谈谈汽车电子控制

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汽车电子是车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的总称。汽车电子最重要的作用是提高汽车的安全性、舒适性、经济性和娱乐性。用传感器、微处理器MPU、执行器、数十甚至上百个电子元器件及其零部件组成的电控系统。近年来,汽车电子占整车制造成本的比例越来越高,据统计, 汽车产品创新的 90% 源于电子控制技术。随着节能减排以及动力性和安全性要求的逐渐提高,新型执行器和动力源被不断引入汽车系统中。

电控系统在汽车上随处可见,小到 雨刮器控制系统, 大到发动机动力总成控制系统, 应该说汽车的各方面性能越来越依赖控制技术的发展。汽车控制中最为重要的四个控制系统: 1) 发动机控制系统; 2) 传动系控制系统; 3) 主动安全控制系统; 4) 新能源汽车控制系统。


1、汽车发动机控制的研究始于上世纪 70 年代末期, 采用电子控制的初衷是提高车辆的燃油经济性、动力性以及降低排放。随着对发动机性能要求越来越高, 相关法律法规也日益苛刻, 这促使新技术和新设计不断应用到发动机中。发动机控制系统直接决定着汽车的整车性能和排放水平, 因此发动机控制得到了普遍关注。发动机控制系统是由多个子控制模块构成的复杂系统, 如图1所示。

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发动机的最基本控制问题包括: 1) 空燃比控制; 2) 电子节气门控制; 3) 怠速控制; 4) 点火正时控制; 5) 爆震检测与控制; 6) 车载诊断系统与安全性诊断、标定。

传动控制系统是在发动机控制系统基础上实现汽车经济性、动力性的重要系统。    2、传动系统一般由离合器、变速器、万向传动装置、主减速器、差速器和半轴等组成。其基本功用是将发动机发出的动力传给汽车的驱动车轮,产生驱动力,使汽车能在一定速度上行驶。对于前置后驱的汽车来说,发动机发出的转矩依次经过离合器、变速箱、万向节传动轴、主减速器、差速器、半轴传给后车轮,所以后轮又称为驱动轮。目前已经成功装配应用到车辆上的自动变速器种类有液力式自动变速器、无级自动变速器、机械式自动变速器和双离合器式自动变速器。不同的自动变速器具有各自不同的特点及相应的控制问题, 目前对自动变速器控制的主要研究方向有起步过程控制、换挡过程控制、冲击抑制控制和驱动轴力矩/离合器压力估计等。图二为机械式传动系一般组成及布置示意图。

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3、汽车的安全性从总体上来说分为主动安全性和被动安全性。从发展趋势看, 如何主动避免事故发生具有积极意义, 因而车辆主动安全控制的研究和开发日益引起汽车研发人员的重视。 在人、车辆和环境三者之间的闭环系统中, 驾驶员相当于一个控制器, 为了防止这个 “控制器” 的不稳定和误操作, 还需要增加一个更可靠的控制器以监测人、车、环境状况, 这就需要对汽车主动安全技术中驾驶操纵性进行深入而细致的研究。自 20 世纪80 年代以来, 各种提高驾驶操纵性的主动安全装置也相继问世, 先后出现了制动防抱死系统 (Anti-lock brake system, ABS)、驱动防滑系统 (Acceleration slip regulation, ASR)、车辆操纵稳定控制系统 (vehicle stability control, VSC) 等。

4、能源枯竭、环境污染已经成为当前社会亟需解决的问题。电动汽车以其独特的节能环保的优势引起越来越多的国家的重视。发展以电能为核心能源的新能源汽车是缓解全球范围内能源危机,减少污染的重要途径之一。为了顺应这个潮流,电动汽车、混合动力汽车得到了飞速的发展,开发电动汽车控制技术是今后汽车工业发展的必然方向。新能源汽车的关键控制问题主要包括: 混合动力汽车扭矩需求管理、电动汽车电池管理系统、电机驱动控制、能量回收控制。


目前,汽车控制技术取得了令人瞩目的进展,然而汽车控制系统由多个功能独立但动力学关联耦合的子系统组成,每部分的动力学机理复杂、性能指标相互影响。同时大量新技术的广泛应用,满足了汽车的节能减排、动力性及安全性,但引入了诸多新型电控执行器,增加了控制自由度和动力学耦合的复杂程度,使得电控系统的设计、标定和实验更加困难,对传统控制理论和方法的应用提出了新的挑战。由于能源安全和气候变化问题日益突出,世界许多国 家把交通电气化作为减少石油依赖、温室气体和污染物排放的重要举措。我国也把发展新能源汽车作为节能减排和新兴战略型产业的重要内容。新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源,综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。

汽车控制中还存在很多重要且尚未解决的问题需要从事汽车控制的科研人员去探索和认知。对已经进入世界汽车产量前三位的中国来说,若许多关键、核心的电控技术均需从国外引进,那么高昂的引进和改造费不仅损害消费者利益,也严重地损害我国自主汽车企业的利益。进而使得我国自主汽车企业不但无法和跨国汽车集团竞争,还有可能存在被逐渐边缘化的危险。因此从理论和方法角度进行汽车控制的自主研究,对提升我国汽车核心技术水平和提高汽车行业的自主创新能力具有重要的现实意义,而且对于缺少核心技术的我国汽车产业在人才储备上也有着深远的意义。  

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