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汽车电子技术发展的前景
2008-08-26 17:19

     汽车电子化是现代汽车发展的重要标志。从现代汽车上所使用的电子设备的价格比例看,欧美汽车上所用的电子设备的价格已占到整车价格的15%~20%,而我国生产的汽车,目前所用的电子设备的价格只占到整车价格的2.5%。从世界汽车电子市场的销售来看,1991年,每辆汽车平均消耗电子产品的费用只占到整车的10%,1998年则接近15%,而2003年已经提高到20%,某些车型则更高。现代汽车电子技术的应用不仅提高了汽车的动力性、经济性和安全性,改善了汽车行驶的稳定性和舒适性,推动了汽车产业的发展,而且还为电子产品开拓了更加广阔的市场,从而推动了电子产业的发展。作为汽车产业和电子产业结合的产物,汽车电子产业的发展已经驶上了快车道。在未来的几年中,汽车电子产业的发展将会主要集中在汽车网络、通讯系统、音响、动力总成、底盘控制、安全以及车身控制系统等方面。
    一、汽车电子技术的发展过程
国外汽车电子技术的发展及其大规模地应用是从20世纪70年代末开始的,从20世纪70年代到80年代,大致经历了3个发展阶段。
第一个发展阶段为1971年以前,开始生产技术起点较低的交流发电机、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。
第二个发展阶段为1974~1982年,以集成电路和16位以下的微处理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、高速警告系统、自动灯光系统、自动除霜控制、防抱死系统、车辆导向、撞车预警传感器、电子正时、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。这期间最具代表性的是电子汽油喷射技术的发展和防抱死(ABS)技术的成熟,使汽车的主要机械功能用电子技术来控制。但是,在此阶段机械与电器的联接并不十分理想。
第三个发展阶段为。1982~1990年,微电脑在汽车上的应用日趋可靠和成熟,并向智能化方向发展。开发的产品有胎压控制、数字式油压计、防睡器、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、可热式挡风玻璃、倒车示警、高速限制器、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。
2005年,可以说进入了汽车电子技术的第四个发展阶段。微波系统、多路传输系统、ASKS-32位微处理器、数字信号处理方式的应用,使通讯与导向协调系统、自动防撞系统、动力最优化系统、自动驾驶与电子地图技术得到发展,特别是智能化汽车的出现。
 二、网络技术在汽车中的应用
   1.网络技术在汽车内部的应用
在较高级的汽车上装上几十个微机控制器、上百个传感器,给汽车的网络应用提供了条件,同时目前已经解决了汽车上一直存在的集中控制和分散控制的矛盾。
所谓分散控制,就是汽车上的某一部件,例如点火或喷油等零件只用一个微控器来进行控制,这是微机在汽车上应用的起始。而集中控制是随着后来的发展而产生的汽车集中控制系统,其包括完全集中控制系统、分级控制系统和分布集中控制系统。
完全集中控制系统是采用一个微机系统分别控制汽车的各种部件,例如美国的通用汽车公司就采用一个微机系统分别控制汽车防滑制动、牵引力控制、优化点火、超速报警、自动门锁和防盗等。
分级控制系统是用1台中央控制计算器分别指挥几台微机,例如日本日产公司的分级控制系统就用1台中央控制计算器分别指挥4台微机,分别控制防滑制动、优化点火、燃油喷射和数据传输
 分布集中控制系统是对汽车的各个大部件进行分块集中控制,例如对发动机、底盘、信息、显示和报警等几大件控制系统等进行分块集中控制,日本五十铃公司生产的汽车I—TEC系统,就对发动机的点火、燃油喷射、怠速及废气再循环进行了集中控制。
  上述各种类型的控制系统都有其各自的优缺点,自从网络在汽车上得到应用后,就可以做到逐渐地发挥各种控制系统的优点,克服各种控制系统的缺点。例如,集中控制和分散控制的最大问题就是可靠性的问题,完全集中控制,一旦微机出现故障就会造成全车的瘫痪。采用网络技术后,不但共用所有传感器,还可以共用其他设备,进行环形网控制。几十个微机若有个别的微机出现问题,整车还可以正常运行。所以网络在汽车上的应用不但使汽车增加了许多功能,而且还大大增加了各种系统的可靠性。
2.网络技术在汽车外部的应用
 汽车的上网系统,是一种无线的网络结构。通过它,人们在驾驶汽车时就可以像在家里一样进行上网、发E-mail等所有的网上操作。目前已有不少公司在进行这方面的研发工作,例如IBM公司和Motorola公司已经合作开发了车用无线Internet技术,这项技术将使驾驶员和乘客能够在车上发送电子邮件以及从事网上各种活动,譬如进行电子商务和网上购物、查看股市行情和天气预报等。
另外Microsoft公司还新推出了专门为“车上网”设计的AutoPC软件,该软件采用WindowsCE操作系统,它具有交互式语言识别等各种多媒体功能。这些功能能够有效地保障汽车行车的安全,它可以让汽车驾驶员在手不离方向盘、眼不离行驶方向的情况下与PC机系统交换各种信息,例如了解行车前方的交通状况有无拥堵及其用最短的时间进行导航等;同时也可以通过这一软件在车上收发E-mail、打网络电话和进行其他上网活动。
通用公司不但开发了“车上网”系统,而且还装有车载自动化办公系统。由于该系统采用了超高速光纤串行数据通道(MML),因此具有多路数字式影音能力,可以有效地调控多信道大容量的输入、输出信号,例如,CD、DVD、显示器、电视接收天线、音响和全球卫星定位导航系统都可以和该系统交换信息。
   总之,网络化是未来车辆的必然选择,而且集发动机控制、底盘控制、车身控制、安全、通讯以及娱乐等于一体的网络汽车的出现也是指日可待。
三、未来汽车电子技术的发展方向
1.汽车传感器的发展趋势
   车用传感器是促进汽车高档化、电子化、自动化发展的关键技术之一,世界各国对车用传感器的研究开发、提高性价比都非常重视。“没有传感器技术就没有现代汽车”的观点已被世界所公认。
汽车电子化越发达,自动化程度越高,对传感器依赖性就越大。所以,国内外汽车电子产业都将车用传感器技术列为重点开发研究的高技术。传感器的发展趋势是:多功能化、集成化、智能化、微型化;传感器的发展方向是:开展基础研究,发现新现象、采用新原理、开发新材料和采用新工艺,扩大传感器的功能与应用范围。
(1)发现新现象
   由于利用物理现象、化学反应和生物效应等是各种传感器的基本原理,所以发现新现象与新效应是现代传感器发展的重要基础。
(2)开发新材料
   功能材料是发展传感器技术的另一个重要基础。由于材料科学的进步,在制造各种材料时,人们可以任意控制它的成分,从而可以设计与制造出各种用于传感器的功能材料。例如,控制半导体氧化物的成分,可以制造出各种气体传感器;光导纤维用于传感器是传感器功能材料的一个重大发现;有机材料作为功能材料,正在引起国内外汽车电子化专家的极大关注。
(3)采用新工艺
传感器的敏感元件性能除了由其功能材料决定外,还与其加工工艺有关。随着半导体、陶瓷等新型材料应用于传感器敏感元件,许多现代先进制造技术也被引入汽车传感器制造技术,例如,集成技术微细加工技术、离子注入技术、薄膜技术等。应用这些技术能够制造出性能稳定、可靠性高、体积小、质量轻的微型化敏感元件。
近年从半导体集成电路技术发展而来的微电子机械系统(MEMS)技术日渐成熟,利用这一技术可以制作出各种能够敏感地检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器。这些传感器的体积和能耗小,可以实现许多全新的功能,便于大批量和高精度生产,单件成本低,易构成大规模和多功能系列,这些特点更适合在于汽车方面的应用。
20世纪80年代初期,微型压阻式多路绝对压力传感器开始大批量生产,取代了早期采用LVDT技术的压力传感器。20世纪80年代中期,微型加速度传感器开始用于汽车安全气囊,它们是到目前为止大量生产的、并在汽车中得到广泛应用的微型传感器。然而微型传感器的大规模应用一定不会仅仅局限于发动机燃烧控制和安全气囊,在未来5-7年内,包括发动机运行管理、废气与空气质量控制、ABS、车辆动力的控制、自适应导航、车辆行驶安全系统在内的应用将为MEMS技术提供广阔的市场。
(4)研究多功能集成传感器
   研究多功能集成传感器是一个重要方向,即在一个芯片上集成多种功能敏感组件和同一功能的多个敏感组件。目前日本已经研制出复合压阻传感器,一个芯片可同时检测汽车压力与温度。
(5)研究智能式传感器
智能传感器是一种带微型计算机,兼有检测、判断、信息处理等功能的传感器。与传统传感器相比,它可以确定传感器工作状态,对测量资料进行修正,以便减少环境因素,例如温度引起的误差等。它还可以利用软件来解决硬件难以解决的问题,例如完成资料的计算与处理工作等。
世界各国都在车用传感器硬件的基础上,努力用软件来解决汽车电气干扰大、环境差、温度高、温度梯度大、污染厉害等问题造成的对汽车参数测量的影响。而且智能式传感器精度高、量程覆盖范围大、输出信号大、信噪比高、抗干扰性能好,有的还带有自检功能。一些大汽车公司在该方面进行研制与开发,并取得了成就和应用。
2.微处理机技术
微处理机的出现给汽车仪表带来了革命性的变化。目前世界汽车工业的微处理机用量激增。其由从前单一的仪器逐步发展为多用途、智能化仪表,不但可以很精确地把汽车上所有的待测量都检测出来,并可以分别显示和打印出需要的结果,而且还有运算、判断、预测和引导等功能,例如,微处理机可以监视汽车上各大部件的工作情况,可以对蓄电池电压、轮胎气压、车速等检测量的高低限量进行报警等。随着这一技术的发展,微处理机将更广泛地应用于发动机、传动系以及安全、环保、速度控制和故障诊断中。
3.软件新技术应用
   随着对汽车电子技术应用的增加,相关控制软件的需求也将会增加,并可能进一步要求计算机联网。因此,使用多种软件并开发出通用的高水平语言,以满足多种硬件的要求是十分必要的。将来轿车上多通道传输网络依赖于软件的程度会越来越大,软件总数的增加及其功能的提高,也将能够使计算机完成越来越复杂的任务。
4.智能汽车及智能交通系统(ITS)的研究及应用
对汽车智能化的相关技术问题的研究已经受到汽车制造商们的高度重视。其主要技术中“自动驾驶仪”的构想必将依赖于电子技术来实现。
智能交通系统(ITS)的开发将与电子、卫星定位等多个交叉学科相结合,该系统能根据驾驶员提供的目标资料,向驾驶员提供距离最短且能绕开车辆密度相对集中处的最佳行驶路线;其装有电子地图,可以显示出前方的道路;采用卫星导航,可以从全球定位卫星上获取沿途天气、车流量、交通事故和交通堵塞等情况,并自动筛选出最佳行车路线。未来的某一天,道路上行驶的也许都会是由计算机控制的智能汽车。
5.多通道传输技术
多通道传输技术将逐步由试验室里走出来进入实用阶段。采用这种技术后,各个数据线将成为一个网络,以便分离汽车中心计算机的信息。微处理机可以通过网络接收其他单元的信号。传感器和执行机构之间要有一个新式接口,以便做到与多通道传输系统相联系。
6.数据传输载体方面的电子新技术应用
   汽车电子技术的未来将实现整车控制系统。这一系统要求有一个庞大而复杂的信息交换与控制系统,车用计算机的容量要求将会更大,对计算速度的要求也将会更高。由于汽车用计算机控制系统的数量将日益增多,所以采用高速数据传输网络则日益显得更加必要。光导纤维可为此传输网络提供传输介质,以解决电子控制系统防电磁干扰的问题。
7.汽车车载电子网络更加成熟
随着电控器件在汽车上得到越来越多的应用,车载电子设备间的数据通信变得越来越重要。建立以分布式控制系统为基础构造的汽车车载电子网络系统是十分必要的。大量数据的快速交换,而且具有高可靠性以及价格低廉,是对汽车电子网络系统的要求。
在该系统中,各个从处理机独立运行,控制改善汽车某一方面的性能,同时还可在其他处理机需要时提供数据服务。主处理机则收集整理各个从处理机的数据,并生成车况显示,通信控制器保证数据的正常流动。

四、我国汽车电子技术的发展对策
“八五”时期,我国开始重视汽车电子技术的开发和研究,近年来得到了较大的发展。为了加快我国汽车电子技术的发展,特提出如下对策。
1.抓住机遇,超速发展汽车电子产业
   我国已将汽车工业作为国民经济的支柱产业。汽车及相关产业应抓住这一有利的发展契机,加快我国汽车电子技术的发展步伐,根据轿车产品发展的需要,建立汽车电子产品基地,发展我国汽车电子产业。要普及和开发电子燃油喷射装置、最佳能耗处理装置、自动变速器、ABS装置、电子悬架、数字液晶显示、排污控制、安全导航、防盗防劫、通讯娱乐、总线控制等装置。尤其应该重视发展电子执行元件、传感器及车载计算机等,以适应我国现代汽车产业大发展的需要。
2.制订法规,促进电子产品在汽车上的应用
   国家应该对国内的汽车生产企业在节能、安全、排放等方面制订出与世界汽车工业发展相适应的法规,对国内中高级轿车中电子产品的应用水平制订相应的标准,对国产载货汽车的电子化提出循序渐进的要求,使汽车制造企业足够重视起汽车电子化的建设,从而缩小与国外先进汽车技术的差距。
3.加强合作,大力发展汽车电子产业
   将国内生产厂家、高等院校、科研机构等组织起来,全面规划,联合攻关,合作开发。同时还要大力依靠科技进步,引进和借鉴国外先进技术和科学管理经验,积极参与国际合作。
目前,我国汽车产业正在面临加入WTO后的巨大冲击,能否在未来世界汽车工业的竞争中掌握主动权,关键取决于能否在电子技术上占领制高点。因此,加快汽车电子技术新领域的研究是我国汽车产业发展的当务之急


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