二、汽车电控技术

汽车电子控制技术简称汽车电控技术，是以电器技术、微电子技术、计算机技术、自动控制技术、智能控制技术、液压传动技术、新材料和新工艺等技术为基础，以解决汽车能源紧缺、环境保护和交通安全等社会问题为目的，旨在提高整车性能（动力性、经济性、排放性、安全性、舒适性、操纵性、通过性等）的技术。

汽车技术、建筑技术和环境保护技术是衡量一个国家工业化水平高低的三大标志。汽车技术不仅代表着社会物质生活发展水平，而且代表着科学技术发展水平。20世纪80年代以来，提高汽车性能，节约能源和保护环境，主要取决于电控技术。

（一）汽车电控系统的功用

汽车电子控制系统简称汽车电控系统，是指由传感器、电控单元和执行器组成的、能够提高汽车性能的机电一体化控制系统。

汽车电控系统的主要功能是提高汽车的整体性能，包括动力性、经济性、排放性、安全性、舒适性、操纵性及通过性等。例如：采用电控燃油喷射技术和微机控制点火技术，不仅能够节油5%～10%，而且还能大大提高动力性和排气净化性能；采用电子控制防抱死制动技术，不仅可使汽车在泥泞路面上安全行驶，而且可以在紧急制动时防止车轮抱死滑移，保证汽车安全制动；采用安全气囊技术，每年可以挽救成千上万人的生命。在实现汽车操纵自动化，提高舒适性和通过性等方面，电控技术也扮演着重要角色。

综上所述，汽车电器与电控系统是汽车的重要组成部分。汽车配装电器与电控设备的质量和数量，直接影响汽车的性能、使用和档次。

（二）汽车电控系统的基本组成

在同一辆汽车上，配装有若干个电控系统。每一个电控系统，都能实现不同的控制功能。汽车车型不同、档次不同，采用电控系统的多少也不尽相同。但是，汽车上每一个电控系统的基本结构都是由传感器（传感元件）与开关信号、电控单元（ECU，Electronic Control Unit）和执行器（执行元件）三部分组成，如图0-2所示，这是汽车电控系统组成的共同特点。

1. 传感器

传感器是将各种非电量（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于传输和处理的另一种物理量（一般为电量）的装置。传感器相当于人的眼、耳、鼻、舌、身等五官。在汽车电控系统中，传感器的功用是将汽车各部件运行的状态参数（各种非电量信号）转换成电量信号并输送到各种电控单元。汽车型号和档次不同，装备传感器的多少也不相同。有的汽车只有几只传感器（如仅装备发动机电控系统的汽车就只有6～8只），有的汽车装备有50多只传感器。一般来说，汽车装备传感器越多，则其档次就越高。

按检测项目不同，汽车电控系统采用的传感器可分为以下几种类型。

1）流量传感器。如发动机燃油喷射系统采用的翼片式、量芯式、涡流式、热丝式与热膜式空气流量传感器等。

2）位置传感器。如发动机燃油喷射和微机控制点火系统采用的曲轴位置传感器（又称为发动机转速与曲轴转角传感器）、凸轮轴位置传感器、节气门位置传感器；电子控制悬架系统采用的车身位置（又称为车身高度）传感器；信息显示系统和液面监控系统采用的各种液面位置（或高度）传感器；巡航控制系统采用的加速踏板位置传感器；电控动力转向系统采用的转向盘转角传感器等。

3）压力传感器。如发动机控制系统采用的进气歧管压力传感器、大气压力传感器、排气压力传感器、气缸压力传感器；自动变速系统采用的燃油压力传感器；发动机爆燃控制系统采用的压电式爆燃传感器等。

4）温度传感器。如发动机冷却液温度传感器、进气温度传感器、排气温度传感器、燃油温度传感器；自动变速系统采用的自动传动液温度传感器；空调控制系统采用的车内温度传感器等。

5）浓度传感器。如发动机控制系统采用的氧传感器；安全控制系统采用的乙醇浓度传感器等。

6）速度传感器。如防抱死制动系统采用的车轮速度传感器、车身纵向和横向加（减）速度传感器；发动机控制系统采用的转速传感器；发动机、自动变速以及巡航控制系统采用的车速传感器；变速器输入轴转速传感器以及输出轴转速传感器等。

7）碰撞传感器。如辅助防护系统采用的滚球式、滚轴式、偏心锤式、压电式和水银式碰撞传感器等。

2. 电控单元（ECU）

汽车电子控制单元简称电控单元，又称为电子控制器或电子控制组件，俗称“汽车电脑”。

电控单元是以单片微型计算机（即单片机）为核心所组成的电子控制装置，具有强大的数学运算、逻辑判断、数据处理与数据管理等功能。ECU是汽车电控系统的控制中心，其主要功用是分析处理传感器采集的各种信息，并向受控装置（即执行器）发出控制指令。

3. 执行器

执行器又称为执行元件，是电控系统的执行机构。执行器的功用是接收电控单元（ECU）发出的指令，完成具体的执行动作。

汽车电控系统不同，采用执行器的数量和种类也不相同。发动机燃油喷射系统的执行器有电动燃油泵和电磁喷油器；发动机怠速控制系统的执行器是怠速控制阀；燃油蒸气回收系统的执行器是活性炭罐电磁阀；微机控制点火系统的执行器有点火控制器和点火线圈；防抱死制动系统的执行器有两位两通电磁阀或三位三通电磁阀、制动液回液泵电动机；安全气囊系统的执行器是气囊点火器；座椅安全带收紧系统的执行器是收紧器的点火器；自动变速系统的执行器有自动传动液油泵、换档电磁阀和锁止电磁阀；汽车巡航控制系统的执行器有巡航控制电动机或巡航控制电磁阀等。

（三）汽车电控系统的分类

汽车电控系统种类繁多、形式各异，分类方法不尽相同。一般可按控制系统的控制目标和控制对象进行分类。

1. 按控制目标分类

根据控制目标不同，汽车电控系统可分为动力性、经济性与排放性、安全性、舒适性、操纵性和通过性6种类型的控制系统，主要控制项目和控制功能见表0-1。其中，经济性与排放性控制系统具有双重功能，既能降低燃油消耗量，又能减小有害气体的排放量。

2. 按控制对象分类

根据控制对象不同，汽车电控系统可分为发动机电控系统、底盘电控系统和车身电控系统三大类。

（1）汽车发动机电控系统

汽车发动机电控系统的主要功用是提高汽车的动力性、经济性和排放性能。主要有以下电控系统。

1）电控发动机燃油喷射系统（EFI，Engine Fuel Injection System）。

2）汽油机微机控制点火系统（MCI，Microcomputer Control Ignition System）。

3）发动机爆燃控制系统（EDC，Engine Detonation Control System）。

4）发动机怠速控制系统（ISC，Idle Speed Control System）。

5）发动机断油控制系统（SFI，Sever Fuel Injection System）。

6）发动机空燃比反馈控制系统（AFC，Air Fuel Ratio Feedback Control System）。

7）加速踏板控制系统（EAP，Electronic Control Accelerator Pedal System）。

8）发动机进气控制系统（IAC，Engine Intake Air Control System）。

9）燃油蒸气回收系统（FEC，Fuel Evaporative Emission Control System）。

10）电控废气再循环系统（EGR，Electronic Control Exhaust Gas Recirculation System）。

11）可变气门定时控制系统（VVT-i，Volatile Valve Timing Control System）。

12）汽车巡航控制系统（CCS，Vehicle Cruise Control System）。

13）车载故障自诊断系统（OBD，On Board Self-Diagnosis System）。

（2）汽车底盘电控系统

汽车底盘电控系统的主要功用是提高安全性、操纵性和通过性，主要有以下控制系统。

1）电子控制自动变速系统（ECT，Electronic Controlled Automatic Transmission System）。

2）电子控制无级变速系统（CVT，Electronic Controlled Continuously Variable Transmission System）。

3）电子控制手动-自动一体变速系统（Activematic ECT，Electronic Controlled Activematic Transmission System）。

4）防抱死制动系统（ABS，Anti-lock Braking System或Anti-Skid Braking System）。

5）电子控制制动力分配系统（EBD，Electronic Brakeforce Distributing System）。

6）电子控制制动辅助系统（EBA，Electronic Brake Assist System）。

7）车身稳定性控制系统（VSC，Vehicle Stability Control）或车身动态稳定性控制系统（DSC，Dynamic Stability Control System）或电子控制稳定性程序（ESP，Electronically Controlled Stability Program）。

8）驱动轮防滑转调节系统（ASR，Acceleration Slip Regulation System）或牵引力控制系统TCS/TRC（Traction Force Control System）。

9）电子控制悬架系统（EMS，Electronic Modulated Suspension System）。

10）电子控制动力转向系统（EPS，Electronically Controlled Power Steering System）。

11）电子控制四轮转向系统（4WS，Electronically Controlled 4-Wheel Steering System）。

12）中央轮胎充放气系统（CTIS，Central Tyre Inflate and Deflate System）。

13）自动驱动管理系统（ADM，Automatic Drive-train Management System）。

14）差速器锁止控制系统（VDLS，Vehicle Differential Lock Control System）。

（3）汽车车身电控系统

汽车车身电控系统的主要功用是提高安全性和舒适性，主要有以下控制系统。

1）辅助防护安全气囊系统（SRS，Supplemental Restraint System Air Bag）。

2）安全带紧急收缩触发系统（SRTS，Seat - Belt Emergency Retracting Triggering System）。

3）座椅位置调节系统（SAM，Seat Adjustment Position Memory System）。

4）雷达车距报警系统（RPW，Radar Proximity Warning System）。

5）倒车报警系统（RVAS，Reverse Vehicle Alarm System）。

6）防盗报警系统（GATA，Guard Against Theft and Alarm System）。

7）中央门锁控制系统（CLC，Central Locking Control System）。

8）前照灯控制与清洗系统（HAW，Headlamp Adjustment and Wash System）。

9）风窗玻璃刮水与清洗控制系统（WWC，Wash/Wipe Control System）。

10）自动采暖通风与空气调节系统（AHVC，Automatic Heating Ventilating Air-Conditioning System）。

11）车载局域网（LAN，Local Area Network）。

12）车载计算机（OBC，On-Board Computer）。

13）车载电话（CT，Car Telephone）。

14）交通控制与通信系统（TCIS，Traffic Control and Information System）。

15）信息显示系统（IDS，Information Display System）。

16）声音复制系统（ESR，Electronic Speech Reproduction System）。

17）液面与磨损监控系统（FWMS，Fluids and Wear Parts Monitoring Systems）。

18）维修周期显示系统（LSID，Load-Dependent Service Interval Display System）。

（四）汽车电控技术应用概况

汽车电控技术已广泛应用于汽油发动机（汽油机）控制、柴油发动机（柴油机）控制、汽车底盘控制、汽车车身控制、汽车故障诊断和无人驾驶等技术领域。20世纪90年代，电控技术在轿车上的应用概况如图0-3所示。

当今世界衡量汽车先进水平和档次高低的重要标志主要是汽车的品牌、外观和电子化程度。汽车制造商普遍认为：增加汽车电子装置的数量，促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的有效手段。汽车设计人员普遍认为：电子技术在汽车上的应用，已经成为汽车设计研究部门考虑汽车结构革新的重要手段。汽油机应用电控喷油技术，能够精确控制空燃比和实现闭环控制，如果再加装三元催化转化器，就可使汽油机的有害排放物降低95%以上；柴油机应用高压共轨式电控喷油技术，能够精确控制喷油量和高达160～200MPa的喷油压力，不仅能够降低油耗和减少排放，而且还能提高动力性；汽车应用防抱死制动技术，可使在湿滑或冰雪路面上的事故发生率降低24%～28%。

历史步入21世纪以来，发动机电控喷油技术、微机控制点火技术、防抱死制动技术和安全气囊技术等国内外轿车都已普遍应用。在国内生产的中高档轿车上，每辆轿车电子装置的平均成本已占整车成本的30%～35%，在一些豪华轿车上，电子产品的成本已占整车成本的50%以上，并始终保持逐年增长的趋势。

（五）汽车电控技术发展动因

汽车电控技术是汽车技术与电子技术结合的产物。近半个世纪以来，汽车电控技术飞速发展的动力和原因包括两个方面：一方面是全球能源紧缺、环境保护和交通安全问题，促使汽车油耗法规、排放法规和安全法规的要求不断提高；另一方面是电子技术水平不断提高。

油耗法规和排放法规促进了汽车发动机电控技术的发展，安全法规促进了汽车底盘和车身电控技术的发展。随着油耗法规、排放法规和安全法规要求的不断提高，汽车发动机燃油喷射电控系统、防抱死制动系统和安全气囊系统已经成为国内外轿车的标准装备。

（六）汽车技术发展趋势

20世纪80年代以来，汽车技术的发展主要是汽车电器技术、电控技术和车身技术的发展，在解决汽车油耗、排放和安全等问题方面，汽车电控技术具有举足轻重的作用。汽车电子化（即自动化、网络化和智能化）是21世纪汽车发展的必由之路。

汽车已为人类交通运输做出了不可磨灭的贡献，未来汽车已不仅仅是一个代步工具，而且具有交通、办公、通信和娱乐等多种功能。毋庸置疑，汽车在造福人类的同时，也带来了能源紧张、环境污染和交通安全等一系列社会问题。就人类目前拥有的科技水平而言，解决这些问题的有效途径依然是继续开发利用汽车电控技术、研究新能源汽车技术、开发汽车轻量化技术，这也是我国汽车工业科技的发展战略。

1. 汽车电控技术

汽车电控技术的发展趋势是网络化和智能化，主要研究智能传感器技术、微处理器技术、智能交通技术、光导纤维技术、模块化设计技术、电压倍增技术、主动安全技术、网络通讯和无人驾驶等技术。汽车电控技术发展的终极目标是使汽车发展成为能够自动筛选最佳行驶路线的智能汽车。

1）智能传感器技术。全球汽车传感器市场的年均增长率达20%。智能传感器不仅能够提供汽车的状态信息，而且还能对信号进行放大和处理，对温度漂移、时间漂移和非线性数据进行自动校正，具有较强的抗电磁干扰能力，在恶劣条件下仍能保持较高的测量精度。

2）微处理器技术。微处理器已广泛用于汽车发动机、底盘、车身和故障诊断控制系统，车载各类控制系统目前使用的微处理器累计已达30～60个。汽车智能化发展的一个重要趋势就是大量使用微处理器，用以改善汽车的整体性能。

3）智能交通技术。智能交通系统（ITS，Intelligent Traffic System）是将机器视觉、环境感知、卫星定位、信息融合、决策与控制等相关技术相互融合，使汽车自动筛选最佳行驶路线的系统。

4）光导纤维技术。光导纤维不仅具有柔软性好、易于连接、质量小、成本低、弯曲半径小、数值孔径大、耦合效率高等优点，而且还具有电气绝缘性能好、抗电磁干扰和抗辐射能力强等优异的传输特性。随着光导纤维的成本不断降低和在汽车上的应用量逐年增大，必将大大降低汽车电控系统乃至汽车整车的制造成本和减轻整车整备质量，同时还可为汽车轻量化开辟一条新的技术途径。

5）模块化设计技术。所谓模块化设计，是指为开发具有多种功能的不同产品，不需要对每种产品实施单独设计，而是精心设计出多种模块，将其经过不同方式的组合来构成不同的产品，以解决产品品种、规格、制造周期和成本之间的矛盾。汽车整车电控系统的零部件用量越来越大，采用模块化设计技术，能够减小体积、减轻质量、缩短装配工时，提高汽车电控系统乃至汽车整车的可靠性。

6）电压倍增技术。2008年，欧盟国家已经实车应用48V电源电压技术。理论与实验证明：在电器负载功率不变的情况下，电源电压提高2倍，负载电流可以减小2/3。因此，提高汽车电源电压，就可大大减小汽车电器或电控部件的电流，汽车导线、电缆、电动机、驱动线圈等就可减小尺寸、减小质量。同理，在负载电流大小不变的情况下，提高汽车电源电压，可以增大汽车电器或电控部件的功率，电控可变气门定时、电控电动转向、电控气动阀机构、飞轮内装起动机/发电机一体式结构、电控电动制动器等就能得以实现，电控系统就能驱动大功率执行器来实现自动控制功能。

7）主动安全技术。汽车主动安全系统包括车身动态综合管理系统、速度与车距自动调节系统、车辆碰撞预警系统、红外夜视系统、轮胎压力预警系统和驾驶环境控制系统等。

车身动态综合管理系统（VDIM，Vehicle Dynamics Integrated Management System）将防抱死制动系统（ABS）、电控制动力分配系统（EBD）、电控辅助制动系统（EBA）、驱动轮防滑转调节系统（ASR）和车身稳定性控制系统（VSC）等控制制动力和驱动力的主动安全系统，以及电控动力转向系统（EPS）和电子控制悬架系统（EMS）等进行综合集成，对车身姿态进行综合控制，使汽车在各种行驶条件下，特别是在转向、制动或打滑时，都能保持方向稳定、行驶安全和乘坐舒适。事实上，VDIM是一个采用智能识别与判断技术来控制车辆行驶稳定性的主动安全体系。汽车速度与车距自动调节系统是利用安装在车内的雷达探测装置准确探测汽车行进过程中的障碍物信息，由发动机控制系统、自动变速系统和防抱死制动系统等自动采取相应控制策略的集成控制系统。当雷达装置探测到障碍物信息时，系统将采取减速措施，一旦障碍物消失，就会取消制动并控制节气门开度增大而加速。车辆碰撞预警系统是一个由前部探测、后部探测和侧部探测装置组成的监控系统，其功能是提醒驾驶人避免车辆发生碰撞。红外夜视系统是一个利用红外探测技术，能在夜间探测到距车650～750m发热物体（人、动物和有余热的故障车辆等）的监测与报警系统。汽车前照灯一般能够照射到距车前方150m的物体，最远只能照射到距车前方300～400m的物体。红外夜视系统的功能与车辆碰撞预警系统相似，主要是提醒驾驶人躲避障碍物。轮胎压力预警系统是一个集中央轮胎充放气系统为一体的监控与报警系统。该系统利用安装在每一只轮胎中的压力与温度传感器直接监测胎内气压和温度，并用无线射频装置将气压和温度信号发送到驾驶室内的接收与监控器，再由监控器显示与控制每一只轮胎的气压和温度。系统的功能是有效避免轮胎温度和气压过高而导致爆胎事故、或轮胎漏气导致气压过低而加速磨损，使轮胎始终保持在正常气压和温度状态下行驶，延长轮胎使用寿命、降低汽车燃油消耗。驾驶环境控制系统是一个舒适性控制系统。该系统集自动空调系统于一体，可据驾驶室内外温度、行驶速度、空气流量、气流方向进行换气通风，给驾驶人营造一个舒适的驾驶环境，减轻驾驶疲劳，保证车辆行驶安全。

8）网络通信技术。汽车电子化发展的趋势是利用网络通信技术来传输海量的实时数据。网络通信技术将集成通信系统与车载信息系统，提供实时的交通信息、气象数据、满足个性化要求的信息以及详细的道路指南等信息。网络通信技术被视为汽车工业继电控高压缩比发动机技术之后的又一次革命。作为引领汽车产业向另一发展阶段进发的新技术领域，网络通信技术必将进一步整合移动通信技术与无线网络技术，使汽车与人类活动紧密相连。

9）无人驾驶技术。集自动控制、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。

无人驾驶汽车是通过车载传感系统感知道路环境，自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标的智能汽车。利用车载传感器感知车辆周围环境，并根据感知所得道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆在道路上安全、可靠地行驶。

2. 新能源汽车技术

新能源汽车是指具有新型动力系统或燃用新型燃料的汽车。具有新型动力系统的汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车（如氢燃料电池汽车）等；燃用新型燃料的汽车包括天然气汽车、液化石油气汽车、醇醚类燃料汽车、生物燃料汽车与合成燃料汽车等。

3. 汽车轻量化技术

汽车轻量化技术是指在使用要求和成本控制的前提条件约束下，能够减小汽车自身质量的材料、设计和制造技术。轻量化材料包括高强度材料（高强度钢）和低密度材料（铝、镁、塑料、复合材料等）。众所周知的奥迪A8轿车就是全铝车身的杰出代表，捷豹汽车则是全铝发动机的开路先锋。轻量化设计包括减少汽车零部件数量、优化汽车结构设计，如基于载荷和强度特性的结构设计、底盘与车身结构的拓扑优化设计等。轻量化制造包括激光拼焊、液压成型、热压成型、铝合金半固态成型以及异种材料之间的连接等。汽车综合运用轻量化技术的根本目的是降低燃油消耗、减少尾气的排放量。