汽车电子技术发展与产品市场现状分析.doc

一 汽车电子技朮发展与产品市场现状
随着现代汽车电子技朮的发展﹐汽车上的各种用电设备不断增多﹐各种电子控制单元也越来越多。专家预计﹐从2002年至2007年﹐全球汽车电子产品市场平均增长率约为6.7%,而我国的汽车电子产业更高﹐2003年达到33.7%﹐2010年前将一直保持到30%左右的高增长速度。目前﹐轿子电子产品占整车成本的30%~40%﹐载货汽车电子产品所占比例为10%~20%。
表1 2002~2003年我国主要汽车电子产品市场需求情况
产品种类
销售量/万套
销售额/亿元
2002年
2003年
同比增长
2002年
2003年
同比增长
发动机电子
286
380
32.9%
80
109
37.1%
发动机电子控制
250
330
32.0%
70
95
35.7%
自动变速控制
36
50
38.9%
10
14
47.3%
底盘电子
75
100
33.3%
20
27
34.8%
防抱死制动系统
75
100
33.3%
20
27
34.8%
车身电子
999
1320
32.1%
64
85
33.3%
汽车空调
180
255
41.7%
14
20
41.8%
防盗系统
44
70
59.1%
2
3
63.1%
安全气囊
100
130
30.0%
19
25
31.2%
电子组合仪表
315
400
27.0%
19
25
28.4%
电动车窗
280
360
28.6%
5
6
26.1%
中控锁
80
105
31.3%
5
6
31.1%
信息通讯和娱乐系统
351
458
30.5%
26
39
50.5%
汽车音响
316
400
26.6%
16
21
32.9%
GPS导航系统
3
8
166.7%
1
3
163.4%
其它信息娱乐系统
32
50
56.3%
9
14
66.7%
其它电子产品
150
230
53.3%
23
40
75.4%
总计
1861
2488
33.7%
212
300
41.5%
其中增长较快的GPS导航系统﹑自动变速控制系统﹑防抱死制动系统﹑防盗系统﹑其它娱乐系统(主要指车载电视)将成为未来的明星产品。

二 汽车新型电气系统发展概述
以上介绍了汽车电子产品的飞速发展﹐汽车上的各种用电设备不断增多﹐但也带来了一些负面影响﹐主要存在以下两个方面的问题。
a.用电功率消耗增大﹐现有的动力源已经不能满足汽车上所有电气系统可靠地工作。汽车上电气设备的用电功率从20世纪70年代约750W增长到今天的2KW左右。在过去5年中﹐平均以每年100W的速率增加﹐预计用电量未来几年内将以300%的速率增长。今后几年内﹐车辆上电气设备用电功率将达到10KW﹐而目前的汽车发电系统产生的功率基本上都在3.5KW以下。在现有12V或24V电气系统的额定电压下﹐要输出上述大功率﹐必须大大增加发电机的输出电流。低电压﹑大电流的输出将使交流发电机的效率大大降低﹐同时为了降低导线的热损耗﹐必须增大导线的截面积﹐就需要加粗导线﹐若这样发展下去的话﹐车上的主线将会粗如手臂﹐这就带来了整备质量增加﹑油耗增大﹑整车布置困难等问题。
b. 线路复杂﹐线束增多﹐安装空间紧缺﹐运行可靠性降低﹐维修难度增大。在20世纪50年代中期﹐汽车上的导线仅有75m长﹐而今天一辆高文件车辆的导线束长度超过2km﹐在一些新式车辆中﹐导线数量超过5600根﹐在部分特殊的轿车线路中至少要使用200多种不同的导线。这给汽车的布置和使用维修带来了很大的不便。
为了解决以上两个方面的问题﹐国内外众多的研究机构进行了大量的研究﹐并提出了解决措施。对于用电功率增大的问题﹐可采用42V的电气系统解决﹔解决线束增多﹑线路复杂的问题﹐可采用CAN总线技朮解决。
下面将对42V电气系统和CAN总线技朮进行介绍。
1 42V汽车电气系统
1.1 42V电气系统的由来
根据现有的研发技朮和生产工艺水平﹐当交流发电机的额定电压在14V时﹐其输出功率可达2kW﹔当额定电压达到28V时﹐其输出功率可达到4kW左右﹔当额定电压达到42V时﹐输出功率可达6kW左右。若继续增大电压﹐会带来一些安全问题﹐且当汽车电压大于60V时﹐导线和插接件绝缘材料将大量增加﹐其质量的增加不足以弥补其它零部件(如导线等)质量的减少。
1.2 研究与发展现状
早在1988年的SAE国际年会上就有关于提高汽车电系统供电电压的建议﹐以后也有一些讨论﹐但是都没有引起足够的重视。直到20世纪90年代中期开始﹐陆续成立了一些国际性和区区域性研究机构﹐对42V电气系统进行重点研究。这样的研究机构主要有两个﹕一个是美国的麻省理工学院与福特汽车公司联合成立的MIT/工业联盟﹔另一研究机构是戴姆勒-奔驰与SICN发起组织的车用电源论坛,是以德国汽车制造商和零部件供货商为主组成的。目前﹐42V汽车电气系统还主要处于探索﹑验证阶段。
1.3 发展动向与趋势
a 现阶段﹐42V电气系统实现起来还有一定的难度﹐作为过渡时期﹐14V/42双电气系统及其功率分配与管理系统将首先被研制和投入使用。
b 随着42V电气系统研究的发展﹐有关标准将随之出台。如2002年2月﹐美国制定了SAE J2576 <<片式熔断器-42V系>> 标准。
c 预计到2025年﹐除一些特殊用途的车辆外﹐世界上几乎所有的车辆都将使用42V的电气系统。
2 CAN总线技朮
如前所述﹐运用CAN总线技朮是为了解决车身布线庞大且复杂﹐安装空间紧缺﹐维修难度大等问题。
早在20世纪80年代﹐众多国际知名汽车公司就积极致力于汽车网络技朮的研究及应用。迄今为止﹐已有多种网络标准﹐如BOSCH的CAN﹑SAE的J1850﹑德国大众的ABUS等。
目前存在的多种汽车网络标准﹐其侧重的功能有所不同﹐为方便研究和设计使用﹐SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为3类﹐如表1所示。
表1 汽车数据传输网络分类
类别
对象
传输速度
应用范围
A
面向传感器/执行器控制的低速网络
<10kb/s
灯光照明﹑电动门窗﹑座椅调节等系统
B
面向独立模块间资料共享的中速网络
10~125kb/s
车辆电子信息中心﹑安全气囊﹑故障诊断﹑仪表显示等系统
C
面向高速﹑实时死循环控制的多路传输网
125kb/s~1Mb/s
牵引控制﹑先进发动机控制﹑悬架控制﹑ABS等系统
B类网支持A类网的功能﹐C类网能同时实现A类和B类网功能。从发展趋势看﹐将来C类网将占据主导地位。到目前为止﹐满足C类网要求的汽车控制器局域网只有CAN协议。
CAN全称为Controller Area Network,即控制器局域网﹐是由德国Bosch公司在20世纪80年代末最先提出的一种串行数讯总线﹐现已成为国际上应用最广泛的现场总线之一。
目前汽车上的网络连接方式主要采用2根CAN总线﹐一根用于驱动系统的高速CAN总线﹐速率达到500kb/s﹐另一根是用于车身系统的低速CAN总线﹐速率是100kb/s。驱动系统用CAN总线主要连接对象是发动机的ECU﹑ASR及ABS ECU﹑SRS ECR﹑组合仪表等﹐他们的基本特征相同﹐都是控制与汽车行驶直接相关的系统。车身系统用CAN总线主要连接对象是4门以上的集控锁﹑电动门窗﹑后视镜和厢内照明灯等。有些先进的轿车除了上述2根CAN总线外﹐还有第3根CAN总线﹐它主要负责卫星导航及智能通讯系统。

下面具体讲解一下汽车上的电器系统
一 现在汽车电气设备可分为八大系统
1 电源系统
电源系统又主要有为蓄电池和发电机﹔
1.1. 1蓄電池按結構特點可分為:
1.1 蓄电池
1.1.1 蓄电池的组成
蓄电池主要由正负极板﹑隔板﹑电解液﹑外壳﹑连接条﹑极桩组成﹔正极板上的活性物质是二氧化铅,呈红棕色,负极板上的活性物质是海绵状的纯铅,呈深灰色﹔
6V蓄电池由三个单元格电池用连接桩串联,每格为2V,相应的12V由六个单元格串联;电解液是由化学纯净流酸和蒸馏水配制而成,一般电解液密度为1.24~1.31g/cm3
温度越低,电解液密度也就越高. 铅蓄电池的极桩制造厂已分别刻上“＋”和“－”，同时在正极桩上涂红色，负极桩上一般不涂颜色。
1.1.2 蓄电池的作用
a 起动发动机，给起动机提供强大的起动电流（一般高达200～600A），同时向点火装置供电。
b 当发动机不转或低速运转时，向用电设备供电。
c 当发动机处于中、高速运转时，发电机向用电设备供电，同时将多余的电能转换为化学能储存在电池内。
d 铅蓄电池还相当于一个较大的电容器，能吸收电路中随时过出现的瞬时过电压，以保护晶体管组件不被击穿，延长其使用寿命。
1.1.3 蓄电池的分类
a 蓄电池按结构特点可分为碱性蓄电池和酸性蓄电池两大类,汽车上采用的是酸性蓄电池;
b 按蓄电池电压可分为2V﹑6V﹑12V﹑24V等;摩托车用6V的比较多,轿车及商务车及越野车常用12V,大卡车主要用24V;
c 按蓄电池的额定容量又可分为60Ah﹑80Ah﹑105Ah等等;我所在的公司汽油车用60Ah,柴油车用80Ah,因为柴油车的功率要大,起动时所需电流也要大;
d 按功能上还可以分普通蓄电池,干荷式铅酸蓄电池及免维护蓄电池,现代的车用铅酸电池的占多数. 铅酸蓄电池在使用过程中因水的蒸发及电解,故要时常补加蒸馏水,免维护蓄电池在使用过程中就不需补加蒸馏水,且使用寿命也较长,但费用高.
其中蓄电池电压及额定容量是蓄电池的两个重要参数.

1.1.4 蓄电池的维护
a 大电流放电的时间不能过长,故起动机每次起动时间不能超过5秒, 相邻两次起动之间应间隔15秒;
b在使用中，尽量避免铅蓄电池的过放电和长期处于欠充电状态下工作，也不能长期处于小电流放电状态下工作;
c冬季使用铅蓄电池时，要特别注意保持充足电状态，以免电解液相对密度降低而结冰，致使壳体破裂;
d定期检查铅蓄电池，发现电解液相对密度不足时，可补加相对密度为1.40的稀硫酸，液面过低时，应补加蒸馏水;
e 要时常检查蓄电池是否需要补充充电,有下列情况之一的需对蓄电池进行补充充电:
◇ 电解液密度低于1.24g/cm3，或端电压在12.5V以下时；
◇ 冬季放电超过25%，夏季放电超过50%；
◇ 起动无力，灯光比平时昏暗；
◇ 带液蓄电池放置超过3个月。
1.1.5 未来发展中的电动汽车用蓄电池
因环保和能源问题的日益突出,使得世界上大部分汽车厂家投资进行特种车的研发,如混合动力汽车,电动汽车,代用燃料汽车和太阳能汽车。而要满足零排放的要求﹐只有氢能汽车和电能汽车才能办到﹐而氢能汽车的实用化程远不成熟﹐于是厂家都把精力集中到电动汽车的研制上。电动车的蓬勃发展及广阔前景﹐促进了蓄电池技朮的发展。因此﹐出现了形形色色﹐各种各样的车用蓄电池。如﹕汽车上目前普遍采用的铅酸电池﹔镍镉蓄电池﹐应用广泛程度仅次于铅酸电池﹔飞轮蓄电池﹑锂蓄电池等。
1.2 发电机
现代汽车用的发电机普遍采用硅整流交流发电机
1.2.1 发电机的组成及作用
汽车用硅整流发电机由一台三相同步交流发电机和一套六只硅二极管组成的整流器所组成的。
其中三相同步交流发电机主要由转子总成、定子总成、皮带轮、风扇、前后端盖及电刷等部件组成。
转子总成的作用是产生旋转磁场。它由转子轴、励磁绕组、两块爪形磁极、滑环等组成。
1.2.2 各部件的作用及工作原理﹕
三相同步交流发电机工作原理：
发电机的三相定子绕组按一定规律分布在定子槽中，彼此相差120°电角度，三个绕组的末端接在一起，形成星形接法。
转子上绕有励磁绕组，当直流电通过励磁绕组时，转子爪极产生N极和S极，磁力线由转子的N极出发，穿过转子与定子间很小的空气隙进入定子铁芯，最后又经过空气隙回到相邻的S极，并通过磁轭构成了磁回路。转子磁极呈鸟嘴形，使定子绕组相对切割运动，在三相绕组中产生频率相同、幅值相等、相位互差120°电角度的正弦电动势。
1.2.2.1 整流器
整流器的作用是把三相同步交流发电机产生的三相交流电变成直流电输出﹐它一般用六个硅二极管接成三相桥式全波整流电路。
有些发动机为了提高中性点电压﹐提高发电机输出功率﹐增加了二只二极管对中性点电压进行整流﹐并汇入发电机的输出端。
有些硅整流发电机的整流器采用九只二极管﹐增加的是三只小功率磁场二极管﹐专门用来供给励磁电流﹐这样可以提高发电机的电压调节精度。
同时具备以上述两种功能的发电机整流器共有11只硅二极管。

1.2.2.2 电压调节器
电压调节器的作用是通过改变励磁绕组电流的大小使发电机输出较为恒定的电压。
常用的交流发电机电压调节器有触点振动式调节器﹐晶体管调节器和集成电路调节器三种。
◇ 触点振动式电压调节器
a 发动机起动时﹐蓄电池向励磁绕组供电(称为他励)﹔
b 当发动机转速升高时﹐发电机转速也随之升高﹐发电机端电压升高到稍高于蓄电池电压时﹐发电机自励﹔
c 当发动机转速升到较高转速﹐发电机的输出电压达到第一级调压值(14V)时﹐有其它电阻串入电路﹐励磁电流减小﹔
d 发动机作高速运转时﹐发电机输出电压达到二级调压值(14.5V)时﹐励磁绕组两端搭铁﹐无励磁电流通过﹐发电机端电压迅速下降。
◇ 晶体管调节器
触点式调节器在触点开闭过程中存在机械惯性和电磁惯性﹐触点振动频率较低﹐当发电机高速满载突然失去负载时﹐有可能因触点动作迟缓而导致发电机产生过电压﹐损坏晶体管组件。此外﹐触点间产生火花﹐使用寿命缩短﹐还会造成无线电干扰。
晶体管调节器﹐也叫电子调节器﹐它是利用晶体三极管的开关作用﹐控制发电机磁场电路的通﹐断﹐在发电机转速变化时﹐调节磁场电路的阻值﹐使发电机电压保持稳定。这种调节器没有触点﹐使用中无须保养和维护﹐体积小﹐重量轻﹐目前已经逐步取代触点式调节器。总成为不可拆卸﹐外面有三个接线柱分别为”+”(或火线﹐电枢)接线柱﹐”-“(或搭铁)接线柱﹐”F”(或磁场)接线柱。
以前我国习惯采用内搭铁式发电机﹐用来控制励磁绕组的火线。随着国外技朮的引进﹐磁整流发电机逐渐采用外搭铁式﹐控制励磁绕组搭铁。
◇ 集成电路调节器
集成电路调节器是利用集成电路(IC)组成的调节器﹐可分为全集成电路调节器和混合集成电路调节器两类﹔后者是用厚膜或薄膜电阻与集成的单片芯片或分立组件组装而成﹐使用最广泛的是厚膜混合集成电路调节器。

2 起动系统
2.1 起动机的作用
起动的作用就是将电能转变为机械能﹐带动发动机曲轴旋转﹐使发动机激活。完成起动任务之后立即停止工作。
发动机常用的起动方式有﹕人力起动﹑辅助汽油机起动和电力起动机起动。
2.2 起动机的组成
起动机都是由直流串励式电动机﹐传动机构和控制装置三大部分组成。
2.2.1 直流串励式电动机
直流串励式电动机作用是将蓄电池的电能换为机械﹐产生转矩﹐以起动发动机。
2.2.2 传动机构
传动机构或称离合器﹐其作用是在发动机起动时使起动机小齿轮啮入飞轮齿环﹔发动机起动后又能使之脱开。
2.2.3 控制装置
控制装置即开关﹐其作用是接通和切断电动机与蓄电池之间电路。
发动机起动时﹐其电枢电流很大(一般汽油机200A~600A﹐柴油机可达1000A)﹐故汽车上蓄电池至起动机的正电源线都很粗。

3 点火系统
发动机的点火方式有炽热点火﹐压缩着火和电火花点火三种﹐柴油机用压缩着火﹐汽油机均采用电火花点火。
传统点火系主要同﹕蓄电池﹑发电机﹑点火线圈﹑分电器﹑电容器﹑附加电阻﹑火花塞﹑点火开关组成。
点火系统应在发动机各种不同工况和使用条件下﹐均能保证可靠而准确地点燃混合气。为此﹐点火装置必须满足以下三个要求﹕
（1） 能迅速及时地产生足以使气缸内混合气电离和击穿间隙的高压电；
实践证明﹐汽车发动机在满负荷低速时需8KV~10KV的高电压﹐起动时则常需9KV~17KV﹐正常点火一般均在15KV以上。为了保证点火可靠﹐点火装置产生15KV~20KV高电压。
由于过高电压给绝缘带来难题，成本增高，故次级电压通常被限制在30KV以内。
（2） 电火花应有足够的点火能量；
发动机正常工作时﹐由于混合气压缩终了温度已接近其自燃温度﹐因此所需的火花能量仅1mJ~5mJ即可﹐为了保证可靠点火﹐一般应保证有50mJ~80mJ的点火能量﹐起动时应大于100mJ的火花能量﹐而且应持续一定时间﹐通常不小于500μs。
（3） 点火时间必须能与发动机的各种工况相适应。
因为混合气在发动机的气缸内从开始点火到完全燃烧需要一定的时间(千分之几秒)﹐所以要使发动机产生量大的功率﹐就不能在压缩行程终了活塞行至上止点才点火﹐需是需要适当提前一些。
点火过早的危害﹕
发动机功率减小，耗油增加，起动困难、怠速运转不良、高速时出现突爆，化油器回火、曲轴反转。
点火过早的危害﹕
发动机动力降低、容易过热、不易发动、加速无力、排气管放炮、冒黑烟。