电子化汽车：48个单片微型计算机、50%以上成本

1.电子化汽车

汽车电子化是用来开发新车型、改进汽车性能最重要的技术措施，被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，汽车电子化的程度被看作衡量现代汽车水平的重要标志。

据统计，从2025年至2025年，平均每辆车上的电子装置在整个汽车制造成本中所占的比例由16%增至23%以上。一些豪华轿车上，使用单片微型计算机的数量已经达到48个，电子产品占到整车成本的50%以上。目前电子技术的应用几乎已经深入到汽车所有的系统。图3－72为新型电子装置在汽车上的分布示意图。

图3－72　新型电子装置在汽车上的分布示意图

按照对汽车行驶性能作用的影响划分，可以把汽车电子产品归纳为两类：一类是汽车电子控制装置。汽车电子控制装置要和车上机械系统进行配合使用，即所谓机电结合的汽车电子装置；它们包括发动机、底盘、车身电子控制，例如电子燃油喷射系统、防抱死制动控制、防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、电子控制自动变速器、电子动力转向等。另一类是车载汽车电子装置。车载汽车电子装置是在汽车环境下能够独立使用的电子装置，它和汽车本身的性能并无直接关系；它们包括汽车信息系统（行车电脑）、导航系统、汽车音响及电视娱乐系统、车载通信系统、上网设备等。

（1）电子技术在发动机上的应用

①电子控制喷油装置。

在现代汽车上，电子喷油装置可以自动地保证发动机始终工作在最佳状态，使其在输出一定功率的条件下最大限度地节油和净化空气。经过实验并修正得到发动机最佳工况时的供油控制规律，事先把这些客观规律编成程序存在微机的存储器中；当发动机工作时，根据各传感器测得的空气流量、进气温度、发动机转速及工作温度等参数，按预先编好的运算程序进行运算，然后和内存中的最佳工况参数进行比较和判断再调整供油量。同时，通过对排气管中氧浓度的检测，将数据适时反馈给电脑，及时调整发动机的工作状况，使发动机一直在最优工作条件下运行，从而使发动机的综合性能得到提高。图3－73为电控燃油喷射系统组成。

图3－73　电控燃油喷射系统组成

②电子点火装置（ESA）。

电子点火装置由微机、传感器及其接口、执行机构等几部分构成。该装置可根据传感器送来的发动机各种参数进行运算、判断，然后进行点火时刻的调节，这样可以节约燃料，减少空气污染。

③废气再循环系统（EGR）。

NOx是空气中的氮气与氧气在高温、高压条件下形成的，发动机排出的NOx量主要与气缸内的最高温度有关，气缸内最高温度越高，排出的NOx量越多。

废气再循环系统的作用是将适量的废气引入气缸内进行燃烧，从而降低气缸内的最高温度，以减少NOx的排放量。为了保证发动机正常工作和性能不受过多的影响，必须根据发动机工况的变化，控制废气再循环量。

④计算机精确控制的气缸内直接喷射发动机（FSI）。

传统汽油发动机在进气阀前喷射燃油，而气缸内直接喷射发动机则对着气缸盖内侧直接喷射。后者以高喷射压力（比传统发动机高出20倍）往压缩空气中喷射燃油，将其化成细小的微粒，并在活塞盖表面的凹处集中这些微粒进行点火，从而以较少的燃油实现高效的燃烧。

直喷汽油发动机的空气燃油比为40∶1～50∶1，这种超稀薄燃烧在不改变燃油供给量的情况下，通过减小进气阻力从而优化燃油经济性。如博世公司开发了MotronicMED7汽油直喷系统，奥迪公司开发了FSI系统，奔驰开发了CGI系统，菲亚特开发了JTS系统，虽然名字不同，但它们都代表了汽油缸内直喷。后来，在FSI的基础上，又出现了带有涡轮增压器和机械增压器的直喷发动机（TSI）。德国大众公司首先在自己的超级跑车R8上采用这种技术，取得了不俗的成绩，目前，大众的多款车型都采用这种技术的发动机。

⑤可变气门正时发动机（VVT）。

可变气门正时发动机是可随着发动机负荷、转速等行驶条件的变化，适当调节气门开闭的时间，使之保持最佳气门正时位置的系统。本田公司这套系统称为i－VTEC。

电脑ECU根据发动机转速、负荷等参数变化来控制VTEC机构工作，改变驱动同一气缸两进气门工作的凸轮，以调整进气门的配气相位及升程，并实现单进气门工作和双进气门工作的切换。

⑥发动机启停系统（Start－Stop）。

启停系统不仅缩短了发动机起动时间，还可以在车辆停止时关闭发动机，并在车辆起动前感应到离合器和换挡杆的操作，自动起动发动机。例如马自达的智能怠速启停止系统（i－stop）。

开启中控台上的ECON键，也就是进入经济模式，当遇到红灯停车后，驾驶员在松开离合器、制动以及油门踏板时，发动机会自动熄火，停止怠速下产生的排放。而当驾驶员重新下达指令后，发动机则会立刻重新进入工作状态。启停系统在降低油耗方面具有显著效果。

除此之外，在发动机部分利用电子技术的内容还有怠速控制（ISC）、电动油泵、发电机输出、冷却风扇、二次空气喷射、发动机增压、油气蒸发及系统自我诊断功能等，它们在不同的车型上都或多或少地被应用。

⑦柴油共轨式燃油喷射系统。

所谓共轨指的是储存高压燃油的管状“房间”。它可以平均地向各个喷油器提供高喷射压力。传统的分配型喷射系统在怠速状态下喷射压力降低，会引起PM增多、油耗增加等问题；但是共轨喷射系统可以通过电控精确控制喷射压力、喷射时间和喷射量，从而在确保输出功率的同时，达到优化燃油经济性并减少NOx排放的目的。图3－74为汽车柴油共轨式燃油喷射系统原理图。

图3－74　汽车共轨式燃油喷射系统原理图

（2）电子技术在汽车底盘上的应用

①电控自动变速器（ECAT）。

ECAT可以根据发动机的载荷、转速、车速、制动器工作状态及驾驶员所控制的各种参数，经过计算机的计算、判断后自动地改变变速器的挡位，从而实现变速器换挡的最佳控制，即可得到最佳挡位和最佳换挡时间。它的优点是操作方便、换挡平顺，能准确地反映行驶负荷和道路条件等。传动系统的电子控制装置，能自动适应瞬时工况变化，保持发动机以尽可能低的转速工作。电子换挡装置是利用电子装置取代机械换挡杆及其与变速机构间的连接，并通过电磁阀及液压伺服阀来执行，它不仅能明显地简化汽车操纵，而且能实现最佳的行驶动力性和安全性。图3－75为电控自动变速器基本原理示意图。

图3－75　电控自动变速器基本原理示意图

②无级变速器（CVT）。

把发动机所产生的动力有效地转换成驱动力传递给车轮是变速器的工作。

无级变速器是根据行驶状态进行无级变速的自动变速器。由于实现了无级化，变速平稳、传动损失少，有利于提高燃油经济性。(https://www.daowen.com)

目前的CVT通常由可调节凹槽宽度的两个带轮以及套在两个带轮上的压缩性钢带组成。它通过调节带轮凹槽的宽幅，使带轮和钢带接触的有效半径不断变化，从而实现无级变速。图3－76为CVT结构。

图3－76　CVT结构

③防抱死制动系统（ABS）。

该系统是一种开发时间最长、推广应用最为迅速的重要的安全性部件。它通过控制防止汽车制动时车轮的抱死来保证车轮与地面达到最佳滑动率（15%～20%），从而使汽车在各种路面上制动时，车轮与地面都能达到纵向的峰值附着系数和较大的侧向附着系数，以保证车辆制动时不发生抱死拖滑、失去转向能力等不安全的工况，提高汽车的操纵稳定性和安全性，减小制动距离。

④驱动防滑系统（ASR）。

驱动防滑系统也叫作牵引力控制系统（TCS或TRC），是ABS的完善和补充。它可以防止起动和加速时驱动轮打滑，既有助于提高汽车加速时的牵引性能，又能改善其操作稳定性。

行驶在易滑的路面上，没有ASR的汽车加速时驱动轮容易打滑，如果是后驱动的车辆容易甩尾，如果是前驱动的车辆则容易方向失控；有ASR时，汽车在加速时就不会有或能够减轻这种现象。在转弯时，如果发生驱动轮打滑，整个车辆就会向一侧偏移，ASR则会使车辆沿着正确的路线转向。

此系统在大众车上叫ASR，宝马车上叫DTC，日系车上叫TRC（还有的叫TRAC），凯迪拉克车上叫TCS。

⑤电子制动力分配系统（EBD）。

EBD自动调节前、后轴的制动力分配比例，提高制动效能（在一定程度上可以缩短制动距离），并配合ABS提高制动稳定性。汽车制动时，如果四只轮胎附着地面的条件不同，比如左侧轮附着在湿滑路面，而右侧轮附着于干燥路面，那么四个轮子与地面的摩擦力不同，在制动时（四个轮子的制动力相同）容易产生打滑、倾斜和侧翻等现象。EBD实际上是ABS的辅助功能，它可以改善提高ABS的功效。

⑥车身电子稳定系统（ESP）。

ESP包含ABS及ASR，是这两种系统在功能上的延伸。有ESP与只有ABS及ASR的汽车，它们之间的差别在于ABS及ASR只能被动地作出反应，而ESP则能够探测和分析车况并纠正驾驶的错误，防患于未然。ESP的核心部件就是电脑，电脑能将传感器采集到的数据进行计算，算出车身状态，然后跟存储器里面预先设定的数据进行比对。当电脑计算数据超出存储器预存的数值时，即车身临近失控或者已经失控的时候，则命令四个车轮的刹车系统工作，在驾驶员没踩刹车的时候替驾驶员向某个车轮的制动油管加压，好让这个车轮产生制动力。ESP还能控制发动机的动力输出扭矩、转速，以保证车身行驶状态能够尽量满足驾驶员的意图。

ESP是2025年由博世公司研制成功的，各厂家也纷纷效仿推出自己的车身稳定系统，例如丰田的VSC、本田的VSA、日产的VDC、宝马的DSC，其原理和作用与ESP都是相同的。

⑦制动辅助系统（BAS）。

在紧急情况下有90%的驾驶员踩刹车时缺乏果断，制动辅助系统正是针对这一情况而设计的。它可以从驾驶员踩制动踏板的速度中探测到车辆行驶中遇到的情况，当驾驶员在紧急情况下迅速踩制动踏板，但踩踏力又不足时，此系统便会协助，并在不到1 s的时间内把制动力增至最大，缩短在紧急制动情况下的刹车距离。

⑧陡坡缓降系统（HDC）。

陡坡缓降系统最早是由路虎公司发明的，之后被多家汽车公司完善并装配在自己的汽车上，主要是装配在越野车上。

陡坡缓降系统的工作原理其实很简单：越野车在通过很多路况复杂的下坡道路时，驾驶员必须谨慎地同时控制油门、刹车以及方向盘，这对于没有丰富越野经验的驾驶员来说是很难做到的；而陡坡缓降系统在开启后，不用驾驶员控制油门和刹车，车辆会自动以6～8km·h－1的速度前进，驾驶员只需控制好方向盘即可。陡坡缓降系统现在一般只配置在高档越野车上，比如路虎的揽胜、奔驰的GL、奥迪的Q7、丰田的兰德酷路泽等。

⑨坡道起车控制系统（HAC）。

此系统可以帮助驾驶员提高在坡路驾驶时的安全操作性。霍尔效应式车速传感器既可以感知车速又可以感知转子的旋转方向，并且灵敏度很高（0km/h即可感知）。当挡位位于前进挡，而车轮产生后退趋势时（上坡时驱动力不足），此系统自动施加制动力于车轮，当车轮又向前运动时制动力自动释放。

⑩电动助力转向系统（EPS）。

电动助力转向系统是在机械转向机构的基础上，增加了信号传感器、电子控制单元和转向助力机构。EPS利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等因素，由电子控制单元完成助力控制。当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转矩传感器不断地测出转向轴上的转矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元；电控单元根据这些输入信号，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转动方向，调整转向辅助动力的大小。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。

⑪自适应悬挂系统。

自适应电控悬挂系统能根据悬挂装置的瞬时负荷，自动地适时调节悬架弹簧的刚度和减震器的阻尼特性，以适应当时的负荷，保持悬挂的既定高度，这样就能够极大地改进车辆行驶的稳定性、操纵性和乘坐的舒适性。

如图3－77所示，加速度传感器将检测到的系统运动状态信号反馈到电控单元，电控单元发出指令给伺服驱动器，控制悬架状态。主动悬架除了控制振动还可以控制汽车的姿态和高度。例如，在汽车起步、制动、急转弯和高速（100km·h－1）时选择运动（硬）状态，以改善操纵稳定性，在汽车低速（40km·h－1以下）时选择舒适（软）状态以得到好的平顺性，在汽车中速（40～100km·h－1）时选择正常（中）状态以兼顾平顺性与操纵稳定性。

图3－77　主动电控悬架的组成与控制原理

⑫常速巡航自动控制系统（CCS）。

在高速长途行驶时，可采用常速巡航自动控制系统，恒速行驶装置将根据行车阻力自动调整节气门开度，驾驶员不必经常踏油门以调整车速。若遇爬坡，车速有下降趋势，微机控制系统则自动加大节气门开度；在下坡时，又自动关小节气门开度，以调节发动机功率达到一定的转速。当驾驶员换低速挡或制动时，这种控制系统则会自动断开。

⑬轮胎压力监控系统（TPMS）。

汽车轮胎内充气压力的高低直接影响到整车行驶的舒适性和安全性。如果保持适宜的胎压，则可以减小轮胎的磨损，降低油耗，防止因胎压不足而引起轮胎损坏，并能保证汽车行驶的稳定性和安全性。TPMS（Tire Pressure Monitoring System）通过连续地监测轮胎的压力、温度和车轮转速，能够自动地为驾驶员发出警告，从而保证行车的安全。

美国高速道路交通安全局（NHTSA）已提出相关标准，要求2025年9月1日以后生产的全部车辆均配备TPMS，这是继安全带、安全气囊之后汽车安全的第三个立法产品。目前，新产车型大多装配了TPMS。

⑭电控四轮驱动（4WD）。

四轮驱动又称全轮驱动（All Wheel Drive，AWD），20世纪70年代以前用于越野车，现在已发展到应用于轿车，并引入电控系统。由电磁或者液压控制离合器多层叶片，从而改变发动机驱动力在变速器内传递的路径，这样汽车在运行时，能根据汽车行驶状态和路面情况，把驱动扭矩合理地分配给前后轮，以充分发挥各轮胎的驱动力，提高汽车的操纵稳定性。

四轮驱动系统主要分成两大类：半时四驱（Part Time 4WD）和全时四驱（Full Time 4WD）。半时四驱在正常的路面，车辆一般会采用后轮驱动的方式，一旦遇到路面不良或驱动轮打滑的情况，ECU会自动检测并立即将发动机输出扭矩分配给两个前轮，自然切换到四轮驱动状态。全时四驱是使汽车四个车轮一直保持有驱动力的四驱系统，全时四驱可分成固定扭矩分配（前后50∶50比例分配）和变扭矩分配（前后动力分配比例可变）两大类。

⑮汽车总线系统（Can Bus）。

由于汽车上的电子电器装置数量的急剧增多，为了减少连接导线的数量和重量，网络、总线技术有了很大的发展。通信线将各种汽车电子装置连接成为一个网络，通过数据总线发送和接收信息。电子装置除了独立完成各自的控制功能，还可以为其他控制装置提供数据服务。由于使用了网络化的设计，简化了布线，减少了电气节点的数量和导线的用量，使装配工作更为简化，同时也增加了信息传送的可靠性。通过数据总线可以访问任何一个电子控制装置，读取故障码并对其进行故障诊断，使整车维修工作变得更为简单。