车辆电子学(第2版工业和信息化部十四五规划教材)

第1章绪论 1.1车辆电子综述 1.汽车文明 汽车自1886年发明以来已经有100多年的历史，汽车已成为人们日常生活中不可缺少的交通工具。汽车扩展了人类出行的半径，缩短了人与人之间的距离，提高了物流和信息传递的速度，改变了人类的生活方式；汽车带来了速度和效率，带来了财富与繁荣，改变了人类的生产方式，极大地满足了人类社会对物质财富的需求。 2.汽车的危害 汽车带来了交通事故、环境污染、资源枯竭，威胁着人类的生存。依靠传统的机械技术已经不能适应日益严格的公害控制法规，机械技术在汽车领域的应用已相当成熟，有的已达到了物理极限，使基于机械技术的传统汽车产品进入高度成熟期，并即将进入衰退期，难以实现技术上的重大突破，不能完全满足人们对汽车“安全、舒适、方便、节能、环保”的要求，汽车产业要发展，必须寻找新的技术突破口。 3.汽车技术的转化方向 电子信息技术为汽车工业的突破性发展提供了千载难逢的机遇，汽车电子数字化成为当今世界汽车技术发展的主流。汽车产业电子数字化已成为提升汽车传统产业技术的根本途径。 随着汽车向微电子、信息、新材料、新能源等高新技术方向转变，汽车的性能和质量得到了进一步提高，逐步解决汽车环保生态问题，明显提高了汽车的动力性、舒适性、安全性和燃油经济性。 目前，汽车的电子化程度已成为衡量汽车技术水平高低的重要标志。汽车电子产品具有重量轻、占用空间小、处理速度快、传感精度高、信息容量大等特点。未来汽车市场的竞争，其本质上就是汽车电子化的竞争。 电子信息技术开创了当今的汽车电子时代。汽车电子化、数字化、网络化将成为汽车工业的主导。 汽车电子控制系统是为了解决与汽车功能要求有关的问题，而这些问题仅依靠通常的机械系统是难以解决的。例如，汽车制动防抱死系统ABS是为了保证车辆在湿滑路面上行驶时的安全性；悬架控制用来改善汽车的平顺性、操纵稳定性；而动力转向的目的是改善停车或低速驾驶时的转向轻便性，以及保证在高速行驶时的路感。 近年来汽车电子技术飞速发展的主要原因如下： （1）电子技术在汽车发动机及整车上的广泛应用，使汽车在各种工况下始终处于*佳工作状态，各项性能指标获得较大的改善。如燃油消耗降低，动力性提高，排气污染减少，并能大大提高汽车工作可靠性、安全性和乘员舒适性。电子技术可使汽车、道路、环境与乘员之间形成一个完整的系统网络，这是采用任何机械的手段所无法达到的。 （2）电子装置运行极为精确，并且本身不会磨损。若把电子技术应用于汽车控制与监测，由于有自学习功能和一些闭环控制，使生产或运行中产生的一些误差也会受到严格控制，这将会改善汽车功能，并能延长汽车的维修周期和使用寿命。 （3）电子装置通用性好。如各种传感器、报警器、计算机系统软件等，比机械部件更容易换装到各种车辆上。 （4）随着电子技术的发展，电子电路集成化程度越来越高，因而电子装置具有体积小、重量轻、故障率低、使用方便等优点。 （5）高新技术的飞速发展，使电子产品价格不断下降，品种越来越多，产量越来越大，因而在各领域中得到了广泛应用。 汽车电子控制技术不仅可对现有机械设计进行性能改进，在很大程度上还会影响传统设计方法，从而启发创新的机械系统设计。这种创新设计方案需要结合或依靠电控系统来实现。汽车设计已经演变为机械、电子控制与信息一体化设计模式。 4.汽车电子与控制技术的基本含义 汽车电子与控制技术是指将以计算机为代表的微电子技术、信息技术引入汽车工业领域，使传统汽车机械系统与电子技术、信息技术相融合，实现汽车产品的电子数字化、网络信息化和控制智能化，满足人们对汽车“安全、舒适、方便、节能、环保”的要求。 汽车电子技术的广泛应用，更新了传统的汽车概念。传统的汽车主要是一个机械系统，现代汽车是一个机械电子体系，现代汽车正在成为机电一体化、多种高新技术综合集成的载体。可以形象地说，现代汽车是车轮上的计算机。传统汽车工程学科的基础是力学、机械工程、材料科学；现代汽车工程除了上述学科之外，电子学、计算机、自动控制、信息技术、互联网技术正在快速向汽车工业渗透并成为现代汽车的支撑学科。 汽车电子与控制技术是汽车电子控制领域中具体应用的分支学科，主要以数学方法和工程方法为工具，综合运用汽车和微电子技术以及自动控制理论，并使三者有机结合，实现汽车性能的*优化，保证汽车总体性能水平。 5.传统汽车电子与控制技术及发展史 1）汽车电子与控制发展史 全球汽车电子技术的发展及其大规模应用是从20世纪70年代末开始的，大致经历了4个发展阶段： **个发展阶段为1971年以前，利用分立电子元件或集成电路开始生产的二极管整流交流发电机、电压调节器、电子闪光器、电子喇叭、间歇刮水装置、汽车收音机、电子点火装置和数字钟等。从此揭开了汽车电子技术发展的序幕。 第二个发展阶段为1974～1982年，以集成电路和16位以下的微控制器在汽车上的应用为标志。主要包括电子燃油喷射、自动门锁、程控驾驶、高速告警系统、自动灯光系统、霜控制、制动防抱死系统、车辆导向、撞车预警传感器、电子变速器、闭环排气控制、自动巡航控制、防盗系统、实车故障诊断等电子产品。这期间*具代表性的是电子汽油喷射技术的发展和制动防抱死技术的成熟，用电子技术控制实现主要机械功能。 第三个发展阶段为1982～1990年，微控制器在汽车上的应用日趋可靠和成熟，并向智能化方向发展。开发的产品有牵引力控制、全轮转向控制、直视仪表板、声音合成与识别器、电子负荷调节器、电子道路监视器、蜂窝式电话、可加热式挡风玻璃、倒车示警、胎压监测、高速限制、自动后视镜系统、道路状况指示器、电子冷却控制和寄生功率控制等。 第四个发展阶段为1990年至今，微波系统、多路传输系统、32位微控制器、数字信号处理方式的应用，使通信与导向协调系统、自动防撞系统、动力优化系统、自动驾驶与电子地图技术得到发展，特别是汽车智能化技术有了较大发展。 我国汽车电子技术在20世纪80年代开始起步，由于受到当时汽车技术和电子技术发展的制约，汽车电子技术仅仅处在科研探索和科技攻关阶段；90年代后，以电控发动机和汽车防抱死（ABS）为代表的汽车电子技术逐渐应用于国产汽车上，例如，上汽Santana2000汽车发动机采用了进气管燃油喷射电控技术，也是国产汽车*早采用该技术的车型。不过汽车电子控制核心技术主要由国外跨国公司掌握和控制，加上汽车产业和技术普遍以引进为主，我国自主研发和生产受到了抑制，关键技术受制于人，这一状况持续了相当长的时期。近十多年来，随着我国自主研发政策的调整，特别是综合国力的不断提升，汽车电子技术由国外引进为主逐渐转化为自主研发为主，基本改变了关键技术依赖国外的局面，汽车电子产业已经成为我国的核心技术产业。随着网络技术和智能技术在汽车上的广泛应用，汽车电子技术持续发挥重要作用，为国家汽车核心技术永远掌握在自己手里做出应有的贡献。 2）传统汽车电子与控制技术 传统汽车电子与控制技术主要以8位、16位、32位微控制器（MCU）为核心，依据汽车发动机、底盘和车身等工作原理和控制要求，设计电子控制单元（ECU）、电子控制模块（ECM）和控制算法，实现电子控制，提高汽车性能，主要包括发动机电子控制、底盘电子控制、车身电子控制和总线网络等。 （1）发动机电子控制。 发动机电子控制包括空燃比控制、点火正时控制、废气再循环控制、怠速控制、进气控制等，典型的发动机电子控制范例为发动机进气管燃油喷射控制系统，如图1.1所示。 （2）底盘电子控制。 底盘电子控制包括制动防抱死控制、驱动防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、车辆稳定性控制、电子控制自动变速器、汽车动力转向控制等。 典型的底盘电子控制范例为电子控制悬架系统，如图1.2所示。 （3）车身电子控制。 车身电子控制包括电子控制安全带、安全气囊、汽车防撞、自适应巡航、车道保持、车内气候控制、电子防盗系统、遥控门锁、电动座椅、电动后视镜、电子仪表板、灯光控制、轮胎压力监测、CAN总线技术等。 典型的车身电子控制范例为汽车防撞控制系统，如图1.3所示。 （4）车载汽车电子设备。 车载汽车电子设备包括车载娱乐、汽车信息、导航系统等辅助设备。例如，数字式收音机、音响、冰箱、电视、CD、汽车行驶的信息系统、车载通信系统、语音信息系统、网络设备、导航系统和智能运输系统的辅助设备等。 6.现代汽车电子与控制技术及发展 1）汽车电子集成控制 发动机在不同转速和扭矩下燃油喷射与点火集成控制，得到动力、油耗和排放的综合控制；无级变速系统与发动机集成控制，使传动系统与发动机实现*佳匹配；将转向、制动及悬架系统集成控制，得到优良的操控性与驾驶性；发动机动力与制动系统的集成控制，在实现汽车避撞的同时，提高了乘坐舒适性；汽车导航系统与自动驾驶、汽车防撞集成设计，提高汽车安全性和驾驶舒适性。 2）车联网技术 基于车内网络CAN总线、FlexRay总线网络，借助于通信网络和全球定位系统（GPS、北斗），发展车间通信网络、车与地面交通设施之间通信网络，可使汽车、道路、环境与乘员之间形成一个完整的系统网络，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，实现远程通信、调控和故障诊断化，提高交通运输效率，降低交通事故发生概率，降低能耗和排放量。 3）车辆驾驶安全与辅助驾驶电子控制系统 为了提高汽车驾驶的安全性，车道保持辅助系统、防撞避撞控制系统利用超声波传感器、视觉传感器、毫米波雷达与激光雷达传感器等，与汽车自动制动和自动转向系统相结合，实现自动泊车、车道保持以及防撞避撞；与精密导航系统等技术相结合，*终实现自动驾驶。 4）汽车智能化技术 汽车集成控制逐渐向智能控制发展，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，其中控制软件借助于新型传感器、高性能电控单元、智能控制理论，使其具有判断推理、逻辑思维和自主决策等能力，实现自动行驶、制动和转向操作，提高现代汽车的自动化与智能化水平。 7.科技强国自主创新意识 汽车的电子化、智能化程度已成为衡量汽车技术水平高低的重要标志之一，未来汽车包括电动汽车、自动驾驶汽车关键技术的竞争，其本质上就是汽车电子化与智能化的科技强国竞争。鉴于国际上汽车电子与智能控制的激烈竞争，必须认清对“车辆电子学”课程学习的使命感，着眼汽车核心技术特别是汽车电子技术的自主研发基本定位，树立民族自信心，发奋图强，认真学习车辆电子测试与控制系统理论与方法，从整体和系统的角度学习研究车辆电子控制系统的组成、原理与设计，包括传感器、执行器和控制器特性评价，信号调理与驱动电路设计。克服车辆电子控制芯片、软件、关键传感器等“卡脖子”痛点和难点，为开展学位论文工作和科学技术研究打下良好的基础，为国分忧，成就未来。 1.2车辆电子学研究内容 车辆电子学讨论车辆电子控制系统的理论与方法，是从整体和系统的角度讨论车辆电子控制的组成、原理与设计，包括传感器、执行器和控制器特性评价，信号调理、驱动电路以及电控单元设计。 进一步研究车辆电子控制系统理论与方法，包括车辆发动机电子控制系统、车辆底盘与车身电子控制系统的控制模型、控制算法，从整体和系统的角度讨论车辆电子控制系统的组成、原理与设计，简要介绍车辆驾驶安全与辅助自动驾驶电子控制系统。 同时对先进的典型车辆电子系统实例进行分析，包括发动机喷油控制程序的设计与调试，结合作者科研工作积累，内容深度适当，列举设计实例，紧密结合*新技术，从创新和设计角度探