汽车电子技术的发展及应用

陈光前

（东风汽车公司 商用车技术中心，湖北 武汉430056）

1 汽车电子技术的发展

随着社会对汽车节能、环保、安全要求的日益严格以及人们对乘坐舒适性、驾驶便捷性要求的日益提升，电子化、信息化、网络化和智能化成为汽车产品先进性的重要体现。当前世界汽车工业约70%的技术创新来源于电子技术的应用。在汽车电子技术成为汽车核心技术的同时，汽车工业也为汽车电子技术的发展提供了新的平台和机遇。随着汽车和汽车电子技术的发展，汽车电子的概念不断延伸到新的层面。现代汽车电子已经成为由基础技术层、电控系统层和人车环境交互层（信息系统）所组成；是面向汽车而集：电控技术、信息、网络技术和汽车技术于一体的平台（图1）。

图1 现代汽车电子构成示意图

1.1 汽车电控系统平台技术发展

1）动力传动方面

汽油发动机电控系统基本功能是提供正确的混合气空燃比控制和在所有工况下进行精确的点火定时；现在,可变气门正时VVT、涡轮增压、缸内直喷、稀薄燃烧、可变压缩比、OBD在线诊断控制技术正在得到发展应用，基于缸压控制的电控发动机和均质压燃发动机研究工作不断深入。预计到2012年，采用VVT技术发动机将占世界轿车汽油机市场80%的份额，日、美、欧等国开发的缸内直喷发动机技术产品已比较成熟，我国市场上已有装用缸内直喷发动机的轿车。

在柴油发动机上，从位置控制、时间控制、到高压共轨燃油喷射控制。现在,共轨喷射电控系统是柴油机的主流技术。采用高压共轨、单体泵或电控直列组合泵技术，可以达到欧Ⅲ排放标准，而要达到欧Ⅳ、欧Ⅴ或以上排放标准，需要在采用OBD在线诊断技术基础上，采用电控高压燃油喷射、可变截面涡轮增压、废气再循环EGR控制和排放后处理技术（还原催化器SCR和颗粒捕捉器DPF）。目前，国外高压共轨喷射技术产品已很成熟，系统开发技术已发展到第三代。在发动机电控技术上，以32位嵌入式微控制器及多任务实时操作系统为内核的电控ECU开发成为主流。

在自动变速器上，目前电控液力自动变速器AT是轿车应用主流，电控无级变速器CVT、电控机械自动变速器AMT和双离合器变速器DCT也得到快速发展，商用车则越来越多地装用AMT，奔驰、沃尔沃和雷诺在新中重型商用车上均装备了AMT系统。

通过动力传动一体化集成控制优化动力性和燃油经济性是目前的技术发展热点，

2）底盘方面

在转向系统上，电动助力转向系统EPS是继液压助力转向之后，汽车转向系统的又一重大技术进步。2007年在欧洲上市的轿车50%采用了EPS。目前，EPS在集成传感器、控制策略、助力电机（永磁同步电机）等开发方面不断取得新进展。主动性前轮转向电控技术AFS能够改善对方向盘输入的动态响应特性和增强汽车横摆稳定性。四轮转向4WS、主动转向AS、线控转向SBW等技术发展迅速。本田、雷诺、德尔福相继推出四轮转向系统，线控转向样机也已出现。

在制动系统上，集成防抱死制动技术和驱动轮防滑技术ABS/ASR和汽车横摆稳定控制技术（DYC）的车辆稳定控制系统 ESP（或ESC）是一项最先进的主动安全技术，ESP强大的扩展功能使其可作为底盘一体化控制系统的核心。目前欧美几乎所有的中高档轿车都已安装或准备安装ESP系统，并逐步向重型载货车等商用车普及。奔驰Actros载货车ESP为标准配备，沃尔沃牵引车系列也开始装备ESP系统。电子驻车制动系统（EPB）、电控液压制动系统（EHB）也有产品投放市场。电子机械制动EMB和线控制动BBW已成为研究热点并取得可喜进展。

悬架系统主要由弹簧、减震器和横向稳定杆等组成。电控空气悬架系统技术越来越受到关注。电控空气悬架系统ECAS靠调节空气弹簧刚度和减震器阻尼来实现对悬架的控制，也可调节车辆高度。使用可控型的横向稳定杆可满足悬架系统侧倾角刚度控制功能。目前，发达国家大客车几乎全部使用电控空气悬架，重型载货车应用的比例也很高，电控空气悬架系统也日益广泛地应用在豪华轿车和SUV车型上。近年来，在欧洲和北美市场，乘用车电控空气悬架系统需求呈增长态势，2007年应用电控空气悬架的乘用车已超过150万辆。此外，采用阻尼连续可调的电磁流变减震器已应用在高级轿车上,如美国Delphi公司的磁流变减震器半主动悬架系统己用于Cadillac高挡旅行轿车上。

3）综合协调集成控制

汽车电子技术已从用单一技术解决特定问题阶段发展到现在的用综合协调集成控制技术解决系统问题阶段。综合协调集成控制所追求的目标是实现对多个控制目标的统一协调控制，以全面提高整车的动力经济性、平顺性和安全稳定性。其中，在底盘一体化电子控制技术中，融合了防抱死制动系统ABS、驱动轮防滑技术ASR、主动性前轮转向系统AFS和直接横摆控制DYC的功能；在汽车动力学综合管理系统中，结合了DYC、AFS和主动悬架控制技术的功能；对主动和被动安全技术也要进行集成控制。为了实现多目标的综合集成控制，需建立一个处于最高级别的控制层，起全面综合协调作用，如整车控制器VECU，通过全局优化的方法得到最佳整车控制效果。而以汽车分布式控制系统为基础的车载网络总线技术的应用，为整车综合集成控制提供了技术保证。

4）辅助驾驶（安全）系统

通过车载红外视觉传感器、毫米波雷达、车速传感器等，采集车辆运行道路环境及车速、车辆姿态等信息，再运用图像处理、信息融合、模式识别等技术，实现道路标志识别、道路环境场景实时显示、驾驶安全语音提示、安全车距保持、驾驶疲劳监控及对周边车辆的检测与跟踪等功能，并可实现自适应巡航辅助驾驶控制。如果将能够感知周围环境的智能传感技术和响应快速可靠的执行器技术与汽车的集成协调控制策略和网络通讯技术相结合，将使汽车的环境实时感知/预警能力、车辆行驶路线规划决策能力和自动驾驶操作能力大大提高。最终将发展为具有全自动驾驶系统和自动防撞功能的真正意义上的安全的、智能的汽车。

5）车用传感器技术

传感器的多功能集成和系统化集成封装将使电控系统反应更灵敏、更智能。世界各国都非常重视对车用传感器的研究开发。以微电子机械系统技术MEMS为代表的传感器设计、制造技术正逐步成为汽车传感器的主流设计、制造技术，未来车用传感器技术总的发展趋势是多功能化、集成化和智能化。

1.2 信息系统平台和网络总线技术发展

1）信息系统平台

信息系统平台是以人、车、环境交互为特征的，它基于嵌入式车载远程信息处理Telematics系统技术，能够提供多媒体移动视频音频、GPS定位导航、移动通信、移动办公、车辆远程故障诊断、综合信息显示、辅助驾驶等多项功能，并可应用人性化人机界面和语音识别控制技术。目前信息显示终端发展为液晶显示屏LED，汽车仪表信息、车身状况信息、导航信息、多媒体信息、车辆后视信息等均可以一屏或多屏方式显示其上。汽车娱乐和车载信息系统是消费电子工业和汽车工业的结合，已经成为汽车的一个重要组成部分。车载信息系统的开发,是依托嵌入式实时操作系统，以Eclipse集成构架为基础，融入多媒体和网络中间件，以软件平台方式进行的。各种车载信息系统可以通过CAN、FlexRay、MOST、蓝牙无线局域网等组成车辆网络系统，并与外界的INTENET网构成完整的车载信息网络系统。

2）网络总线技术

为简化日益增多的汽车电控装置线路连接，提高系统可靠性和故障诊断水平，利于各电控装置之间的数据资源共享，便于建成开放式的标准化、模块化结构，汽车网络总线技术得到了很大的发展，带来了整车电气系统设计的革新和结构优化。在欧美等国，网络总线的开发大都秉承平台化开发理念，目的是使开发的网络总线尽可能满足各种车型配置需求。即同一平台可供多个车型使用，平台复用程度高。网络总线平台化开发的另一特点在网络总线中使用独立网关。整车网络总线一般包含几个子网，各子网之间以独立网关为枢纽。独立网关具有独立的翻译转换功能，因而能够保证在子网更换或ECU供应商变更情况下不影响整车网络通讯。而加强重视路试前的模拟仿真可提高开发质量和降低开发成本。

专家认为，网络总线的未来发展方向将以局部互联网络LIN、控制器局域网络CAN和具有更可靠的高速可确定性和故障容错性的网络FlexRay为主。其中，FlexRay将是未来网络总线中的骨干网络。另外，媒体信息传送网络MOST和ByteFlight也都将在媒体网络和安全网络中占有重要地位。

1.3 基础技术平台技术发展

1）汽车半导体产品技术

车用半导体产品在汽车中发挥着日益重要的作用。制造工艺的不断进步使汽车半导体产品的功能向一体化、智能化方向加速发展，集成度越来越高，采用90 nm工艺的32位微控制器MCU越来越多。日本许多半导体厂商正在加紧进行具有高温适应能力的碳化硅（SiC）元件研究，碳化硅技术正获得越来越多的应用。车用半导体产品在发动机控制系统、底盘和安全控制系统、车身控制系统、汽车通讯娱乐和导航系统中的应用增长迅速，而所有这些控制系统技术水平的提高，都有赖于处理能力更强大的中央微控制器。此外，随着高档轿车上多功能车载电子产品数量的增加，32位MCU开始逐渐受到重视。今后两三年内，32位乃至64位MCU将是增长幅度最大的汽车电子产品之一。目前半导体生产商已经推出了针对底盘和安全系统等解决方案的MCU产品，实现了基于FlexRay产品的开发，加速了FlexRay网络在汽车行业中的应用。

2）嵌入式实时操作系统和软件平台

嵌入式实时操作系统、平台中间件、应用软件组成了ECU软件平台的一体化整体架构。随着ECU数量的不断增多和性能的日益复杂，软件设计工作量越来越庞大，对产品的可靠性要求越来越苛刻，因此ECU的开发难度越来越大，开发周期越来越长。为此，世界主流的汽车公司、汽车电子产品供应商和半导体芯片供应商开始共同推进ECU相关技术（软、硬件）的标准化。国外汽车工业界推出的OSEK/VDX规范体系主要包括：操作系统规范（OSEKOS）、通信规范（OSEKCOM）、网络管理规范（OSEKNM）和 OSEK 实现语言（OSEKOIL）。此外，汽车开放系统体系结构AUTOSAR也是实现部件标准化和增加软件复用性的一个平台，它有助于定义所有汽车共同的ECU硬件和软件模块子功能，从而实现软件和硬件通用功能模块的标准化。软、硬件的开发工作能够以此标准平台为基础进行，并可优化汽车电子系统的架构。

1.4 新能源汽车电子技术发展

减少汽车工业对石油的依赖已成为有关全球经济和能源安全的紧迫任务，促进了新能源汽车（混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车和代用燃料汽车）的快速发展，我国新能源汽车的技术发展思路是以混合动力为新能源汽车的起点、以纯电动汽车为中期目标、以燃料电池为远期目标。电子技术在其动力系统匹配控制技术、车载动力蓄电池管理技术、燃料电池发动机控制技术和电液复合制动技术等关键技术方面发挥重要作用。

电池技术是现阶段我国新能源汽车实现产业化存在的最大难点，包括镍氢电池和锂电池的寿命、一致性、成本等各方面的问题。

1） 超级电容 （supercapacitor）

超级电容器列为2006年世界七大科技发现之一，是能量储存领域的一项革命性发展，将在某些领域取代传统蓄电池，有希望成为本世纪新型的绿色能源。

超级电容器主要由电极、电解质、隔膜、端板、引线和封装组成，其中电极、电解质和隔膜的质量对超级电容器的性能起着决定性的影响。以活性炭材料为电极，以电极双电层电容的机制储存电荷，通过极化电解质来储能。超级电容既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电化学电池的储能机理。它具有比二次电池更高的比功率，比静电电容器更高的比能量特性。超级电容的特点：充电速度快，充电10 s～10 min可达到其额定容量的95%以上；循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次，没有记忆效应；大电流放电能力超强，能量转换效率高；功率密度高，相当于电池的5～10倍；但相对于电池，其能量密度低；原材料构成、生产、使用、储存过程均没有污染，是绿色环保电源。

超级电容优越的充放电性能、高的比功率特点非常适用汽车的使用特性。用于车辆的牵引和启动能源。在汽车启动时快速提供大电流以提供强大的启动力；在正常行驶时快速充电；在刹车时快速存储发电机产生的瞬时大电流回收能量,惯性滑行时的能量回收；还可作为某些部件总成的辅助或备用电源。本田汽车公司更是将超级电容器与汽油机相结合，研制出一种综合电动机助力器系统，使内燃机主要工作在最佳工况点附近，大大降低内燃机的排放，并可回收制动能量.

2 国内汽车电子技术自主开发与应用

面对当前世界汽车电子技术的快速发展，我国汽车电子技术显然远不适应汽车工业的发展需要，主要表现在基础水平薄弱、缺少自主核心技术、缺少技术积累。但在鼓励自主创新、支持掌握核心技术和提升自主开发能力的产业政策引导下，面对汽车工业的快速发展给汽车电子产业提供的机遇，相关产、学、研单位有了自主开发的主动性、积极性，通过技术引进、消化吸收或通过联合开发方式，大大提升了自主开发设计水平，在技术开发和产业化方面取得了一些积极成果。

2.1 自主开发方式基本与国外接轨

汽车电子技术自主开发的思路、方法、流程已基本同国外接轨，已普遍采用嵌入式系统开发技术、标准化V模式设计开发流程和先进的辅助设计开发工具。其中，由“图形化建模和离线功能仿真—快速控制原型—自动代码生成—硬件在环仿真—实验标定”等环节所构成的V模式设计开发流程的广泛应用，有利于快速高效地进行控制器的开发。但在应用水平及经验积累方面还有很大差距，尤其在产品化方面差距更大。

2.2 取得多方面产业化成果

1）电控发动机

总体来看，汽油发动机电控产品已基本实现产业化，但尚未进入主流市场，柴油机企业通过自主开发、委托开发或联合开发方式加紧了对电控燃油喷射系统的开发。在柴油机电控燃油系统开发上，玉柴集团2006年推出了拥有自主知识产权、能够达到欧Ⅳ排放标准的柴油机YC6L－40；清华大学在电控组合泵系统和ECU的研发上取得产业化成果；一汽技术中心进行了单体泵电控系统开发，并已应用到载货车上；成都汪氏威特电喷公司自主研发了电控组合泵技术，在较低的成本下能够满足国Ⅲ以上排放法规。

2）自动变速器

国内多个高校和企业都在加紧自动变速器的研发和产业化工作，其中，吉林大学和北京理工大学研发成果突出；吉利2006年推出了Z系列AT,近期推出了7挡DCT成果(JL－7DE300)；贵州航天一直在从事重型车用AT的研发；杭州依维柯变速器公司与意大利玛瑞利、奇瑞汽车公司合作开发的AMT已投放市场；东风电动车公司开发的AMT已成功应用在混合动力公交车上；2007年洛阳联变公司一期5万台CVT项目开建，标志CVT开始步入产业化阶段。同时一汽、东风都在积极开展AMT的产业化开发应用工作。此外，由博格华纳（中国）投资有限公司和我国12家主机厂共同投资成立的博格华纳双离合器传动系统有限公司，计划于2011年早期建成，将合资生产和开发双离合器自动变速器DCT的核心产品。

3）制动系统

近年来，浙江亚太机电、东风电子科技、科密制动系统公司等相继完成了具有自主知识产权的防抱死制动系统ABS产品产业化，并已大量投放市场装车应用。东风电子科技公司2007年还成功开发了驱动轮防滑系统ASR并投放市场，现正在开展车辆稳定控制系统ESP产品的开发和产业化工作。浙江亚太机电股份有限公司能够研发、生产整套汽车制动系统，也是国内自主研发、生产汽车液压防抱死制动系统ABS的大型专业化一级汽车零部件供应商，ABS系统的年生产能力为20万套。

4）转向系统

经过7年的努力，企业、院校(清华、同济等)联合开发的电动助力转向系统已经取得很大成就。株洲易力达机电有限公司已批量生产电动助力转向系统，另外浙江福林国瑞汽车零部件有限公司、湖北恒隆汽车转向器有限公司、浙江世宝汽车转向器有限公司等也已实现产业化。重庆三祥汽车电控系统有限公司生产的转向管柱助力EPS已应用在微轿、微客上。

5）电控空气悬架系统

国内电控悬架产品的自主开发处于起步阶段。清华大学汽车工程系对主动、半主动空气悬架进行了多年的研究和试验工作，开发了硬件在环仿真系统、可调阻尼减震器及刚度、阻尼和高度可调油气悬架。北京理工大学开展了主动空气悬架的理论及试验研究，开发了半主动空气悬架系统样机，并进行了民用车辆和军用车辆半主动空气悬架的整车道路试验研究。东风汽车悬架弹簧有限公司目前已开发出全系列空气悬架产品，将促进自主电子控制空气悬架的发展。

6）智能汽车、智能交通系统

国防科技大学经过多年的研究，在智能汽车总体结构、环境感知、遥控操作、路径规划及智能控制理论等多个领域都拥有一定的技术积累。2003年国防科技大学与一汽集团合作研制的“红旗自主驾驶轿车”在高速公路上正常交通状况下的稳定自主驾驶速度达 130 km·h－1， 最高速度达 170 km·h－1，并具有超车功能。

我国智能交通系统ITS技术目前已从概念引入阶段发展到初级应用阶段，与智能交通相关的基础设施建设取得一定进展，发展和推广ITS应用的环境已经具备。未来10年，中国ITS的发展仍将以解决城市交通拥堵问题为核心。目前，一批较为成熟的ITS技术，如导航系统、电子车辆缴费系统ETC等将得到迅速推广应用，我国自主研发的北斗卫星定位系统是我国ITS领域最为成功的产品之一。我国的导航产品目前已装备一汽丰田、上海大众、上海通用等主流汽车厂商的高端品牌汽车上，我国已成为世界上非常重要的新兴导航产品市场。

浙江大学、湖北汽车工业学院等单位承担的国家863项目：面向汽车安全的车辆网络体系结构与组网技术研究取得重要成果,获国家科技部组织评审通过.该课题研究中关於车辆信息采集、交换技术等成果在智能交通系统等领域有广阔推广应用前景。

7）信息平台

信息平台技术是国内发展最活跃的领域，差异化特征明显。深圳航盛电子公司对信息平台进行了全面规划，自主开发成果卓著，尤其在车载娱乐等方面已创出品牌。武汉蓝星科技公司以车载电脑为核心，建立了功能齐全的信息平台，包括多媒体娱乐、无线上网、语音导航、可视泊车、仪表显示等。佛山三水好帮手电子公司在这一领域也有明确的发展思路，后装市场优势明显,在智能型车载娱乐信息平台中已实现轨迹倒车功能。

8）新能源汽车

新能源汽车电子技术上,清华、上海同济等大学取得不少自主开发优秀成果。在混合动力客车产业化方面国内成果比较突出。

东风电动车公司、湖北汽车工业学院等单位联合开发的混合动力公交车2005年12月在武汉正式交付运营，被专家评为最有希望实现产业化的混合动力城市公交车产品。湖北汽车工业学院在多能源控制系统开发、动力耦合装置开发、智能仪表显示等方面取得自主知识产权研究成果。近年来东风电动车公司在混合动力轿车的整车控制系统和电池管理系统等方面产业化成果突出。

3 对加快发展汽车电子技术及其产业化的思考

3.1 加快汽车电子技术发展

要加快发展国内汽车电子技术，从战略上讲，一是要坚持开放中的自主开发，二是要坚持多赢运行机制下的产学研结合的技术路线，从战术上讲，要切实认真解决好若干关键技术问题。

1）关于汽车电子系统架构

从整车电子系统的功能特征归类，汽车电子系统可分为以机电一体化为特征的电控系统平台和以人车环境交互为特征的信息系统平台。如何从平台的角度进行优质高效的系统开发，并优化电子系统架构，是加快国内汽车电子技术发展的一个关键技术问题。这就需要推进ECU相关技术（软、硬件）的标准化，提高软件的复用性。为此，要依托实时嵌入式操作系统，从各种电控ECU软件中提取共性、可复用的软件功能模块，并应用建模工具软件生成和维护新的产品中间件，建立汽车电控系统嵌入式软件平台。国家在核高基（核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品）战略专项中提出“实时嵌入式操作系统及开发环境”和“汽车电子控制器嵌入式软件平台研发及产业化”课题，是非常必要的，这是加快提升汽车电子技术自主开发和标准化水平的重要举措。要充分考虑整车设计中资源配置的灵活性、兼容性和零部件总成系统供货的特点，把握汽车未来发展方向，从整车角度有序地进行功能集成，从而构建优化的汽车电子系统架构。

2）关于设计开发

要关注、跟踪和学习国外先进的设计开发流程及相关的标准、规范，并根据我国的实际情况，将其应用到产品设计、研发、测试及生产环节。必须应用新的汽车电子开发流程，并将计算机辅助工具应用于从需求定义到最终产品的整个产品开发过程。新的开发流程符合国际汽车行业标准（ASAM/ASAP）。在开发过程中使用统一的软硬件平台，可以将在桌面上的控制算法离线仿真、实验室内的控制原型测试及车辆的实际测试标定过程统一起来，减少开发成本和冗余工作，加快开发进程。在汽车电子产品开发中，需大力提高对产品功能的完整性和安全性的认识。完整的产品功能开发既包括前期产品功能的技术开发，还包括使产品功能达到产品化的程度。因此，在产品开发过程中，要大幅度提高产品的开发和试验深度，保证产品功能的完整性和安全性，从而开发出合格的汽车电子产品。

3）关于汽车整车厂与汽车电子

汽车厂要加大提高对汽车电子的重视程度，要像对待关键总成一样，把汽车电子系统技术及相应的整车电子系统架构也作为企业的核心技术。汽车厂在重视整车系统和关键总成相关标准的同时，还必须重视关键总成电控系统和整车网络总线技术相关标准，即相应的整车电子系统架构。建立与网络总线应用层相关的企业标准，对汽车厂保护核心技术、主导和监控配套商及为后续发展提供基础平台等方面都具有非常重要的意义。所有供应商都要按照汽车整车厂的标准来开发零部件，这样汽车整车厂对核心技术和关键技术才能够得以掌控。因此，我国汽车企业必须建立强大的汽车电子开发队伍，并加大相关技术开发投入。

3.2 加快汽车电子产业化发展

为进一步加快汽车电子产业发展，国家首先要鼓励汽车整车厂、汽车零部件厂积极与汽车电子产业开展战略合作并给予市场支持。这种合作利于双方优势、资源互补，利于降低开发成本、提高开发效率，是一种双赢的战略伙伴关系。还要集中支持培育几个大型汽车电子骨干企业发展，扶持自主品牌。在市场策略上，选择市场主体需先易后难。应该优先选择商用车、客车和有自主知识产权的轿车作为市场主体，争取有所突破，而后利用合资轿车产品为降成本推进国产化的机会，进入主流轿车市场，进而融入全球采购体系。在技术路线上，要在开放中培育自主创新开发能力，引入一流技术路线。要充分利用高校、科研院所技术成果，高校有一批高层次人才，有一流的开发手段，但需要用一种创新的市场机制做好产、学、研的结合，迅速将成果转化为产业生产力。在产业模式上，要依托大型汽车企业（集团），按照“研发—产业化—市场”三位一体的产业链组织产业联盟，这是现阶段发展我国汽车电子产业的最有效模式

［1］ 中国科学技术协会.车辆工程学科发展报告［R］.北京：中国科学技术出版社，2008.

［2］中国汽车工程学会.世界汽车技术发展跟踪研究［R］.北京：北京理工大学出版社，2008.