汽车电子与电气现代设计第1章

1、第一章 1.1 汽车电子技术发展概述汽车电子技术发展概述 1.2 汽车电气技术概述汽车电气技术概述 1.3 电动汽车技术发展概述电动汽车技术发展概述 1.4 汽车电子与电气设计的目的和方法汽车电子与电气设计的目的和方法第一章1.1.1 汽车电子发展概况 汽车电子技术主要包括汽车电子技术主要包括硬件硬件和和软件软件方面的内容：硬件包括微机及方面的内容：硬件包括微机及其接口、执行部件、传感器等；软件主要是以汇编语言及其他高级语其接口、执行部件、传感器等；软件主要是以汇编语言及其他高级语言编制的各种数据采集、计算判断、报警、程控、优化控制、监控、言编制的各种数据采集、计算判断、报警、程控、优化控制、

2、监控、自诊断系统等程序。自诊断系统等程序。 汽车电子技术的发展及其大规模的应用是从汽车电子技术的发展及其大规模的应用是从2020世纪世纪7070年代末开始年代末开始的，大致经历了四个发展阶段：的，大致经历了四个发展阶段： 第一个阶段第一个阶段为为19711971年以前，开始生产技术起点较低的交流发电机、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。电子点火装置和数字钟等。1.1 1.1 汽车电子技术发展概述汽车电子技术发展概述第一章1.1.1 汽车电子发展

3、概况 第二个阶段第二个阶段为为1974198219741982年，以集成电路和年，以集成电路和1616位以下的微处理器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（保证进、排气时间的准确）、辆导向、撞车预警传感器、电子正时（保证进、排气时间的准确）、电子变速器电子变速器、闭环排气控制、闭环排气控制、自动巡航控制自动巡航控制、防盗系统、实车故障诊、防盗系统

4、、实车故障诊断等电子产品。这期间最具代表性的是断等电子产品。这期间最具代表性的是电子汽油喷射技术电子汽油喷射技术的发展和的发展和防防抱死抱死(ABS)(ABS)技术技术的成熟，的成熟，实现了由电子技术来控制汽车主要机械的功实现了由电子技术来控制汽车主要机械的功能。能。1.1 1.1 汽车电子技术发展概述汽车电子技术发展概述 过去的自动变速器皆为液压式，传动效率较低。过去的自动变速器皆为液压式，传动效率较低。随着电子技术的日益推广，逐渐发展到电子自动变随着电子技术的日益推广，逐渐发展到电子自动变速。本田公司研制了一种电子控制全自动变速器。速。本田公司研制了一种电子控制全自动变速器。这种结构是根据

5、油门踏板踏下速度进行控制，当油这种结构是根据油门踏板踏下速度进行控制，当油门踏得快时，即产生较大变扭比，当油门踏板踏得门踏得快时，即产生较大变扭比，当油门踏板踏得比较柔和，即平稳加速。比较柔和，即平稳加速。 汽车自动巡航是指汽车以一定的速度匀速行驶，故汽车汽车自动巡航是指汽车以一定的速度匀速行驶，故汽车巡航控制系统又称为恒速控制系统。巡航控制系统又称为恒速控制系统。第一章1.1.1 汽车电子发展概况 笫三个阶段笫三个阶段为为1982199019821990年，微处理器在汽车上的应用日趋可靠年，微处理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、和成熟并向智能化方向发

6、展。开发的产品有牵引力控制、全轮转向控全轮转向控制制、直视仪表板（、直视仪表板（HUDHUD）、声音合成与识别器、电子负荷调节器、电）、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、高速限制器、测、高速限制器、自动后视镜系统自动后视镜系统、道路状况指示器、电子冷却控制、道路状况指示器、电子冷却控制和寄生功率控制等。和寄生功率控制等。 从从20052005年开始，可以说进入了汽车电子技术的第四个发展阶段。年开始，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、微波系

7、统、多路传输系统、ASKS-32ASKS-32位微处理器、数字信号处理方式位微处理器、数字信号处理方式的应用，自动防撞系统、动力优化系统、自动驾驶与电子地图技术得的应用，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，特別是汽车智能化技术水平有了较大的提高。到发展，特別是汽车智能化技术水平有了较大的提高。1.1 1.1 汽车电子技术发展概述汽车电子技术发展概述全轮转向技术是通过电控执行器可独立控制后轮前束角度（左右轮转向角）的变化，以确保车辆在山路、连续弯道、蛇行等任何行驶状态下拥有出色的循迹性，实现更好的转向操控性及转向精准性。第一章1.1.2 汽车电子控制理论发展概况1.1 1

8、.1 汽车电子技术发展概述汽车电子技术发展概述 利用自动控制理论而建立的利用自动控制理论而建立的开环、闭环，最优、自适应控制等开环、闭环，最优、自适应控制等系统，在汽车控制中都有采用。目系统，在汽车控制中都有采用。目前应用较成熟的另一种方法为前应用较成熟的另一种方法为“比比例例积分积分微分微分”控制算法。模糊控制算法。模糊控制等算法在汽车中也会有所应用。控制等算法在汽车中也会有所应用。第一章1.1.3 汽车电子技术的应用1.1 1.1 汽车电子技术发展概述汽车电子技术发展概述 1. 发动机电子控制喷油系统2. 电子点火系统3. 智能可变气门正时系统4. 电控自动变速器5. 防抱死制动系统6.

9、电子转向助力系统7. 自适应悬挂系统8. 定速巡航自动控制系统第一章1.1.4 汽车电子技术发展方向1.1 1.1 汽车电子技术发展概述汽车电子技术发展概述 1. 重视安全、环保和节能2. 传感器性能不断提高、数量不断增加3. 车用微处理器不断升级换代4. 汽车电气系统不断升压5. 数据总线技术应用日益普及6. 智能汽车及智能交通系统（ITS)开始应用7. 车用嵌入式软件和硬件平台逐步替代传统设计开发模式8. 新技术在汽车电子产品中不断得到应用 光纤在汽车信号传输中的应用，新的控制理论和方法的大量应用，车联网技术等，都是汽车电子技术的发展趋势。第一章1.2.1 汽车电气系统基本构成1.2 1.

10、2 汽车电气技术概述汽车电气技术概述 1. 电源系统2. 起动系统3. 点火系统4. 照明系统5. 信号系统6. 仪表系统7. 辅助电器系统第一章1.2.2 汽车电气系统的特点(1)(1)低压。低压。现代汽车电气系统普遍采用现代汽车电气系统普遍采用12V12V电压，只有部分大电压，只有部分大型柴油车的起动系统采用型柴油车的起动系统采用24V24V电压。未来汽车电源的电压标电压。未来汽车电源的电压标准将提高到准将提高到42V42V，以便能提供更大的极限功率、减少线束和，以便能提供更大的极限功率、减少线束和提高信号传送的质量。提高信号传送的质量。(2)(2)直流。直流。主要从蓄电池的充电来考虑。主

11、要从蓄电池的充电来考虑。(3)(3)单线制。单线制。单线制即从电源到用电设备使用一根导线连接，单线制即从电源到用电设备使用一根导线连接，而另一根导线则用汽车车体或发动机机体的金属部分代替。而另一根导线则用汽车车体或发动机机体的金属部分代替。(4)(4)负极搭铁。负极搭铁。将蓄电池的负极与车体相连接，称为负极搭将蓄电池的负极与车体相连接，称为负极搭铁。铁。1.2 1.2 汽车电气技术概述汽车电气技术概述第一章1.2.3 汽车电气技术发展现状1.1.电源系统电源系统1)1)蓄电池蓄电池 目前汽车上使用的多为改进型铅酸蓄电池。国内外正在研发的碱目前汽车上使用的多为改进型铅酸蓄电池。国内外正在研发的碱

12、性蓄电池，如镍氢蓄电池、锂离子蓄电池、锌氢气蓄电池、铁镍蓄电性蓄电池，如镍氢蓄电池、锂离子蓄电池、锌氢气蓄电池、铁镍蓄电池、铁空气蓄电池等，由于内阻较大，不适合作为起动用蓄电池，只池、铁空气蓄电池等，由于内阻较大，不适合作为起动用蓄电池，只在电动汽车上使用。在电动汽车上使用。2)2)发电机及调节器发电机及调节器 目前汽车上使用的硅整流交流发电机有多种结构形式。有普通励目前汽车上使用的硅整流交流发电机有多种结构形式。有普通励磁式、无刷励磁式和永磁式等几种。配用的调节器有触点式和电子式磁式、无刷励磁式和永磁式等几种。配用的调节器有触点式和电子式两大类，电子式调节器甚本上都采用集成电路。两大类，电子

13、式调节器甚本上都采用集成电路。1.2 1.2 汽车电气技术概述汽车电气技术概述第一章1.2.3 汽车电气技术发展现状2.2.点火系统点火系统电子点火系统已占有较大比例，传统点火系统正逐渐被淘汰。电子点电子点火系统已占有较大比例，传统点火系统正逐渐被淘汰。电子点火系统以磁感式和霍耳式为主，光电式也有应用。火系统以磁感式和霍耳式为主，光电式也有应用。 3.3.照明与信号系统照明与信号系统除了前照灯采用碘钨灯，其它都采用除了前照灯采用碘钨灯，其它都采用LEDLED高亮度发光二极管。高亮度发光二极管。 4. 4. 仪表系统仪表系统1)1)仪表系统仪表系统现代汽车广泛采用组合式仪表。目前先进的汽车仪表板

14、为简洁明了的现代汽车广泛采用组合式仪表。目前先进的汽车仪表板为简洁明了的模拟式仪表和模拟式数字仪表板。模拟式仪表和模拟式数字仪表板。2)2)指示灯系统指示灯系统在现代汽车上，有多种指示灯及蜂鸣器，主要用来指示汽车一些参数在现代汽车上，有多种指示灯及蜂鸣器，主要用来指示汽车一些参数的极限工况，并在故障情况下报警。的极限工况，并在故障情况下报警。1.2 1.2 汽车电气技术概述汽车电气技术概述第一章1.2.4 汽车电气新技术与发展方向1.42V1.42V汽车电气技术汽车电气技术 与与12V12V电源相比，电源相比，42V42V电源技术使整车性能、发动机、照电源技术使整车性能、发动机、照明系统、电力

15、驱动等方面具有较强的优势。明系统、电力驱动等方面具有较强的优势。2.2.超级电容超级电容+ +蓄电池复合起动系统蓄电池复合起动系统 汽车发动机起动需要大的起动电流，超级电容容量大、汽车发动机起动需要大的起动电流，超级电容容量大、寿命长，可以大电流快速充放电，利用超级电容作为起动源，寿命长，可以大电流快速充放电，利用超级电容作为起动源，可以进行大电流放电，进而改善起动性能。且超级电容在低可以进行大电流放电，进而改善起动性能。且超级电容在低温下的良好工作特性，可以有效改善汽车在低温时的起动状温下的良好工作特性，可以有效改善汽车在低温时的起动状况。况。1.2 1.2 汽车电气技术概述汽车电气技术概述

16、第一章1.2.4 汽车电气新技术与发展方向3.3.起动起动/ /发电一体化技术发电一体化技术 汽车集成起动汽车集成起动/ /发电（发电（ISG)ISG)技术用一台电机实现起动与技术用一台电机实现起动与发电双功能，将发电机发电双功能，将发电机/ /起动机电机复合为一个统一的起动起动机电机复合为一个统一的起动和发电复用装置，可省去专门起动用的电机。和发电复用装置，可省去专门起动用的电机。ISGISG技术是提技术是提高新一代汽车电气系统性能的关键技术之一，应用前景广阔。高新一代汽车电气系统性能的关键技术之一，应用前景广阔。4.4.激光点火技术激光点火技术 激光诱导火花点火方式是入射的激光束在混合气中

17、聚焦激光诱导火花点火方式是入射的激光束在混合气中聚焦于一点，照射到混合气体上于一点，照射到混合气体上, ,从而使气体击穿，诱导混合气从而使气体击穿，诱导混合气的燃烧，达到点火的目的。的燃烧，达到点火的目的。1.2 1.2 汽车电气技术概述汽车电气技术概述第一章1.2.4 汽车电气新技术与发展方向5.5.总线技术总线技术1) CAN1) CAN总线技术（德国博世公司推出）总线技术（德国博世公司推出）2) FlexRay2) FlexRay总线技术总线技术6.6.汽车照明系统智能化技术汽车照明系统智能化技术 目前，汽车照明系统高强度气体放电灯（目前，汽车照明系统高强度气体放电灯（HID)HID)和

18、和LEDLED光光源得到了更广泛的应用，而且汽车照明系统也日益智能化，源得到了更广泛的应用，而且汽车照明系统也日益智能化，先进的前灯、可变亮度的尾灯和更人性化的内部照明系统是先进的前灯、可变亮度的尾灯和更人性化的内部照明系统是全新的汽车照明技术。全新的汽车照明技术。1.2 1.2 汽车电气技术概述汽车电气技术概述第一章第一章1.3.1电动汽车发展背景 电动汽车具有突出的环保方面的优势，它在城市交通中可实现零电动汽车具有突出的环保方面的优势，它在城市交通中可实现零排放或极低排放。排放或极低排放。 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶。与传统电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮

19、行驶。与传统内燃机作为动力源的汽车相比，电动汽车具有如下优点：内燃机作为动力源的汽车相比，电动汽车具有如下优点：1 1道路无污染、噪声低道路无污染、噪声低2 2能源效率高、能源多样化能源效率高、能源多样化 3 3结构简单、使用维修方便结构简单、使用维修方便 1.31.3电动汽车技术发展概述电动汽车技术发展概述 电动汽车无内燃机汽车工作时产电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的。保护和空气的洁净是十分有益的。 电动汽车的研究表明，其能源效率已超过电动汽车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车。特别是在城市运行时，汽

20、车走走汽油机汽车。特别是在城市运行时，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。 电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作量小。当采用交流传动部件少，维修保养工作量小。当采用交流感应电动机时，电机无需保养维护，更重要的感应电动机时，电机无需保养维护，更重要的是电动汽车易操纵。是电动汽车易操纵。 第一章1.3.2 电动汽车的基本结构和关键技术1.31.3电动汽车技术发展概述电动汽车技术发展概述1电动汽车的基本结构 电动汽车主要以电池为能量源，全部或部分由电机驱动的汽车。目前，可将电动汽车划分为三类：

21、纯电动汽车（EV）、混合动力电动汽车（HEV）和燃料电池电动汽车（FCEV）。 1）纯电动汽车的基本结构 纯电动汽车按结构主要分为动力系统和辅助系统，动力系统又分为驱动系统和电源系统。电力驱动系统相当于将传统汽车中的发动机与其他功能装置以机电一体化的方式相结合。电力驱动系统的组成和工作原理如图1-1所示。第一章 2 2）混合动力电动汽车的基本结构）混合动力电动汽车的基本结构 混合动力电动汽车的实质是利用电力传动补偿内燃机驱动的固有混合动力电动汽车的实质是利用电力传动补偿内燃机驱动的固有弱点。混合动力电动汽车按动力系统结构划分为弱点。混合动力电动汽车按动力系统结构划分为串联串联、并联并联和和混联

22、混联三三种形式。种形式。 3 3）燃料电池电动汽车的结构）燃料电池电动汽车的结构 燃料电池电动汽车的结构可有多种形式：按照汽车是否带有储能燃料电池电动汽车的结构可有多种形式：按照汽车是否带有储能设备，可分为设备，可分为纯燃料电池汽车纯燃料电池汽车和和混合式燃料电池汽车混合式燃料电池汽车两种形式。两种形式。 纯燃料电池纯燃料电池只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池来承担。燃料电池来承担。 现在较多采用现在较多采用混合驱动混合驱动的结构形式，即以燃料电池系统作为主动的结构形式，即以燃料电池系统作为主动力源，又增加了蓄电池组或超级电容作

23、为辅助动力源。力源，又增加了蓄电池组或超级电容作为辅助动力源。1.31.3电动汽车技术发展概述电动汽车技术发展概述1.3.2 电动汽车的基本结构和关键技术 串联式混合动力电动汽车（串联式混合动力电动汽车（SHEVSHEV）的主要特征是）的主要特征是车辆的驱动力只来源于电动机。发动机、发电机和驱车辆的驱动力只来源于电动机。发动机、发电机和驱动电动机动电动机以串联的方式组成，发动机不直接参与以串联的方式组成，发动机不直接参与驱动，它与发电机组合成只作为电能供应的系统。驱动，它与发电机组合成只作为电能供应的系统。并联式混合动力电动汽车（并联式混合动力电动汽车（PHEVPHEV）的驱动力可由发动机及电

24、）的驱动力可由发动机及电动机同时或单独供给。发动机和电动机动机同时或单独供给。发动机和电动机以并联的方式组以并联的方式组成，在小负荷时单独使用其中之一作为动力源，而需要大功成，在小负荷时单独使用其中之一作为动力源，而需要大功率时则同时使用电动机和发动机作为动力源驱动汽车行驶。率时则同时使用电动机和发动机作为动力源驱动汽车行驶。 混联式混合动力电动汽车（混联式混合动力电动汽车（CHEVCHEV）则直接把串联）则直接把串联和并联相结合，它既可以在串联混合模式下工作，也可和并联相结合，它既可以在串联混合模式下工作，也可以在并联混合模式下工作。图以在并联混合模式下工作。图1-21-2所示为混联式电动汽

25、所示为混联式电动汽车的基本组成。车的基本组成。 其主要缺点有：燃料电池的功率大，成其主要缺点有：燃料电池的功率大，成本较高；对燃料电池系统的动态性能和可靠本较高；对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了比较高的要求；在减速或下坡时不性提出了比较高的要求；在减速或下坡时不能进行制动能量回收。能进行制动能量回收。 混合驱动的电动汽车主要由燃料电池混合驱动的电动汽车主要由燃料电池系统、系统、DC/DCDC/DC转换器、辅助动力源、驱动转换器、辅助动力源、驱动电机、各相应的控制器，以及机械传动和电机、各相应的控制器，以及机械传动和车辆行驶机构组成。如图车辆行驶机构组成。如图1-31-3。第一章2 2电动

26、汽车关键技术电动汽车关键技术 电动汽车的关键技术有：电动汽车的关键技术有：动力蓄电池和管理系统动力蓄电池和管理系统，电机和电子控电机和电子控制技术制技术。 动力电池和管理系统是电动汽车的关键技术，决定了电动汽车的动力电池和管理系统是电动汽车的关键技术，决定了电动汽车的续航里程和成本。续航里程和成本。 电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构，驱电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构，驱动电机及其控制系统是新能源汽车的核心部件（电池、电机、电控）动电机及其控制系统是新能源汽车的核心部件（电池、电机、电控）之一，是电动汽车的重要部件，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性之一，

27、是电动汽车的重要部件，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标。能指标。 电动汽车的驱动电机目前有直流有刷、无刷，永磁、电磁之分，电动汽车的驱动电机目前有直流有刷、无刷，永磁、电磁之分，它们的选用也与整车配置、用途、档次有关。它们的选用也与整车配置、用途、档次有关。 1.31.3电动汽车技术发展概述电动汽车技术发展概述1.3.2 电动汽车的基本结构和关键技术第一章1.31.3电动汽车技术发展概述电动汽车技术发展概述1.3.3 国内外电动汽车技术发展概况 电动汽车用电池管理系统（电动汽车用电池管理系统（BMSBMS）通常包含）通常包含以下功能组成部分：数据采集、剩余容量（以下功能组成部分：数据采集、剩余容量（SOCSOC）的估算、电气控制（充放电控制、均衡充电等）、的估算、