电工电子技术在现代汽车工业的应用.doc

电工电子学 课程作业电工电子技术在现代汽车工业中的应用学生： 黄志宇学号： 20156260指导教师： 余传祥班级： 车辆工程04班重庆大学汽车工程学院 2016年12月摘要本文介绍了电工电子技术在现代汽车工业中的应用。电工电子技术是一种工程理论与技术体系，是随着电工电子技术与信息技术的应用而发展起来的。电工电子技术应用，就是利用电子信息工程的相关工程理论解决电子技术的应用。在不同的工程领域，电子技术提供了信号，信息采集，传输和处理的实现技术，随着各行业信息化，智能化的发展，导致电工电子技术已经成为各工程应用领域的基本技术之一。本文首先介绍现代汽车电工电子设计与智能化技术，电工电子技术在汽车上的应用可概括为以CAN为总线的动力及传动系统控制、车辆系统控制、车身系统控制以及信息传递和通讯系统、自诊断系统等五个方面，构成高度集成化和网络化的系统。介绍了汽车信息化、智能化、网络控制化中的应用与发展趋势,指明它是信息社会发展的必然结果,未来汽车将在低污染、低交通事故、节能、智能化方向飞跃发展。本文还通过对新能源节能动力与电工电子设计技术在汽车工程中的应用，以期提高我国汽车行业的竞争力，缓解环境压力，提高人们的日常生活和出行质量。着重介绍了电动汽车和混合电动汽车及电力电子技术在它们中的应用,综述了电工电子技术在新能源汽车上其有关键性的作用。最后本文分析了汽车电工电子技术的应用特点和影响因素,展望了电工电子技术在汽车应用中的发展前景及我国汽车电工电子应用趋势及发展对策,指明了大力发展我国汽车电子新技术,加快汽车电子化速度,是振兴和发展我国汽车工业的重要手段和必由之路。关键词：汽车电工电子 智能化技术 节能动力 新能源汽车 0 引言汽车电工电子技术的发展从最初的真空管、晶体管、集成电路和大规模集成电路到广泛应用的计算机等各种各样的电子装置,汽车控制系统已经由局部控制发展到了整车系统控制设计,汽车电工电子技术逐年深化,信息化、智能化、交通控制网络化成为当今汽车研究的重点,它是衡量各国汽车工业发展水平的重要标志。目前有些汽车电工电子装置占整车造价的1/3,一部高级轿车将安装几十个微控器、上百个传感器。电工电子化程度是高档汽车的主要标志。汽车电工电子控制装置设计,包括发动机控制系统、底盘控制系统和车身电子(ECU)控制系统设计。汽车电工电子设计朝着集成化、智能化、网络化、模块化的技术方向发展,它的集成化向着综合控制、制动控制、总线连接、底盘控制等方面发展。如果使发动机管理系统和自动变速器控制系统集成为动力传动系统的综合控制(PCM),使制动防抱死控制系统(ABS)、牵引力控制系统(TCS)和驱动防滑控制系统(ASR)综合在一起进行制动控制,通过中央底盘控制器,使制动、悬架、转向和动力传动等控制系统通过总线进行连接,控制器通过复杂的控制运算,对各子系统进行协调,这将使车辆行驶性能控制到最佳水平, 形成一体化底盘控制系统。同时，通过汽车供油系统节能的电子电工控制和汽车电工电子点火节能系统的应用，汽车电工电子设计在汽车工程中的应用不仅能够降低汽车的能耗，而且能够最大程度实现汽车的经济效益和环境效益，提高汽车的舒适度和安全性。在未来的汽车发展过程中，太阳能、电能、天然气等，也将会越来越多的被应用于汽车的研发和生产中，实现节能减排的要求，满足社会和环境的可持续发展。同时，汽车电工电子的设计发展也将主要集中在对网络系统、智能化系统和通讯系统的改善设计中，实现汽车运行过程中的效率和安全，最大程度保证汽车各方面性能的优化，适应人们的日常工作和生活需求，有利于其经济效益和社会效益的实现，降低我国汽车行业能源消耗的同时，使我国的汽车更加具有市场优越性和国际竞争力。1 现代汽车电工电子技术与智能化技术1.1以CAN为总线的汽车电工电子集成系统为了满足现代汽车的动力性、经济性、安全性、可靠性、净化性和舒适性等方面的设计要求,在汽车设计方面需要有以下控制子系统作为技术支持:发动机控制、变速控制、巡航控制、制动控制、驱动控制、悬架控制、转向控制、照明控制、雨刷控制、空调控制、安全控制、座椅控制、门窗控制、防盗控制、音响控制和信息综合管理等等。鉴于汽车制造业的特殊性,多以系统工程的概念设计,按功能模块化的零/部件专业分工设计制作,各厂家生产的产品及其配套的ECU部分,均为独立的控制系统,能够完成单个模块的预定控制功能,但是,各个子系统之间没有联系,ECU之间联动关系几乎没有,信息也不能共享。当采用以控制器局域网络(CAN)为总线,有机连接各个ECU控制单元,所组成的网络系统将能够有效地改善这种状况,由于实现了资源共享,可以突破常规的方法,对ECU单元的控制方程做相应的修改设计,避免因控制算法缺少外部变量,导致ECU单元达不到最佳控制效果,从而可以使整车达到最佳控制状态。比如,“车速/发动机转速”这个参数,哪个ECU模块需要,只要发出一个请求报文,即可从总线上获得,使得每个子系统都能工作在最佳状态,从而提升整车性能。图中给出了以CAN为总线,连接各个ECU单元的设计方框图。以ECU为核心的控制模块,在汽车电工电子发展的过程中,已实现了单个模块的控制,但是以总线形式把它们组成一个有机整体,则是一种新的尝试,现代汽车电工电子的设计发展将主要集中在动力总成、底盘控制、车身控制、主被动安全、汽车网络、通信系统、安全与防盗等方面,并呈现出功能多样化、技术一体化、系统集成化和通信网络化的特点,这是汽车电工电子设计走向全智能化的必然过程。在具体实施时,可以根据ECU模块的位置及相应关联功能,分成几个不同的子系统。1.2汽车信息化技术汽车信息化技术的应用是基于全球定位系统GPS、地理信息系统GIS、移动通讯网络以及国际网络传输控制TCP/IP等技术原理,在汽车上轻松实现诸如数据传递、语音通讯、目标跟踪、自动报警,以及各种公众信息、实用信息的服务功能,并可通过与110,120等系统和各类数据库相结合,实现更广泛的应用。1)自适应巡航控制系统：通过控制车辆，在设定所希望的较低行驶速度之后,用雷达、声纳、激光波束对前方路面进行扫描，在必要的时候自适应巡航控制系统将自动减少汽门开度，降低挡位，甚至实施制动，以保持安全车距,但这种系统要求在路面和汽车上都设置有特制的传感、控制和通讯设备，可以实现无人驾驶。一般这种汽车配备有精确的定位系统，可以为年老体弱和残疾人提供出行的便利。2)防碰撞警告与集成安全系统：利用雷达、声纳和激光波束扫描潜在的危险与障碍，在汽车即将发生撞车或交通事故时，发出紧急信号，以避免事故的发生。同时它还可以与全球定位系统GPS相结合，在发生撞车或交通事故时，给救助机构提供车辆精确位置的信息，使急救中心可以快速到达现场实施救护。集成安全系统是由几十项技术构成,包括电子设备、微控制器、传感器等技术与产品。集成安全系统可以凭借先进的电子技术和集成技术,研制出适合于汽车驾驶各个环节的安全系统与设备。如安全带预张紧和过张紧装置、帘式头部气囊、自适应能量吸收转向柱、主动膝部保护装置等设备,为驾乘人员提供全而的防护。3)电子导航系统：利用全球定位系统GPS的导航功能，帮助驾驶人员在错综复杂的城市道路交通网络中，选择最佳行驶路线，使之快速地到达目的地。电子导航系统运用多层引导式菜单，简明扼要地按地区、城市、区域和设施功能分类选定目标,测算出最佳的行车路线，图文并茂地展示在二维或三维电子地图上，并实时标记出汽车实际行驶的路线位置。当突然路遇前方路线堵塞或交通意外情况时，迅速修改行车路线，并在数秒之内自动设置新的行车路线，重新恢复导航功能。1.3 汽车智能化技术智能汽车(Intelligent Vehicle)是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、人工智能与自动控制技术、现代传感技术、信息与通讯等技术，它是典型的高新技术的综合体，是目前各国重点发展的智能交通系统中重要的组成部分，也是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。1)智能感知与预警系统：智能感知与预警系统利用各种传感器，以获得对汽车车身、行驶的周围环境和驾驶员本身状态的感知，在必要时发出预警信息。它主要包括碰撞预警系统，驾驶员状态监测系统。碰撞预警系统包括前后方碰撞警告、车道偏离警告、盲点警告、换道和并道警告、十字路口警告、步行人的检测与警告等功能，以提高行车安全。驾驶员状态监测系统主要有驾驶员打盹警告、驾驶员位置占有状态监测等功能。2)汽车辅助与自动驾驶系统：汽车辅助驾驶系统利用智能感知系统的信息进行决策规划,给驾驶员提出驾驶建议或部分代替驾驶员进行车辆控制操作，该系统主要包括巡航控制、车辆跟踪系统、准确泊车系统和精确机动系统。汽车自动驾驶系统是由车载计算机全自动地实现车辆操纵，是智能汽车技术的最高层次，目前主要应用于拥挤交通状况时低速自动驾驶系统、自主驾驶系统、近距离车辆排队驾驶系统等。3)智能汽车关键技术：机器视觉技术、雷达技术、磁性导航技术、高精度数字地图和卫星导航技术GPS是智能汽车的关键技术，这些技术的发展直接影响到汽车智能化的进程。机器视觉技术是智能汽车领域发展最快的技术之一，在智能汽车上，机器视觉必须具有实时性、鲁棒性、实用性的特点。机器视觉主要用于道路路径的识别和跟踪，与其他传感器相比，机器视觉具有检测信息量大和遥测等特点，但数据处理量大容易出现系统实时性较差等问题。这样就必须在设备中采用更高性能的硬件，在软件设计上要研究出更新的视觉算法，能够模拟人眼功能,使系统随着速度的变化，自动调节摄像机的焦距，对周围较宽范围内的物体感知，适应不平道路的颠簸环境，并获得立体视觉。能正确跟踪有路标和无路标情况下的道路。雷达技术可以轻松解决视觉技术在深度信息方面的难度，利用雷达技术可以得到汽车周围的深度信息，从而可以准确地发现车辆周围存在的障碍以及前方的车辆或行人。雷达系统要和视觉系统共同应用，通过各个传感器的融合，得到更为准确的路面信息。用雷达与视觉融合技术可以设计出无人操纵、全自动、多地形和适应性高的机动智能汽车。2 电工电子技术在汽车新能源中的运用2.1 汽车节能与电工电子设计技术近年来 ，随着科技的发展和人们的交通需求日益加大 ，我国的能源消耗量也越来越大。传统的能源供应已经不能满足人们的日常生产和生活需求。汽车作为人们日常生活中必不可少的交通工具 ，对石油造成了不可估量的消耗 ，从而导致了能源危机。新能源和节能技术等在汽车工程中的应用不仅实现了我国汽车工程发展过程中的经济效益，而且最大程度上实现了其社会效益。1)汽车供油系统节能电工电子控制：将电子控制技术应用于汽车的设计和研发中，实现了对石油消耗的精确控制。与传统的汽车供油系统相比，多点式的电子控制燃油喷射技术不仅能够对喷油量和喷油时间进行有效的预估和控制，而且也能够保证喷油速度的合理性，实现了石油的合理利用，而且最大程度的降低了石油的消耗。在汽车的设计和研发中应用电子电工控制技术，不仅能够降低能源和废气的排放量，最大程度降低汽车运行过程中的油耗，而且与传统的汽车相比，运行过程中的油耗计量也更加精确，有利于其经济效益和社会效益的实现。2)汽车电工电子点火节能系统：传统的汽油机通过电火花点燃混合气体来实现汽车发动机的运行。由于技术水平的限制，传统的断电器在进行高速运转的过程中容易造成磨损，导致发动机的性能下降或者失火等各种问题的出现，不仅增加了发动机的维修成本，而且不利于实现节能减排的战略要求。将新型断电器应用于汽车的生产中，不仅可以降低发动机的损耗，而且有利于减少尾气排放对大气的污染。实现可持续发展的战略要求的同时，也提高了我国汽车的研发水平和运行质量。将电工电子点火系统应用于汽车生产中，不仅能够避免失火现象的发生，而且能够降低发动机的损耗，有利于改善汽车的总体性能。不仅能够使发动机长期处于良好的运行状态，而且也降低了发动机使用过程中的安全隐患。2.2 电力电子技术在电动汽车上的应用随着传统内燃机汽车的大范围推广应用,人们的生活变得日益方便舒适,但同时也引起了一系列的能源与环境问题。混合动力电动汽车以及燃料电池电动汽车,作为解决环境和能源问题的一种切实可行的方案,逐渐得到了世界各大汽车厂商的青睐。这是因为与传统汽车、纯电动汽车技术相比,它们具有以下一些优势:l)效率高;2)续驶里程长;3)绿色环保;4)过载能力强;5)低噪音;6)设计方便灵活。电动汽车与传统汽车在外形上没有什么不同,它们之间的主要区别在于动力驱动系统。电动汽车采用蓄电池作储能动力源,给电机驱动系统提供电能,驱动电动机,推动车轮前进,是电力驱动系统。它具有无污染、效率高、噪声低、更有利于智能化等优点。电力驱动系统可以说是电动汽车的心脏,分为两个部分:电力部分和机械装置。其中电力部分主要包括电动驱动系统功能块。目前,电力电子技术在电动汽车上的应用与传统汽车相比,主要增加了在电力驱动系统上的应用,包括电动机调速系统、能量转换器、充电器等。(1)电动机调速系统电动机是电动汽车发动机的主要部件。功率变换器,作为电力电子技术之一,在电动汽车电机调速系统中,主要有两种形式：用于直流电动机的斩波器和交流电机的逆变器。斩波器：对于直流电动机调速系统,一般采用斩波器,其功率电路比较简单,效率也比较高。随着功率器件的发展,斩波器的频率可做到几千赫兹,因而很适合用作直流牵引调速。电动汽车采用直流电机驱动,无论是串励电机,还是他励电机,都采用斩波器作为功率变换器。逆变器：在DC/AC变换方式中,一般采用直流斩波器加逆变器和PWM逆变器两种方式。由于电动汽车的电源(蓄电池)电压低,采用前种方式,传输能量环节过多,会降低整个系统的效率。而采用PWM电压型逆变器,则线路简单、环节少、效率高。另外,现在还出现了谐振直流环节变换器和高频谐振交流环节变换器。由于采用零电压或零电流开关技术,谐振式变换器具有开关损耗小、电磁干扰小、低噪声、高功率密度和高可靠性等优点。 (2)能量转换器电动汽车能量转换器的主要部件是功率器件。目前常用的功率器件有CTO、BTJ、MOSFET、MCT,其中CTO、MCT具有高开关速度、高能量传输能力、优越的动态特性及高可靠性,很适合于电动汽车驱动,同时,功率器件能影响到能量转换器的结构。直-直流及直-交流转换器各自应用于直流电动机和交流电动机。除了通常的脉宽调制份转换器外,最近有一种电池回授转换器叫做共振直流耦合转换器,它可提供零电压开关或零电流开关,具有零开关损耗、低散热需要、无需缓冲器工作、高能量密度、很少严重的电磁干扰问题、噪声小及高可靠性的优点。(3)充电装置发展自动充电器是发展电动汽车的必要条件,因为它能将交流电网的电能有效补充到每辆电动汽车的蓄电池中。今后为使电动汽车普及,则需要建立蓄电池充电站,每个站必须配备若干套自动充电器。充电器的功能就是将交流电变为直流电,这就需要用到电工电子技术,使用功率器件。当这些充电器用到电动汽车中时,人们对它们提出了更多的要求。要求它们恒流恒压二段式充电,还要求高效、轻量,有自检及自动充电等多种保护功能,并且能程控设定充电时间曲线、监视电池温度,对电网无污染等。这些要求需要电工电子技术来解决,更突出了电工电子技术在充电器上的应用。3 结语随着知识创新、科技创新和高新科学技术产业化的飞跃发展,未来的汽车设计必将更加丰富多彩,更好地满足人们的需要。未来的汽车发展将把人们带到一个欲想难料、展望难尽的广阔天地。当前,汽车工业已成为我国国民经济的支柱产业。现代汽车电工电子设计与智能化技术的应用极大地提高了汽车的各项性能,使得汽车电工电子技术能够从单个部件的电工电子化,发展到总成电子化、模块化,最终形成整车模块综合化的智能控制器网络系统。安全性、乘坐的舒适性、信息化、智能化、网络化设计是信息社会发展的必然,是信息社会快节奏生活方式的必需。同时，新能源节能动力和电工电子技术被应用于汽车的生产和研发过程中，不仅能够降低汽车的油耗和尾气的排放，而且能够最大程度实现其环境效益和经济效益。大力发展汽车电工电子技术，重视新能源节能动力和电工电子技术在汽车生产中的应用，才能不断提高我国汽车生产水平，提升国际竞争力，促进我国汽车行业又好又快的发展。参考文献1 陈丁跃, 陈李昊, 王汝成,等. 现代汽车电工电子设计与智能化技术J. 现代制造工程, 2008(2):134-137.2 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