动机只需在较高转速下提供较小的力矩。因此启动机的尺寸较小。启动机由直流启动电机、啮合继电器和啮合齿轮箱等总成构成。

图47 启动机

图48 启动机的安装位置

启动机的结构如图49所示，启动机的电路符号图50所示，操作启动开关时，小齿轮通过啮合继电器和啮合齿轮箱与飞轮齿圈啮合。小齿轮啮合后，启动电机通过小齿轮和齿圈带动内燃机曲轴转动。发动机启动后小齿轮脱开。启动机类型根据小齿轮啮合方式划分。宝马车辆中使用带有中间减速机构的螺旋推移传动式启动机。

图49 启动机的结构

图50 启动机的电路符号

启动电机与小齿轮之间装有作为中间减速机构的行星齿轮箱。行星齿轮箱的任务是降低较高的启动机转速，同时提高小齿轮上的力矩。因为启动机轴输出功率与转速成正比，所以可以由此提高启动机功率，或在相同功率下减小尺寸。啮合过程包括小齿轮推移运动和螺旋运动两部分运动。

如图51所示，启动机的工作过程为操作启动开关(2)后通过啮合继电器(1)使啮合拨叉(8)移动。此时小齿轮(11)通过弹簧向前移动并在大螺距螺纹作用下转动。小齿轮(11)的某个轮齿位于齿隙前时立即接合。如果小齿轮轮齿碰到飞轮(10)的轮齿，则压回小齿轮侧的弹簧，直到啮合继电器(1)接通电流。转子(5)转动使小齿轮(11)继续移向齿圈(10)的端面，直到小齿轮可以啮合。

图51 启动机的电路结构