汽车电子及控制技术发展历程和趋势

景治瑞　李强　梁快

摘 要：由于全球范围内轿车制造业的高速增长，轿车的生产以及轿车的保有量急剧增加。车辆在为我们的生活提供很多方便的同时也产生了不少困难。伴随着人民生活条件的日益改善，他们对车辆的可靠性、舒适度等方面的需求也将日益增加，这就更加促使我们车界的研发工作者运用各类新型科学技术，提高车辆各方面的可靠性，以适应顾客对车辆技术方面的需求。

关键词：汽车 操控性 舒适性 性能

1 引言

近年来，随着科技的不断发展，汽车技术和电子技术不断的革新，现代轿车为了提升车辆动力性，经济性，安全性，舒适度，并且降低废气排放污染而应用了电子控制。汽车电子控制技术是现代汽车科技发展的主要趋势和标志，从汽车发动机的燃料喷射、点火控制系统、进气控制、排放控制系统、故障自诊到底盘的传动系统、转弯和刹车等控制系统，还有车身、辅助设备等均应用了汽车电子控制技术。本篇将对汽车电子控制技术的发展历史与发展趋势加以阐述与解析。

2 汽车电子控制技术研究的必要性

近年来，汽车工业高速发展，汽车的产量和汽车的保有量大幅增长。汽车在给人们生活带来巨大好处的同时，也带来了如下三个方面的问题：

（1）汽车尾气是大气污染中最重要的源头，威胁着人们的身体健康。经调查，目前大氣环境中百分之三十八点五的一氧化碳（CO）、百分之二十一点七的碳氢化合物（HC）、百分之八十七点六的氮氧化物（NOX）、百分之十一点七的二氧化碳（CO2）、百分之六点二的二氧化硫（SO2）、百分之三十二的微粒（PM）都由汽车尾气中排出。

（2）汽车是一个高耗能的产业，汽车的大量使用将导致能源紧缺问题。目前汽车消耗的燃料主要是石油。正如目前的国际局势，欧美在过度依赖石油进口后被俄罗斯制裁使得国家陷入能源危机，由于我国也是能源进口大国，尤其是石油，可见过度依赖原油在遇到突发变故时会对国家经济造成冲击。

（3）随着汽车的大量使用，车辆驾乘人员以及其他道路使用者的安全问题也日益突出。随着汽车销售量的增加，交通事故的发生量也在急剧增加。其中，车辆驾乘人员的死亡率占35%，而其他道路使用者（如行人、汽车人等）的死亡率为65%。近年来，我国对汽车和交通安全持续进行关注和投入，汽车安全碰撞实验被广泛接受和推广。然而，这些努力大多数是针对车辆驾乘人员，对于其他道路使用者的安全保护，至今未引起社会各方的充分重视。

汽车工业界的研究者针对上述问题都在努力探索解决方案，使汽车工业能够走上与人类生存环境及社会和谐发展的道路。因此，安全、环保和节能以及成为当今汽车工业发展的三大主题。这也是促使人们在汽车产品中采用先进技术的主要原因。

另外，人们对汽车的操控性、舒适性等方面的要求不断提高也在促使着汽车界的研究人员采用各种先进技术，改进汽车各方面的性能，以满足消费者对汽车产品性能的要求[1]。

由于上述各种社会需求和相关技术的发展，从20世纪80年代开始，国际上汽车工业的微电子化得到了迅猛的发展。电子控制技术的应用能有效地改善汽车的动力性、经济性、安全性、操控性和舒适性，并能降低排放指标。目前，在我国汽车电子技术非常普及，先进的电子控制技术已成为汽车工业发展的必然趋势。

在我国，从事汽车电子控制技术应用性开发的人员较多，而从事开发性研究的人员较少，与国外相比存在较大的差距。我国应该在引进、吸收并消化国外先进汽车电子控制技术成果的同时，加强自主创新能力，发展并壮大自身的汽车电子控制技术的科技力量，以尽快赶上世界先进发展水平。这也是我国汽车工业发展的必由之路。

2009年2月，国家发展和改革委员会批准建立五个研发平台以促进我国汽车领域的发展。这表明，我国已经充分认识到了汽车电子控制技术在汽车产品中的重要性，必将进一步推动汽车电子控制技术在我国的发展。

电子技术是汽车电子及控制技术的必要基础，其发展历程如图1所示：

综上所述，进行汽车电子控制技术的研究对于节约能源、保护环境、提高汽车动力性、安全性、舒适性、操控性和经济性等性能指标具有重要的意义；同时，也可增强我国的自主研发能力，提高自主汽车品牌的竞争力，为我国汽车工业的高速发展奠定基础[2]。

3 汽车电子控制系统

现在，各种汽车电子控制设备已成为汽车上不可或缺的部分，并且这些电子控制设备在车辆运行过程中担当的角色越来越重要。各种汽车电子控制技术均以自动控制理论作为其理论基础。

汽车电子控制系统的基本概念如图 2所示。

从是否采用反馈的角度看，控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统两类，而闭环控制系统又被称为反馈控制系统。

开环控制系统

开环控制系统的原理图如图 3所示：

在开环控制系统中，使控制环境的输入信息不受输出信息的干扰。在开环控制系统中，在没有外部扰动（如环境温度变换、扰动等）情况下，为了产生稳定的参考信号，传感器根据相应的计算形成了一个驱动信号作用于控制目标上，而其输出功率也维持不变。

闭环控制系统

随着车辆的应用环境（如环境温度、地面的平顺度）及其电子控制元器件参数的变化，使用开环控制系统往往无法达到预期的精度控制，所以就必须采用闭环控制技术。闭环控制过程的基本原理图，如图4所示。

4 汽车电子控制技术的发展简介

汽车作为机电一体化产品的典型代表，其发展过程与机电一体化系统的发展过程紧密相连。机电一体化的新型现代汽车在动力性、 操控性、可靠性、安全性、舒适性和经济性等各方面的性能指标都有了大幅度的提高。其中，汽车电子控制技术发挥了巨大的作用。

现在普遍认为，汽车电子控制技术的发展经历了三个阶段：

第一阶段，从20世纪60年代中期到70年代末期。在第一阶段中，人们开始研究在汽车产品上应用电子技术，并在汽车上采用一些电子控制装置，以改善部分机械部件的性能。在此阶段中，典型的汽车电子控制装置有电子点火控制装置和燃油喷射电子控制装置。

第二阶段，从20世纪70年代末期到90年代中期。第二阶段是汽车电子控制技术蓬勃发展的阶段。在此阶段中，电子技术、计算机技术、自动控制技术和通信技术有了长足的发展，为汽车电子控制技术的发展奠定了良好的技术基础。基于上述技术基础和物质基础，在汽车产品的设计、制造和生产过程中，形成了“机电一体化”的思想和技术。在此期间，汽车产品上开始大量使用微处理器和集成电路（IC）。采用闭环控制的汽车发动机电子控制系统研制成功，显著地降低了汽车的排放污染，使汽车的性能大大提高，这也标志着汽车系统控制技术微电子化的开端。随后，相继出现了电子控制自动变速器、电子控制制动装置、电子控制防抱死制动系统、自动巡航控制系统、发动机故障诊断系统、车辆导航系统、防盗系统、电子组合仪表等。在此阶段中，各种汽车电子控制系统的主要特点是各系统相互独立。

第三阶段，从20世纪90年代中期至今。汽车电子控制技术的第三阶段处于高科技迅速发展的时期，进入汽车电子控制技术的纵深发展阶段。此阶段的主要工作是使用功能更加强大的微处理器，以增强汽车电子控制系统的功能，进一步提高汽车的性能。同时，对汽车电子控制系统的建模设计、分析和集成测试等方面的研究也更加深入。在此阶段中，电子控制技术在汽车上得到了越来越广泛的应用控制功能和控制范围进一步扩大，电子控制单元（ECU）从普通的八位单片机发展到十六位甚至三十二位单片机，同时，单片机的主频也由6MHz发展到12MHz、18MHz，甚至更高，因此，ECU控制的智能化程度越来越高，控制的实时性和精确度大幅度提高。并且，为实现各汽车电控系统的协调、综合控制，各ECU通过通信接口形成了车载分布式计算机网络，以满足各种不同控制目标的要求。在此阶段中，汽车电子控制系统的功能更加明确地划分为五大部分，即发动机控制、底盘控制、主动或被动安全控制、车身电子控制和信息与通信控制，使得汽车各方面的性能都有了很大的提高[3]。

同时，随着汽车电子控制系统的发展，其复杂程度越来越高，采用传统的控制系统设计方法已经不能满足应用的要求。为此，基于模型的建模设计方法和基于各种在环境仿真测试技术的方法被广泛地应用于汽车电子控制系统的设计过程，大大提高了汽车电子控制系统的设计质量，加速了汽车电子控制系统的设计过程，降低了汽车电子控制系统的设计成本。

5 汽车电子控制系统的基本要求和一般设计方法

汽车电子控制器是一个主动控制器，其目的是将受控物体的控制变量按照特定的规则加以改变，所以需要具有相应的特性。主要分为稳定性、快速性和精确性。

（1）稳定性。一個控制系统能够使用的首要条件是系统必须是稳定的。这也是对汽车子控制系统的一个基本要求。

（2）快速性。在实际的汽车电子控制系统中，不仅要求系统稳定，而且要求被控变量迅速地按照输入信号所规定的趋势变化，即要求系统具有一定的响应速度。

（3）精确性。在汽车电子控制系统中，除了要求控制系统稳定性好和响应速度快以外，还要求控制系统的控制精度高。

汽车电子控制系统设计步骤如图5所示：

（1）基础阶段。在该阶段，针对控制的目标展开原理研究和概念抽象，确定受控目标性质和条件；规定系统的运行要求和条件，设定安全防护及等级；确定质量控制措施的特殊要求；制定主要技术经济指标；提出试验计划或要求。

（2）理论设计。此阶段，将构建被控对象的数学模型，将被控对象的控制特征用数学表达式进行说明，从而成为控制器方法选用与控制器方案设计的理论基础；确定电子控制算法和电气控制系统单元（ECU）的基本构造，选定主要微处理器、确定总内存尺寸等，进行主要软、硬件设计和各类接口设备的选型与设计；确定控制器的初始构成和主要基本参数。进行控制系统特性的分析与优化。但鉴于汽车电气控制器的应用环境比较恶劣，在保证系统主要功能和性能的前提条件下，还应对系统的安全性、可靠性和耐久性等给予足够的重视[4]。

（3）实现设计。在此阶段，应完成系统仿真和各种测试工作，最后进行各模块的组装。

（4）设计定型。在此阶段，应形成各种技术文件，包括设计图样、电子元器件明细表、系统操作程序及说明书、维修及故障诊断说明书及使用说明书等。

6 汽车电子控制技术的发展趋势

汽车的电子化涉及机械、电子、光学、控制、计算机、信息技术等多学科，它的发展和进步与上述相关学科的发展息息相关，同时也会促进上述学科的发展和进步。因此，汽车电子控制技术的主要发展方向概括如下：

（1）智能化。各种汽车电子控制设备的智能化是汽车电子控制技术的一个重要发展方向。无人驾驶汽车的成功研制，展示了汽车电子控制设备智能化的最新发展状态。

（2）模块化。由于汽车电子控制产品的种类和生产厂家繁多，因此研制和开发具有标准电气接口、动力接口的标准汽车电子控制单元（ECU）是一项十分复杂和非常重要的任务。为此，需要制定各种标准，以便各汽车部件、电子控制单元（ECU）的匹配和连接。因此，无论对于汽车电子控制单元（ECU）的生产企业，还是对于汽车整车生产厂商，汽车电子控制设备的模块化都将为汽车生产产业链带来巨大的好处。

（3）网络化。随着汽车电子控制设备的不断增加。为实现各种信号数据在不同控制子系统中的共享和实时交换，提高信号的利用率，汽车电子控制系统的生产厂家和汽车整车生产厂家联合开发了以CAN总线为代表的车载网络系统，并在各汽车厂家的中高端产品中应用。现在，为适应不同的应用环境，还出现了LIN总线、MOST总线等。车载网络总线的应用，极大地提高了汽车产品的技术水平。因此，车载网络系统将是今后汽车电子控制技术的发展方向之一。

（4）人性化。未来的汽车产品开发会更加注重与驾驶操控者及乘坐者的关系。汽车产品的人性化是指在绝大多数情况下，汽车产品的最终使用者是人，如何赋予汽车产品一定的人的智能、情感和人性显得越来越重要。而汽车电子控制技术的发展，为实现这一目标提供了可能。个性化的汽车产品将为汽车电子控制技术的发展提供更加广阔的空间。

参考文献：

[1]孙仁云，付百学.汽车电器与电子技术[M].2版.北京：机械工业出版社，2011.

[2]周云山，钟勇.汽车电子控制技术[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]杨远花.现代汽车电子技术的应用研究[J].电子元器件与信息技术，2020，4（08）：86-87+92.DOI：10.19772/j.cnki.2096-4455.2020.8.039.

[4]陈觉晓，毛辰胤.现代汽车电子控制技术及其发展趋势[J].汽车与新动力，2022，5（03）：20-21.DOI：10.16776/j.cnki.1000-3797.2022.03.018.