近年來，汽車電子技術的迅速發展大大改善了汽車的各項性能。專家預測：未來五年內汽車上的電子裝置成本將占汽車整體成本的25％以上。汽車已經由單純的機械產品發展成為高級的機電一體化產品。

21世紀汽車的三大任務分別是：安全、節能與環保。其中環保與節能主要表現在引擎與傳動系統的電子控制以及燃料電池、CAN通訊及X-By-Wire為代表的電動汽車、整車控制技術方面，而行駛安全性則主要表現在ABS、TCS、VDC、4WS與TPMS等核心電子控制技術的發展上。除此之外，還有為提高行駛舒適性而開發的電控懸架技術，以及為提高汽車智慧化而開發的自動避撞系統、車載導航系統等電子控制技術。

現代汽車電子技術的發展可以分為以下六大類：

引擎電子控制

目前，汽油引擎的電子控制技術已經日趨完善，而國內外的柴油引擎電子控制技術則發展迅速，新技術層出不窮。近年來，高壓燃油直噴系統（Common-Rail Systems）和高壓共軌噴射系統的發展使柴油引擎的燃油經濟性和排放性都有了很大的改善。廢氣再迴圈（EGR）技術、氧化催化器和微粒捕捉器也改善了柴油引擎的各項廢氣排放。

引擎管理系統則對噴油和進氣過程進行綜合控制，保證引擎能夠在保持良好動力性的基礎上，達到最佳的燃油經濟性和排放性，同時降低雜訊和振動。引擎管理系統的核心技術是微控制器（Micro Controller Unit；MCU），它為汽車動力傳動系統從機械系統向電子系統轉變提供了更強的計算處理能力。近幾年由於MCU功能的增強，智慧型感測器、智慧型功率IC的出現，使得電子控制單元（ECU）硬體電路的設計變得非常簡單，工作更為可靠。燃油噴射系統使用的主要感測器，如進氣歧管壓力感測器和曲軸轉速、曲軸位置感測器，隨著半導體製程技術的提高，已將感測元件及其輸出信號的處理電路都整合在一塊晶片上，感測器的輸出信號可以直接送給MCU。除此之外，還增加了過電壓、電源極性反接和抗干擾輸出保護等功能。智慧功率IC，已將線性放大電路，數位電路和功率元件都整合在一塊晶片上，並且還增加了一些特定的功能。例如，噴油器驅動IC是一片四路低端開關智慧功率IC，可分別驅動四個獨立的噴油器，並且還具有負載開路檢測、電感性負載高電壓鉗位元、過熱、過電壓和過電流斷電保護以及自動恢復等功能。元件的輸入端可以直接和MCU引腳相連，還可診斷工作狀態並輸出報告，通過SPI口送給MCU進行處理。使用新元件設計電路板時，可以省去感測器輸入信號的調理電路（conditioning circuit）和用於驅動功率管理的前置放大電路以及監測電路，使電路板設計變得更為簡單。

目前，MCU技術的發展趨勢是低電壓、低功耗、高速度與高整合度。Strategy Analytics的報告指出，2004年汽車電子業總市值（TAM）將達到151億美元。其中用於引擎管理系統上進行快速資料處理的32位元MCU和用於車身電路系統的8/16位元MCU需求將會增加。受這些應用的推動，2010年每輛汽車所需的半導體將從2001年的200美元增加到超過300美元。

底盤系統電子控制

自動變速器

採用自動變速器，在駕駛時不需踩離合器就可以自動換檔，而且引擎不會熄火，從而可以有效的提高駕駛方便性。20世紀80年代以來，隨著電子技術的發展，變速器的自動控制更加完善，在各種使用狀況下均能讓引擎與傳動系統做最佳的搭配。目前使用最為廣泛的自動變速器主要有三種類型：

液力機械式自動變速器（AT）

由變矩器，自動變速器，液壓電子控制系統三部分組成，目前技術成熟，應用廣泛。其電子液壓控制系統由感測器、電控單元、換檔電磁閥、油壓調節電磁閥、油泵和換檔閥等組成。

電控機械式自動變速器（AMT）

由傳統的離合器與手動齒輪變速器採用電控進行自動變速，目前在重型貨車上使用較多。

電控機械式自動變速箱（CVT）

由V型剛帶與可調半徑的帶輪而得到無段自動變速，廣泛採用在兩公升以下的轎車上。CVT的主要優點是：速比變化是無段的，在各種行駛狀況下都能選擇最佳的速比，其動力性、經濟性和排放性與AT相比，大約可以改善5％左右。

電控懸架

目前，汽車的懸架系統一般是彈簧剛度和減振器阻尼（Damping）特性不能改變的被動懸架，它不能根據使用狀況和路面輸入的變化進行控制和調整，故難以滿足汽車平順性和操縱穩定性的更高要求。近年來，隨著電控和隨動液壓技術的發展，彈簧剛度和減振器阻尼特性參數可調電控主動和半主動懸架，在汽車上逐步得到應用和發展。

主動懸架

一般由感測器檢測系統運動的狀態信號，回饋到電控單元ECU，然後由ECU發出指令給執行機構主動力發生器，構成閉環控制。通常採用電液伺服液壓缸作為主動力發生器，它由外部油源提供能量。力發生器產生主動控制力作用於振動系統，自動改變彈簧剛度和減振器阻力係數。主動懸架除可控制振動外，還可以控制車的姿態和高度。(圖一)為主動懸架結構示意圖。

《圖一　主動懸架結構示意圖》

半主動懸架

即時閉環控制的半主動懸架：主要是通過電磁閥控制可調阻尼減震器，其控制方法和主動懸架類似，屬於即時閉環控制；車速控制的可調阻尼懸架：可調阻尼減振器由直流電機帶動具有不同節流孔的轉閥而得到舒適（軟）、正常（中）、運動（硬）三個等級的阻尼；空氣彈簧半主動懸架：由剛度控制閥改變主、副氣室的通道面積得到軟、中、硬不同的剛度，其控制與由車速控制的可調阻尼懸架類似。

操縱穩定性的電子控制系統

提高汽車的操縱穩定性，過去一直侷限於通過改進輪胎、懸架、轉向與傳動系統的性能來實現。隨著電腦、感測器和執行機構的迅速發展，各國研發了各種能顯著改善操縱穩定性和安全性的電子控制系統。如防鎖死煞車系統（Anti-Lock Braking System；ABS）、牽引力控制系統（Traction Control System；TCS，或稱ASR）、四輪轉向系統（4WS）、車輛動力學控制系統（Vehicle Dynamic Control；VDC，也稱VSC、ESP）、輪胎壓力檢測系統（Tire Pressure Monitoring System；TPMS）等。

車輛動力學控制系統（Vehicle Dynamic Control；VDC）

VDC是在ABS和TCS的基礎上，增加汽車轉向行駛時橫擺運動的角速度感測器，通過ECU控制各個車輪的驅動力和制動力，確保汽車行駛的橫向穩定性，防止轉向時車輛被推離彎道或從彎道甩出。它綜合了ABS和TCS的功能，用左右兩側車輪制動力之差產生的橫擺力矩來防止出現難以控制的側滑現象。從而使汽車由被動改變性能進入主動進行控制，使駕駛員以正常操作方式即可順利地通過難以駕馭的危險路況。

四輪轉向系統（4WS）

是指使後輪與前輪一起轉向，是一種提高車輛反應性和穩定性的關鍵技術。使後輪與前輪同相位轉向，可以減小車輛轉向時的旋轉運動（橫擺），改善高速行駛的穩定性。使後輪與前輪逆相位轉向，能夠改善車輛中低速行駛的操縱性，提高快速轉向性。

輪胎壓力檢測系統（TPMS）

是在每一個輪胎上安裝高靈敏度的感測器，在行車狀態下即時監視輪胎的各種資料，通過無線方式發射到接收器，並在顯示器上顯示各種資料，任何原因導致的輪胎漏氣與溫度升高（如鐵釘紮入輪胎、氣門蕊漏氣），系統都會自動警示。如此可確保汽車行駛中的安全，並延長輪胎的使用壽命與降低燃油的消耗，是一種真正不同於ABS、安全帶及安全氣囊等現有汽車安全裝備的「事前主動」型安全保護產品。目前，TPMS主要分為兩種類型，一種是Wheel-Speed Based TPMS（WSB TPMS，或間接式TPMS），這種系統是通過汽車ABS系統的輪速感測器來比較車輪之間的轉速差別，以達到監視胎壓的目的。該類型系統的主要缺點是無法對兩個以上的輪胎同時缺氣的狀況和速度超過每小時100公里的情況進行判斷。另一種是Pressure-Sensor Based TPMS（PSB TPMS，或直接式TPMS），這種系統是利用安裝在每一個輪胎裏的壓力感測器來直接測量輪胎的氣壓，並對各輪胎氣壓進行顯示及監視，當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統會自動示警。一般認為PSB TPMS從功能和性能上均優於WSB TPMS。

車身電子控制

汽車車身電子控制技術所涉及的內容很多，如汽車的視野性、方便性、舒適性、娛樂性以及通信功能等。

視野性是指駕駛員在駕駛過程中，不改變操作姿勢時對道路及周圍環境觀察的可見範圍。視野控制技術指的是對汽車照明燈（包括前照燈、鑰匙孔照明燈、車門燈和日光燈）和轉向信號燈的電子控制，以及對電動雨刷、洗滌器和除霜器等的電子控制；方便性除指駕駛員、乘員進出車廂和行李貨物裝卸方便外，還包括對汽車電動門窗、電動門鎖與點火鑰匙鎖、電動後視鏡、電動車頂（天窗）等的控制；車身電控設備主要包括照明系統、自動座椅系統（如存儲式座椅）、自動空調系統、自動雨刷、車窗系統和多媒體系統等。

目前車身電控技術的發展趨勢將進一步滿足使用者個性化的需求；更強調乘座舒適性、安全性和環保性；先進的駕駛和乘座資訊系統，如車輛遙控檢測、智慧型汽車防盜、乘座適應性控制、42V電子系統與環保設計系統等。

電動汽車

隨著傳統引擎汽車的大範圍推廣應用，人們的生活變得日益方便舒適，但同時也引起了一系列的能源與環境問題。混合動力電動汽車以及燃料電池電動汽車，作為解決環境和能源問題的一種切實可行的方案，逐漸得到了世界各大汽車廠商的青睞。這是因為與傳統汽車、純電動汽車技術相比，它們具有以下一些優勢：

隨著Toyota Prius在日本市場的出現和暢銷，混合動力電動汽車以其優良的性能、極高的燃油經濟性和低排放性能引起了汽車界的高度重視。而在燃料電池電動汽車領域，從20世紀90年代初開始，戴姆勒-賓士就先後推出了Necar1至Necar4這一系列的燃料電池電動汽車；美國通用在2003年國際巡迴展北京站中展出的燃料電池原型車“氫動三號”和具備“Hy-by wire”技術的燃料電池概念車已經擁有了更好的動力性和燃油經濟性能。

智慧汽車與智慧交通

智慧汽車是指運行於智慧交通系統中的車輛。智慧交通系統（Intelligent Transportation System；ITS）是指將先進的電子技術、電腦技術、通訊技術及傳感技術等有效的綜合用於“道路－車輛－行人”系統中，並形成整合、高效能的汽車智慧系統。它具有自動控制車速、道路搜尋、自動導航、主動避撞、自動電子收費以及無人駕駛等功能。智慧汽車是今後國內外汽車發展的熱門領域，是未來汽車發展的必經之路。智慧交通系統主要包括以下幾部分內容。

自動避撞系統

利用車輛上的感測器及電腦控制器，即時準確判斷發生碰撞的可能，隨時提醒駕駛人員注意，並在必要時採取緊急措施以避免或減輕碰撞危險。

交通管理系統

為防止由交通事故所引發的二次損失，在儘早發現交通事故、實施相關交通管制的同時，通過車載機或其他資訊提供裝置將交通管制資訊提供給駕駛員。

電子收費系統

解決收費站的堵塞問題，為駕駛員提供更多的便利、減少管理費用，在收費道路的收費站實施無須停車的自動收費。

救援系統

當駕駛員需要緊急服務時（如感覺不適、或發生交通事故），啟用車載設備呼叫救援中心，為駕駛人員提供救援服務。

車載定位、導航系統

將經由路線的堵塞資訊、所需時間、交通管制資訊、停車場的滿空資訊等通過導航系統提供給駕駛員來輔助駕駛汽車。車輛定位及導航系統是ITS環境中駕駛員資訊支援系統的核心設備。其主要功能包括查詢、尋路、導航、行車資訊服務及提供車載娛樂等。

整車控制技術

CAN/LIN通訊

CAN（Controller Area Network）即控制器區域網路，是國際上應用最廣泛的現場匯流排之一。一開始，CAN匯流排被設計作為汽車環境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換資訊，形成汽車電子控制網路。比如在引擎管理系統、變速箱控制器、儀錶裝備和電子主幹系統中，均嵌入CAN控制裝置。CAN匯流排是一種多主方式的串列通訊匯流排，基本設計規範要求有高的位元速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10Km時，CAN匯流排仍可提供高達5Kbps的資料傳輸速率。由於CAN串列通訊匯流排具有這些特性，它很自然地在汽車、製造業以及航空工業中受到廣泛應用。CAN匯流排已被廣泛應用到工業自動化控制系統中。從高速的網路到低價位的多路接線都可以使用CAN匯流排。在汽車電子、自動控制、智慧型大樓、電力系統、保全監控等領域中，CAN匯流排都具有不可比擬的優越性。

LIN（Local Interconnect Network）

LIN（Local Interconnect Network）是一種低成本的串列通訊網路，用於實現汽車中的分散式電子系統控制。LIN的目標是為現有汽車網路（例如CAN匯流排）提供輔助功能。因此，LIN匯流排是一種輔助的串列通訊匯流排網路。在不需要CAN匯流排的頻寬和多功能的場合，比如智慧感測器和制動裝置之間的通訊，使用LIN匯流排可大大節省成本。LIN技術規範中，除定義了基本協定和物理層外，還定義了開發工具和應用軟體介面。LIN通訊是基於SCI（UART）資料格式，採用單主控制器/多從設備的模式，僅使用一根12V信號匯流排，和一個無固定時間基準的節點同步時鐘線。

《圖二　X-By-Wire 技術在汽車上的應用》

X-By-Wire技術在汽車上的應用

X-By-Wire系統主要由三部分組成：控制系統，執行系統以及通訊系統。控制系統的功能是根據駕駛員的想法和車輛行駛狀況，給予系統控制器預備執行的設定值。執行系統的功能是在控制系統的控制下，執行具體的動作（如轉向、煞車等）。通訊系統的功能是執行控制系統和執行系統內部及它們之間的資訊傳輸。

目前，通用在Autonomy上已使用Steer-By-Wire和Brake-By-Wire兩種系統。預計到2010年，40％的歐洲汽車將全部採用X-By-Wire技術。隨著X-By-Wire的發展，Brake-By-Wire、Thrust-By-Wire、Steer-By-Wire以及Shift-By-Wire等By-Wire系統將成為X-By-Wire系統中的各個子系統，它們之間會有一些資料要共用，將有一個更大的通訊系統來實現它們之間的通訊，從而使整個汽車成為一個完全的X-By-Wire系統。

結語

電子技術已經廣泛應用於汽車的各個領域，大大地改善了汽車的綜合性能，使汽車在安全、節能、環保與舒適等各方面都有了更大的進步。目前，汽車電控技術發展的最新動向包括：智慧型控制方法的導入（自適應控制、模糊控制、神經網路控制、魯棒控制與最佳控制等）；控制系統開發方式的革新（車載CAN網路的採用、現代開發工具dSPACE的運用、層次化系統結構和X-By-Wire控制方式開發等）；控制系統單元技術的發展（半導體、多重通訊FDI與故障診斷支援、 ECU軟體發展系統等）。並從而形成了汽車電子技術中資訊處理部分的集中化，控制處理部分的分散化（危險分散、功能分散）等分層控制概念的發展趨勢。（作者任職於中國清華大學汽車工程系）

＜參考文獻：

[1]清華大學汽車工程系，‘汽車電子學光碟’. 2001

[2]舒華、姚國平，‘汽車電子控制技術’，人民交通出版社,2002

[3]吳誥，‘汽車電子控制技術和車內局域網’，電子工業出版社, 2003＞