汽車電子及控制技術發展歷程和趨勢

景治瑞　李強　梁快

摘 要：由于全球范圍內轎車制造業的高速增長，轎車的生產以及轎車的保有量急劇增加。車輛在為我們的生活提供很多方便的同時也產生了不少困難。伴隨著人民生活條件的日益改善，他們對車輛的可靠性、舒適度等方面的需求也將日益增加，這就更加促使我們車界的研發工作者運用各類新型科學技術，提高車輛各方面的可靠性，以適應顧客對車輛技術方面的需求。

關鍵詞：汽車 操控性 舒適性 性能

1 引言

近年來，隨著科技的不斷發展，汽車技術和電子技術不斷的革新，現代轎車為了提升車輛動力性，經濟性，安全性，舒適度，并且降低廢氣排放污染而應用了電子控制。汽車電子控制技術是現代汽車科技發展的主要趨勢和標志，從汽車發動機的燃料噴射、點火控制系統、進氣控制、排放控制系統、故障自診到底盤的傳動系統、轉彎和剎車等控制系統，還有車身、輔助設備等均應用了汽車電子控制技術。本篇將對汽車電子控制技術的發展歷史與發展趨勢加以闡述與解析。

2 汽車電子控制技術研究的必要性

近年來，汽車工業高速發展，汽車的產量和汽車的保有量大幅增長。汽車在給人們生活帶來巨大好處的同時，也帶來了如下三個方面的問題：

（1）汽車尾氣是大氣污染中最重要的源頭，威脅著人們的身體健康。經調查，目前大氣環境中百分之三十八點五的一氧化碳（CO）、百分之二十一點七的碳氫化合物（HC）、百分之八十七點六的氮氧化物（NOX）、百分之十一點七的二氧化碳（CO2）、百分之六點二的二氧化硫（SO2）、百分之三十二的微粒（PM）都由汽車尾氣中排出。

（2）汽車是一個高耗能的產業，汽車的大量使用將導致能源緊缺問題。目前汽車消耗的燃料主要是石油。正如目前的國際局勢，歐美在過度依賴石油進口后被俄羅斯制裁使得國家陷入能源危機，由于我國也是能源進口大國，尤其是石油，可見過度依賴原油在遇到突發變故時會對國家經濟造成沖擊。

（3）隨著汽車的大量使用，車輛駕乘人員以及其他道路使用者的安全問題也日益突出。隨著汽車銷售量的增加，交通事故的發生量也在急劇增加。其中，車輛駕乘人員的死亡率占35%，而其他道路使用者（如行人、汽車人等）的死亡率為65%。近年來，我國對汽車和交通安全持續進行關注和投入，汽車安全碰撞實驗被廣泛接受和推廣。然而，這些努力大多數是針對車輛駕乘人員，對于其他道路使用者的安全保護，至今未引起社會各方的充分重視。

汽車工業界的研究者針對上述問題都在努力探索解決方案，使汽車工業能夠走上與人類生存環境及社會和諧發展的道路。因此，安全、環保和節能以及成為當今汽車工業發展的三大主題。這也是促使人們在汽車產品中采用先進技術的主要原因。

另外，人們對汽車的操控性、舒適性等方面的要求不斷提高也在促使著汽車界的研究人員采用各種先進技術，改進汽車各方面的性能，以滿足消費者對汽車產品性能的要求[1]。

由于上述各種社會需求和相關技術的發展，從20世紀80年代開始，國際上汽車工業的微電子化得到了迅猛的發展。電子控制技術的應用能有效地改善汽車的動力性、經濟性、安全性、操控性和舒適性，并能降低排放指標。目前，在我國汽車電子技術非常普及，先進的電子控制技術已成為汽車工業發展的必然趨勢。

在我國，從事汽車電子控制技術應用性開發的人員較多，而從事開發性研究的人員較少，與國外相比存在較大的差距。我國應該在引進、吸收并消化國外先進汽車電子控制技術成果的同時，加強自主創新能力，發展并壯大自身的汽車電子控制技術的科技力量，以盡快趕上世界先進發展水平。這也是我國汽車工業發展的必由之路。

2009年2月，國家發展和改革委員會批準建立五個研發平臺以促進我國汽車領域的發展。這表明，我國已經充分認識到了汽車電子控制技術在汽車產品中的重要性，必將進一步推動汽車電子控制技術在我國的發展。

電子技術是汽車電子及控制技術的必要基礎，其發展歷程如圖1所示：

綜上所述，進行汽車電子控制技術的研究對于節約能源、保護環境、提高汽車動力性、安全性、舒適性、操控性和經濟性等性能指標具有重要的意義；同時，也可增強我國的自主研發能力，提高自主汽車品牌的競爭力，為我國汽車工業的高速發展奠定基礎[2]。

3 汽車電子控制系統

現在，各種汽車電子控制設備已成為汽車上不可或缺的部分，并且這些電子控制設備在車輛運行過程中擔當的角色越來越重要。各種汽車電子控制技術均以自動控制理論作為其理論基礎。

汽車電子控制系統的基本概念如圖 2所示。

從是否采用反饋的角度看，控制系統分為開環控制系統和閉環控制系統兩類，而閉環控制系統又被稱為反饋控制系統。

開環控制系統

開環控制系統的原理圖如圖 3所示：

在開環控制系統中，使控制環境的輸入信息不受輸出信息的干擾。在開環控制系統中，在沒有外部擾動（如環境溫度變換、擾動等）情況下，為了產生穩定的參考信號，傳感器根據相應的計算形成了一個驅動信號作用于控制目標上，而其輸出功率也維持不變。

閉環控制系統

隨著車輛的應用環境（如環境溫度、地面的平順度）及其電子控制元器件參數的變化，使用開環控制系統往往無法達到預期的精度控制，所以就必須采用閉環控制技術。閉環控制過程的基本原理圖，如圖4所示。

4 汽車電子控制技術的發展簡介

汽車作為機電一體化產品的典型代表，其發展過程與機電一體化系統的發展過程緊密相連。機電一體化的新型現代汽車在動力性、 操控性、可靠性、安全性、舒適性和經濟性等各方面的性能指標都有了大幅度的提高。其中，汽車電子控制技術發揮了巨大的作用。

現在普遍認為，汽車電子控制技術的發展經歷了三個階段：

第一階段，從20世紀60年代中期到70年代末期。在第一階段中，人們開始研究在汽車產品上應用電子技術，并在汽車上采用一些電子控制裝置，以改善部分機械部件的性能。在此階段中，典型的汽車電子控制裝置有電子點火控制裝置和燃油噴射電子控制裝置。

第二階段，從20世紀70年代末期到90年代中期。第二階段是汽車電子控制技術蓬勃發展的階段。在此階段中，電子技術、計算機技術、自動控制技術和通信技術有了長足的發展，為汽車電子控制技術的發展奠定了良好的技術基礎?；谏鲜黾夹g基礎和物質基礎，在汽車產品的設計、制造和生產過程中，形成了“機電一體化”的思想和技術。在此期間，汽車產品上開始大量使用微處理器和集成電路（IC）。采用閉環控制的汽車發動機電子控制系統研制成功，顯著地降低了汽車的排放污染，使汽車的性能大大提高，這也標志著汽車系統控制技術微電子化的開端。隨后，相繼出現了電子控制自動變速器、電子控制制動裝置、電子控制防抱死制動系統、自動巡航控制系統、發動機故障診斷系統、車輛導航系統、防盜系統、電子組合儀表等。在此階段中，各種汽車電子控制系統的主要特點是各系統相互獨立。

第三階段，從20世紀90年代中期至今。汽車電子控制技術的第三階段處于高科技迅速發展的時期，進入汽車電子控制技術的縱深發展階段。此階段的主要工作是使用功能更加強大的微處理器，以增強汽車電子控制系統的功能，進一步提高汽車的性能。同時，對汽車電子控制系統的建模設計、分析和集成測試等方面的研究也更加深入。在此階段中，電子控制技術在汽車上得到了越來越廣泛的應用控制功能和控制范圍進一步擴大，電子控制單元（ECU）從普通的八位單片機發展到十六位甚至三十二位單片機，同時，單片機的主頻也由6MHz發展到12MHz、18MHz，甚至更高，因此，ECU控制的智能化程度越來越高，控制的實時性和精確度大幅度提高。并且，為實現各汽車電控系統的協調、綜合控制，各ECU通過通信接口形成了車載分布式計算機網絡，以滿足各種不同控制目標的要求。在此階段中，汽車電子控制系統的功能更加明確地劃分為五大部分，即發動機控制、底盤控制、主動或被動安全控制、車身電子控制和信息與通信控制，使得汽車各方面的性能都有了很大的提高[3]。

同時，隨著汽車電子控制系統的發展，其復雜程度越來越高，采用傳統的控制系統設計方法已經不能滿足應用的要求。為此，基于模型的建模設計方法和基于各種在環境仿真測試技術的方法被廣泛地應用于汽車電子控制系統的設計過程，大大提高了汽車電子控制系統的設計質量，加速了汽車電子控制系統的設計過程，降低了汽車電子控制系統的設計成本。

5 汽車電子控制系統的基本要求和一般設計方法

汽車電子控制器是一個主動控制器，其目的是將受控物體的控制變量按照特定的規則加以改變，所以需要具有相應的特性。主要分為穩定性、快速性和精確性。

（1）穩定性。一個控制系統能夠使用的首要條件是系統必須是穩定的。這也是對汽車子控制系統的一個基本要求。

（2）快速性。在實際的汽車電子控制系統中，不僅要求系統穩定，而且要求被控變量迅速地按照輸入信號所規定的趨勢變化，即要求系統具有一定的響應速度。

（3）精確性。在汽車電子控制系統中，除了要求控制系統穩定性好和響應速度快以外，還要求控制系統的控制精度高。

汽車電子控制系統設計步驟如圖5所示：

（1）基礎階段。在該階段，針對控制的目標展開原理研究和概念抽象，確定受控目標性質和條件；規定系統的運行要求和條件，設定安全防護及等級；確定質量控制措施的特殊要求；制定主要技術經濟指標；提出試驗計劃或要求。

（2）理論設計。此階段，將構建被控對象的數學模型，將被控對象的控制特征用數學表達式進行說明，從而成為控制器方法選用與控制器方案設計的理論基礎；確定電子控制算法和電氣控制系統單元（ECU）的基本構造，選定主要微處理器、確定總內存尺寸等，進行主要軟、硬件設計和各類接口設備的選型與設計；確定控制器的初始構成和主要基本參數。進行控制系統特性的分析與優化。但鑒于汽車電氣控制器的應用環境比較惡劣，在保證系統主要功能和性能的前提條件下，還應對系統的安全性、可靠性和耐久性等給予足夠的重視[4]。

（3）實現設計。在此階段，應完成系統仿真和各種測試工作，最后進行各模塊的組裝。

（4）設計定型。在此階段，應形成各種技術文件，包括設計圖樣、電子元器件明細表、系統操作程序及說明書、維修及故障診斷說明書及使用說明書等。

6 汽車電子控制技術的發展趨勢

汽車的電子化涉及機械、電子、光學、控制、計算機、信息技術等多學科，它的發展和進步與上述相關學科的發展息息相關，同時也會促進上述學科的發展和進步。因此，汽車電子控制技術的主要發展方向概括如下：

（1）智能化。各種汽車電子控制設備的智能化是汽車電子控制技術的一個重要發展方向。無人駕駛汽車的成功研制，展示了汽車電子控制設備智能化的最新發展狀態。

（2）模塊化。由于汽車電子控制產品的種類和生產廠家繁多，因此研制和開發具有標準電氣接口、動力接口的標準汽車電子控制單元（ECU）是一項十分復雜和非常重要的任務。為此，需要制定各種標準，以便各汽車部件、電子控制單元（ECU）的匹配和連接。因此，無論對于汽車電子控制單元（ECU）的生產企業，還是對于汽車整車生產廠商，汽車電子控制設備的模塊化都將為汽車生產產業鏈帶來巨大的好處。

（3）網絡化。隨著汽車電子控制設備的不斷增加。為實現各種信號數據在不同控制子系統中的共享和實時交換，提高信號的利用率，汽車電子控制系統的生產廠家和汽車整車生產廠家聯合開發了以CAN總線為代表的車載網絡系統，并在各汽車廠家的中高端產品中應用?，F在，為適應不同的應用環境，還出現了LIN總線、MOST總線等。車載網絡總線的應用，極大地提高了汽車產品的技術水平。因此，車載網絡系統將是今后汽車電子控制技術的發展方向之一。

（4）人性化。未來的汽車產品開發會更加注重與駕駛操控者及乘坐者的關系。汽車產品的人性化是指在絕大多數情況下，汽車產品的最終使用者是人，如何賦予汽車產品一定的人的智能、情感和人性顯得越來越重要。而汽車電子控制技術的發展，為實現這一目標提供了可能。個性化的汽車產品將為汽車電子控制技術的發展提供更加廣闊的空間。

參考文獻：

[1]孫仁云，付百學.汽車電器與電子技術[M].2版.北京：機械工業出版社，2011.

[2]周云山，鐘勇.汽車電子控制技術[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]楊遠花.現代汽車電子技術的應用研究[J].電子元器件與信息技術，2020，4（08）：86-87+92.DOI：10.19772/j.cnki.2096-4455.2020.8.039.

[4]陳覺曉，毛辰胤.現代汽車電子控制技術及其發展趨勢[J].汽車與新動力，2022，5（03）：20-21.DOI：10.16776/j.cnki.1000-3797.2022.03.018.