汽车电子产品的开发.docx

汽车电子产品的开发李茗 摘要 根据国外汽车行业的现状介绍汽车电子产品的开发过程 。作者着重介绍汽车电子产品开发的流程 、方法和步骤 ,并以汽车发动机控制单元和车体控制单元为例来阐述汽车电子产品的开发所面临的难题和所需的技 术专长 。最后将探讨对中国的汽车电子产品厂商发展策略的一些思考和建议 。叙词 :汽车 ,电子产品 ,开发1 汽车电子产品的历史 、发展现状与展望经过 100 多年的发展 ,现代汽车工业已经进入成熟期 。在全球范围内 ,汽车生产能力已形成供大于求的 局面 。为了进一步争夺世界市场 ,各大汽车公司试图从不断提高汽车安全性 、降低能耗 、改善乘坐舒适性和 扩大功能范围等方面继续提高产品的竞争力 。另一方面 ,各国政府对尾气排放 、安全及故障自诊断能力的要求日渐严格 。由于电子技术的迅猛发展 ,利用电子控制技术来改善汽车的操作性能 、安全性 、方便性 、舒适性 成为切实可行的解决方案 。如今 ,应用于中档家庭用车的电子控制系统已经超过了当年用于阿波罗登月飞 船的电子控制系统 。电子技术应用于汽车始于音响 。从 20 世纪 80 年代中期 ,电子控制技术被迅速应用于汽车 ,电控点火 、 喷油系统开始用于汽车发动机的控制 。稍后 ,电子控制的 AB S 刹车系统 、电动门窗 、空调系统也逐渐在汽车上装备 。90 年代 ,电子控制技术被进一步用于改善发动机的燃烧质量 、爆燃及排放阀的开关时机 。电子控 制的自动巡航及导航信息系统也在 90 年代末期应用于汽车 。进入 21 世纪 ,机电一体化和导线驾驶成为汽 车技术发展的重要方向 。汽车电子产品可大致分为 4 大类 。(1) 仪表与显示 :仪表盘及驾驶室各种显示仪 。(2) 车身和底盘控制 :电动门窗 、电动座椅 、AB S 制动 、电动转向 、安全气囊 、底盘稳定控制等 。( 3) 动力传动系统控制 :起动马达控 制 、发电机控制 、发动机控制 、变速器控制 。(4) 安全及舒适电子系统 :空调 、防盗 、灯光控制 、自动巡航控制 、导航与通信系统 、语音识别与控制系统 。随着汽车电子化程度不断提高 ,汽车电子产品的市场也变得越来越大并保持高速增长 。美国的乘用车 电子部件的市场需求 1988 年为 26 亿美元 ,1993 年约增长 1 倍 ,达到 54 亿美元 ,2000 年达到 140 亿美元 。 年平均增长率为 15 %16 % 。在全球范围内 ,2002 年的市场规模大约是 269 亿美元 。到 2007 年 ,市场规模预计会达到 354 亿美元 。亚洲 、中欧及东欧市场将增长最快 。在北美及欧洲市场 ,电子部件占整车的价格已 达到 10 %15 % 。预计到 2010 年汽车电子装备价格将占整车价格的 25 %30 %1 。迄今为止 ,全球汽车电子部件市场需求量最大的是安全及舒适电 子系统 。在 20022007 年间 ,安全及舒适电子系统将出现较快的增 长 。动力传动电子系统的市场需求量将趋于稳定 ,略有增长 。车身和底盘控制电子系统将保持 1117 %的增长率 、其市场规模预计会从 27亿美元增至 47 亿美元 。如图 1 2 。进入 21 世纪后 ,中国的汽车工业迅速发展 ,2003 年已突破 440 万 辆 ,其中轿车近 200 万辆 。2005 年预 计 年 产 量 685 万 辆 左 右 , 轿 车360 万辆左右3 。汽车电子产品的市场也将成比例地高速增长 。若按图 1 汽车电子产品的市场预测电子部件占整车价格的 10 %15 %的比例推算 ,到 2005 年中国汽车电子产品市场规模将达到 25003000 亿人民币4 。2汽车电子产品的开发过程368 汽 车 工 程2004 年 (第 26 卷) 第 3 期整车及其电子产品的开发普遍遵循 V 字形的开发流程 ,如图 2 。V 字的左边代表设计及开发过程 ,右边代表测试及验证过程 。每个方框代表开发过程的一个步骤 。图 2 汽车电子产品的开发程序汽车电子产品的开发是整车开发的一个组成部分 。市场调研部门根据市场需求确定整车的功能 、性能 、 配置及价位 。基于这一市场需求 ,汽车制造商的工程部门将确定底盘 、动力传动系统及车身的框架设计 。这 个框架设计一般称为整车开发平台 。整车的电气系统是这个开发平台的一个重要组成部分 。根据整车的性 能和配置 ,电气系统设计部门将整车的综合功能分解成单一功能 。然后再根据整车的目标价位要求 ,将这些 单一功能重新组合以形成整车的电气系统的结构 。整车的综合性能 、性能分解与组合是电气系统设计的一个重要环节 。其目的就是为了衍生出最经济 、合 理的结构从而最大限度地减少各系统功能的重叠 、最大限度地利用各个控制系统的资源 。电气系统的核心 部件是控制单元模件 。整车功能的重新组合就是将各项控制功能合理地分配到各个控制单元从而在成本目 标的限定条件下 ,使整车的电气系统的设计达到最优的结构 。例如发动机控制器 、变速器控制器都需要发动 机的转速及车速信号 。将两个控制单元合二为一的优点是可共享发动机的转速 、车速传感器 、预处理电路以 及软件 。其缺点是布线将变得复杂 、对控制单元的存储器 、CPU 的要求变得更高 。一般而言 ,整个开发过程涉及整车开发商及电子产品供应商双方 。整车开发商在开发过程的前期负责 制定汽车电子产品的设计指标及性能要求 ,在开发过程的后期负责产品的测试和验收 。当整车的电气系统 结构设计完成后 ,整车开发商根据此结构设计制定出每个子系统及控制单元的设计指标及性能要求 。采购 部门根据此设计指标及性能要求进行招标 。此后 ,整车开发商的职责转换为协调各供应商 、设计审核和验证 以保证各子系统的综合性能达到各项设计指标 。供应商中标后根据产品的功能和性能要求负责所有硬件和软件设计 、开发工作 。在开发过程的各个阶 段 ,供应商配合整车开发商完成对各电子控制单元的设计审核 、样机测试和验证 。在开发过程的后期供应商 协助整车开发商完成子系统及整车的功能 、性能的测试及验收 。供应商所面临的难题是在成本目标的限定条件下开发出能满足所有性能要求的控制单元模件 。控制单 元模件的成本包括开发成本 (人工成本) 和制造成本 (元器件 、组装成本) 两个部分 。软件的开发成本较高 ,而 硬件的制造成本较高 。鉴于有很多的控制功能既可以用软件也可以用硬件来实现 。合理分配软件和硬件的 功能可以协调开发成本与制造成本的比例分配 。在招标结束后 ,整车开发商通常将控制单元模件的功能和 性能要求以文件 、图纸的方式移交给供应商 。这些功能 、性能要求往往都存在漏洞 。有些功能的描述也会比 较含糊 。如何正确地理解这些功能 、性能要求也是供应商面临的难点之一 。 2004 年 (第 26 卷) 第 3 期汽 车 工 程369 电子系统的开发与整车各个子系统的开发同步进行 。整车的开发周期一般介于 3648 个月之间 。电子系统的开发周期一般是 2436 个月 。整车的电气系统的结构设计一般在投产前 3036 个月前完成 。电 子系统的开发与整车各个子系统的开发应当在投产前 912 月前完成以确保有足够的时间进行整车性能测 试与调试 。3汽车电子产品开发的难点经过数十年的迅速发展 ,汽车电子产品日益完善 。为了满足日趋严格的排放标准 、逐渐提高的安全性能 要求以及用户对舒适性的要求 ,汽车电子产品的功能变得越来越多 ,控制单元模件也越来越复杂 。如今 ,汽 车电子控制系统已朝着集成化综合系统的方向发展 。例如 ,传统的发动机控制单元模件 、变速器控制单元模 件将组合成动力传动综合管理系统 。网络技术也日益广泛地应用于汽车上 。以 CAN 总线为基础的局部网 络现在已普遍应用于汽车电气系统 。更简单 、经济的局部连接网络以及数据传输速率更高的 Flex Ray 网络 也逐渐进入实用阶段 。在豪华型的轿车上已有多达 50 个控制单元通过网络相互连接 。控制系统之间的交 互作用变得越来越复杂 ,对整车控制系统的可靠性要求也越来越高 。汽车电子产品发展的另一个重要方向是机电一体化 。由电子系统控制机械系统的传统布局正在逐步向 机电合一的设计思路转变 。如变速器控制单元模件的电子元器件 、传感器以及电磁线圈可以完全嵌入变速 器内 。变速器仅需要提供电源 、网络信号接头与整车的电气系统相连 。传统的变速器控制单元模件已不再 存在 。这样的设计对电子元器件的抗震动 、耐高温提出极高的要求 。专用集成电路也逐渐将智能嵌入传统的分立式传感器 、执行器 。这种智能化传感器 、执行器可以直接与网络连接从而大幅度地改善系统组合的灵 活性 。例如采用这种智能化传感器 、执行器设计的车门控制系统可将原来的 20 几根连线接头减少到 4 根 。 与此同时 ,系统的可靠性大大提高 。今后智能化传感器 、执行器将越来越广泛地进入实用阶段 。随着市场对汽车性能的要求进一步提高 ,越来越复杂表 1发动机控制单元模件复杂性的变迁的控制算法应用于控制系统 。汽车电子控制系统的复杂程度体现在对计算能力的需求和对软件存储容量的需求上 。 以发动机控制单元模件为例 ,CPU 的主频从 20 世纪 80 年 代初的数 M Hz 发展到今天的 200M Hz 以上 ,内存容量也从 数十千字节 ( k Bytes) 增长到 6 兆字节 ( 6MBytes) 如表 1 。 控制系统的开发难点日益聚焦在开发高可靠性的控制软件 上 。由于控制软件的复杂程度迅速提高 ,其开发周期变得越来越长 ,开发成本迅速上升 。控制软件的开发形成了汽车电子控制系统开发的瓶颈 。为降低成本 ,各大汽车制造商逐步将部分控制软件的开发转移到低成本的国家和地区 。 汽车控制系统的软件及控制算法已使控制单元变成了高技术含量 、高附加值的汽车零部件 。据美国汽车工程杂志的估算 ,2003 年 ,汽车控制系统的软件附加值已占到整车价值的 5 % 。预计到 2010 年 ,这 一比例将达到 15 % 。控制系统的软件及独特的控制算法成为汽车制 造商严格保护的知识产权 ,成为了产品的卖点 。许多零部件供应商也 立足于某 项 核 心 技 术 开 发 出 具 有 垄 断 性 的 主 流 产 品 ( 如 安 全 气 囊 、 AB S 刹车系统) 。纵观汽车电子产品 ,控制算法及控制系统软件越复杂的产品 ,其附加值也就越高 ,如图 3 。文中将以发动机控制单元及车身控制单元为例来探讨汽车电子控制系统所涉及的内容 。4发动机控制单元图 3 汽车电子控制系统的开发难度与附加值的关系发动机的控制是最复杂的汽车电子控制系统 。由于发动机的控制系统涉及许多控制对象 ,发动机控制系统又被称为发动机综合管理系统 。其主要子系统包括 :发动机旋转角度解码 ,电子点火控制系统 ,爆燃控 制系统 ,燃油喷射控制系统 ,空燃比 (氧量 O2 ) 控制系统 ,油门旁通气流控制系统 ,废气再循环 ( E GR) 控制系统 ,转矩控制系统 ,启动电机 、空调 、冷却风扇 、发电机及电池充电控制系统 ,各种自诊断手段 。对现在广泛使用的汽油直接喷射发动机而言 ,电子点火控制 、燃油喷射控制和油门旁通气流的控制是发年代主频 ( M Hz)内存容量 ( k Bytes)19781982199019982000200425254056200 +326425651210006000370 汽 车 工 程2004 年 (第 26 卷) 第 3 期动机综合管理系统必不可少的 3 个核心系统 。发动机旋转角度解码是电子点火控制和燃油喷射控制的基础 。对于现代多缸四冲程发动机 ,当发动机 完成 1 个完整的周期 (每缸都完成 4 个行程) ,发动机的曲轴旋转了 2 周 。燃油的喷射只能在每缸的吸气和 压缩 2 个冲程中进行 。发动机的点火则只能在压缩冲程的后期进行 。发动机旋转角度解码就是根据曲轴传 感器和凸轮传感器的信号来判定每缸在发动机 1 个完整周期中的相对于其死点的角度位置 。发动机的点火角度主要由输出转矩的需求来确定 。一般来说 ,点火角度越靠近死点 (点火角度减小) ,所 产生的转矩就越大 。点火角度越远离死点 (点火角度增大) ,所产生的转矩就越小 。发动机的基准点火角度 由转速和进气室的负压来确定 。在此基础上 ,有多达 25 项的修正系数被用来调整发动机在不同工况下的点 火角度 。点火角度的修正系数主要包括 :转矩修正系数 、空调和冷却风扇负荷修正系数 、氧量前置反馈修正 系数 、怠速稳定修正系数等 。爆燃控制系统由爆燃测定与控制 2 部分组成 。由于燃油的热值及发动机其它工况的变化 ,在气缸点火后会出现共振现象 。爆燃对发动机的寿命有极大的危害 。当爆燃现象出现后 ,点火角度必须迅速增大以消 除爆燃现象 。爆燃现象的探测比较复杂 ,一般需要用特殊的算法来处理爆燃传感器的信号与发动机点火角 度的位置 。在发动机运转的过程中 ,每个气缸的燃油供应量由喷射阀开关时间的长短来控制 。每个气缸所需的燃 油供应量则由发动机的输出功率来确定 。在发动机启动的初始阶段 ,燃油应当准确地喷射到处于吸气和压缩两冲程的气缸内以便使发动机在第 1 次点火就能输出转矩 。这一过程需要在发动机开始旋转后的第 1 个180内完成 。否则 ,发动机的启动就会滞后而未充分燃烧的燃油将从尾气排出车外 。当发动机启动后 ,每个 气缸必须以最小的燃油供应量来满足发动机最大输出功率的要求 。燃油的基准供应量由空燃比 ,发动机冷 却液的温度以及燃油甲醇的含量来确定 。在此基础上 ,有多达 40 项的修正系数被用来调整发动机在各种不 同工况下的燃油供应量 。燃油供应量的修正系数主要包括 :转速修正系数 、大气压力修正系数 、大油门修正系数 、加速及减速修正系数 、废气再循环修正系数 、残氧修正系数 、汽油净化器修正系数等 。 传统的发动机油门是通过油门踏板的机械连杆来控制的 。当油门完全关闭时 ,与油门并行的旁通气流阀必须打开来维持发动机的运转 。由于油料的控制是按照一定的空燃比来配给 ,旁通气流阀的开启程度决 定了燃油供应量从而间接地调控发动机的输出功率 。旁通气流阀的控制目标就是间接调节发动机的输出功 率以补偿发动机空转时负荷的变化 (如空调 、冷却风扇 、发电机的启停) 。旁通气流的控制目标是使发动机稳定在最低空转速度而不致于熄火 。空燃比控制和废气再循环 ( E GR) 控制是闭路燃烧控制系统的重要一环 。废气再循环控制系统根据油料 的燃烧质量来调节回返阀的开启从而将未完全燃烧的尾气重新注入气缸 。废气再循环控制系统的核心是解 读 E GR 传感器的信号来判定燃烧质量 。闭路燃烧控制系统的上游是由空燃比控制 ,而下游则根据尾气中残 余氧量的浓度来调节燃油供应量和点火角度以达到完全燃烧的目的 。转矩控制系统通过调节点火角度和燃油供应量来补偿发动机各种工况下负荷的变化 (如汽车急剧加速 、 减速 、换挡等) 。例如在油门突然关闭时 ,由于发动机的输出功率急剧下降和车辆的惯性会导致车身抖动 。 在车身出现抖动之前 ,转矩控制系统迅速减小点火角度并在瞬间增大燃油供应量 。这样一来由于发动机的 输出功率变成平缓下降从而避免了车身抖动 。同样 ,在自动变速器换挡时 ,由于两挡之间的负荷需求不同也 会导致车身抖动 。为了避免车身抖动 ,当探测到换挡时 ,转矩控制系统可以在现行挡位脱离时迅速调整发动机的输出功率以适应新挡位的负荷需求 。转矩控制涉及到点火 、燃油喷射 、油门旁通气流以及变速器等控制 系统之间的协调 ,通常需要用到复杂的控制算法 。空调 、冷却风扇 、发电机及电池充电的控制是发动机负荷综合控制系统的重要组成部分 。空调 、冷却风 扇以及发电机的启停必须由转矩控制系统来综合协调 。由于这些装置对实时控制的要求相对较低 ,它们可 以尽量在不影响输出功率的情况下启动 。例如在电池电压较低的情况下 ,当油门突然关闭时启动发电机既可以对电池充电又可以协助车辆减速 。同样 ,当发动机对输出功率需求急剧增加时 ( 如油门突然增大) ,空 调 、冷却风扇以及发电机可以立即停下以减轻发动机的整体负荷 。在北美和欧洲市场 ,由于政府对汽车的安全要求及故障自诊断能力的要求日益提高 。汽车电子控制单 2004 年 (第 26 卷) 第 3 期汽 车 工 程371 元模件必须能够自我诊断每个传感器 、执行机构可能出现的各种故障 。当故障情况出现后必须及时警告驾驶员并将故障原因记录在案以便服务中心能够及时排除故障 。由于可能出现的故障的种类繁多 ,控制单元 模件中加入了大量的控制算法及软件来实现这些自诊断功能 。以发动机控制单元模件为例 ,大约有 1/ 3 的 软件是用于故障的自我诊断 。5 车体系统控制单元车体控制单元模件为乘员提供方便与舒适的功能 。一般包括 : 电动车窗 、后视镜 、遥控门锁 、电动座椅 、 车内气候控制以及灯光控制等 。近年来 ,在一些豪华型轿车上又增加了发动机遥控启动 、转向盘位置调节 、 制动及油门踏板位置调节等功能 。车体控制单元模件所提供这些功能通常是用于促销的卖点 。车体控制单元根据乘员的指令来执行其控制功能 。车体控制单元模件的人机接口装置包括触点式开 关 、温度信号 、位置信号以及无线电信号等 。控制对象主要是继电器 、电磁线圈 、伺服电机 、微型电机等 。车 体控制单元模件一般安装在驾驶室内 ,通常没有严格的高温和防振要求 。相对于发动机控制系统而言 ,车体控制系统的控制方案和算法比较简单 。控制方案主要考虑的是乘员 的舒适性 、控制方案的合理性和电路负荷的分配 。例如在一些豪华型轿车上的个人化配置功能 ,乘员可用手 动开关将座椅后视镜 、转向盘 、制动及油门踏板调整到最佳位置 ,然后储存起来 。每个乘员可以根据自己的 喜好设置不同的位置 。当乘员调换后 ,只需要按一个按钮 ,座椅 、后视镜等可以马上恢复到原来设定的最佳 位置 。在这个过程中 ,多个电机必须同时运转以缩短恢复位置的时间 。为了避免电路的负荷峰值重叠 ,这些电机的启停必须遵照一定的顺序 。在座椅位置调整过程中还应该避免给乘员忽上忽下的感觉 。车体控制单 元控制方案的另一个主要考虑是执行机构的过载保护 。由于不同的电机有不同的热力特征 ,在连续驱动电 机时应采用不同的启停控制方案以避免电机过热 。6 汽车电子产品开发所需技术专长开发汽车电子产品所需要的技术专长可以概括为 3 个领域 :汽车特定领域 、电子硬件系统设计和软件系 统开发的专长 。汽车特定领域的专长包括对汽车各个机械系统 、发动机热力系统 、变速器流体及液压传动系统 、制动系统及车体动态特性 、车体碰撞及变形 、安全气囊充气动态特性的知识 。对这些系统特性的认知便是制定控制 系统的控制方案及算法的依据 。这种专长不仅仅来自于理论 ,更主要是来自于长年实践经验的积累 。以发 动机为例 ,发动机的设计本身就跨越多个学科 。当发动机的样机造出来后往往需要在试验台上完成几百甚至上千小时的试验来测定发动机的各项控制特性 。测试方案的设计就是基于理论和经验的积累 。当获得大 量的实验数据后 ,经过分析整理提取出能代表发动机可控性的实验数据 (如在特定的温度和压力下增大或减 小点火角度对转速的影响) 。发动机怠速的点火角度修正系数便可以根据这些可控特性数据来确定 。当控 制方案确定后 ,还必须回到试验台上的发动机反复调整 、修正 。在控制方案最终确定之前 ,还必须在实验样 车上反复验证 、调试 。每一个控制方案都得经过这样的成熟过程才能最终用在成品车上 。汽车电子控制系统一般由传感器 、微处理器和执行机构 3 个部分组成 。传感器的输出信号与所探测的 物理变量之间通常是非线性关系 (如氧量 、E GR 传感器) 。控制单元的预处理电路及软件都必须根据这种非 线性关系来设计 。同样 ,执行机构的驱动软件及电路的设计也必须符合其控制特征 。另外 ,控制单元的设计 还必须考虑散热 、抗振 、防振 、抗电磁干扰等 。一个优良的硬件设计同样必须依靠理论和实践经验的积累 。 由于控制单元的设计涉及乘员的安全 ,硬件设计的每一个环节都必须经过故障失灵模式分析来确定故障的影响 。如前所述 ,汽车电子的控制软件是一个复杂的系统 。软件的开发包括 : 设计要求的收集 、软件系统的结 构设计 、源程序编写 、软件单元测试及综合测试等步骤 。软件的故障通常是由于设计漏洞造成的 。软件系统 的开发过程是一个严谨的系统工程 。软件的设计不仅要满足性能指标的要求而且还要使软件的故障概率降 到最低 。制定并严格遵循一个严谨的开发程序本身就是一个难题 。如今在软件业内普遍推行的软件开发成熟度 ( Capabilit y Mat urit y Mo del CMM) 认证制度就是审核一个软件开发机构是否具备 、能否遵循开发程序 的标准 。CMM 所认定成熟度 (15 级) 也是衡量软件开发能力的一个重要标准 。在美国和欧洲 ,越来越多 的汽车制造商要求其供应商必须具备 CMM3 级以上的认证才具备参加投标的资格 。372 汽 车 工 程2004 年 (第 26 卷) 第 3 期7 中国汽车电子产品供应商的发展策略中国汽车工业的高速发展为汽车电子产品造就了一个巨大的内需市场 。与此同时 ,国外的汽车制造商 迫于降低成本的压力也在积极寻找低成本的供应商 。国内外的市场需求为中国的汽车电子产品制造商提供 了一个千载难逢的商机 。中国的汽车电子产品制造商应该立足于国内市场同时瞄准国际市场 。目前的国内轿车市场仍然是以中外合资企业的产品为主 ,国内自主开发的产品为辅 。合资的汽车制造商绝大部分延用其外方伙伴原配套供应商的电子产品 。许多国内自主开发的轿车产品也采用