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1、第第0 0章章 绪论绪论0.1 汽车发展面临的问题汽车发展面临的问题 1. 能源问题能源问题 2. 环境保护问题环境保护问题 3. 交通安全问题交通安全问题0.2 汽车电气及电子技术的发展现状汽车电气及电子技术的发展现状0.3 汽车电气系统的特点汽车电气系统的特点0.4 汽车电气及电子系统分类汽车电气及电子系统分类0.5 汽车电气及电子控制技术的发展趋势汽车电气及电子控制技术的发展趋势 1. 能源问题能源问题2121世纪是高科技、高技术的时代，随着汽车工业、国防世纪是高科技、高技术的时代，随着汽车工业、国防工业、化学工业、冶金工业和机械工业高速发展，人类将面临工业、化学工业、冶金工业和机械工业
2、高速发展，人类将面临十分严峻的能源短缺挑战。十分严峻的能源短缺挑战。0.1 0.1 汽车发展面临的问题汽车发展面临的问题 图图0-10-1所示为全球所示为全球可用能源与能源消耗情可用能源与能源消耗情况示意图。可见，全球况示意图。可见，全球石油和煤炭等主要能源石油和煤炭等主要能源在逐年减少，最终必将在逐年减少，最终必将耗尽。因此，能源问题耗尽。因此，能源问题已经成为当今世界上最已经成为当今世界上最受关注的社会问题之一。受关注的社会问题之一。2. 2. 环境保护问题环境保护问题环境保护已经成为人类社会可持续发展战略的核心问环境保护已经成为人类社会可持续发展战略的核心问题。环境保护问题既是影响世界各
3、国能源决策和科技导向题。环境保护问题既是影响世界各国能源决策和科技导向的关键因素，同时也是促进能源科技发展的巨大动力。目的关键因素，同时也是促进能源科技发展的巨大动力。目前的能源体系已无法适应未来社会对高效、清洁、经济、前的能源体系已无法适应未来社会对高效、清洁、经济、安全的能源体系的要求，能源发展正面临着巨大的挑战。安全的能源体系的要求，能源发展正面临着巨大的挑战。3. 3. 交通安全问题交通安全问题据世界卫生组织统计，全世界一年中死于车祸的人数据世界卫生组织统计，全世界一年中死于车祸的人数约为约为100100万人，其中超过万人，其中超过1 1万人的有万人的有1111个国家。我国个国家。我国
4、20022002年年发生道路交通事故发生道路交通事故773137773137次，死亡次，死亡109381109381人，受伤人，受伤562074562074人，经济损失超过人，经济损失超过3333亿人民币，每万辆汽车死亡人数约为亿人民币，每万辆汽车死亡人数约为5353人。人。就目前技术水平而言，解决上述问题的有效途径主要体现在以下几个方面。采用电子控制技术，提高汽车整体性能。采用电子控制技术，提高汽车整体性能。不断实施严格的油耗、排放和安全法规。不断实施严格的油耗、排放和安全法规。开发利用新能源，使用替代燃料。开发利用新能源，使用替代燃料。开发电动汽车和混合动力汽车。开发电动汽车和混合动力汽车
5、。0.2 汽车电气及电子技术的发展现状汽车电气及电子技术的发展现状 电子控制技术的飞速发展和汽车节能、安全、电子控制技术的飞速发展和汽车节能、安全、排放等方面相关法规的建立，是汽车电子控制技术排放等方面相关法规的建立，是汽车电子控制技术形成与发展的两大主要因素。汽车电子控制技术的形成与发展的两大主要因素。汽车电子控制技术的形成和发展过程可分为形成和发展过程可分为3个阶段。个阶段。第一阶段是指20世纪60年代中期至70年代末，是汽车电子控制技术萌芽及初级发展阶段。其主要特点是改善汽车单个零部件的性能，比较有代表性的技术有电子收音机、发电机硅整流器、电压调节器、晶体管无触点电子点火、电子控制燃油喷
6、射等。第二阶段是指20世纪70年代末到90年代中期，是汽车电子控制技术的大发展阶段。这时开始出现具有一定综合性的汽车电子控制系统，大规模集成电路和超大规模集成电路技术的快速发展（导致电子控制装置小型化）和自动控制理论的引入，使得汽车电子控制技术基本成熟，并逐渐向汽车的其他组成部分拓展。这一阶段的代表性技术有发动机电子控制系统、自动变速器、防抱死制动系统、电控悬架、电控转向、电子仪表和影音娱乐设备等。第三阶段是指20世纪90年代中期至今，电子装置成为汽车设计中必不可少的装置。20世纪90年代以后，汽车电子控制技术进入广泛应用阶段，几乎渗透到了汽车的各个组成部分。汽车电子控制技术成为提高和改善汽车
7、性能的主要途径。在此期间，各种控制系统的功能进一步增强，性能更加完善，主要体现在以下几个方面。动力控制方面动力控制方面 在发动机管理系统（Engine Management System，EMS）的基础上，增加了变速器控制功能，扩展为动力传动控制系统（Powertrain Control Module，PCM）。汽车主动安全控制方面汽车主动安全控制方面 在防抱死制动系统（Antilock Brake System, ABS）的基础上，增加了牵引力控制系统（Traction Control System，TCS，也称为TRC）和驱动防滑系统（Acceleration Slip Regulatio
8、n ，ASR）控制功能。车辆稳定性控制方面车辆稳定性控制方面 出现了车辆稳定性控制系统（Vehicle Stable Control，VSC）、强化车辆稳定性系统（Vehicle Stable Enhance，VSE）以及智能悬架控制系统。被动安全控制方面被动安全控制方面 发展了主动安全带和安全气囊的综合控制技术。改善驾驶员劳动强度和保障行车安全方面改善驾驶员劳动强度和保障行车安全方面 在传统巡航控制系统的基础上，开发出智能巡航控制，即自适应巡航控制（Adaptive Cruise Control，ACC），控制内容包括防抱死制动、牵引力控制及车辆稳定性控制等。驾驶员即使没有踩制动踏板，ACC
9、也能在必要的时刻自动完成汽车制动操作，以保证安全。此外，在汽车内部环境的人性化设计、无线网络通信技术、防盗报警系统和车载防撞雷达等电子装置方面，都得到了进一步的开发和应用。以控制器局域网（Controller Area Network，CAN）为代表的数据总线（Data Bus）技术在此期间有了很大的发展。CAN总线将各种汽车电子控制系统连接成车载网络。在车载网络中，各控制装置独立运行，完成各自控制功能。同时，还可以通过通信线为其他控制系统提供数据服务，实现信息共享。以大规模集成电路和控制器局域网为特征的、多学科综合的汽车电气及电子控制技术，是这一阶段的突出特征。0.3 汽车电气系统的特点汽车
10、电气系统的特点图0-2 汽车电气系统1发电机 2调节器 3用电设备 4电流表 5蓄电池 6启动开关 7起动机（1）双电源）双电源 在汽车电气系统中，采用两个电源，即蓄电池和交流发电机。两者相互配合，协同工作，即使是在极端条件下（如发电机损坏，不发电），仅由蓄电池供电，汽车也能行驶一定里程。（2）低电压）低电压 汽车电气系统的额定电压有6V、12V、24V三种。汽油发动机汽车普遍采用12V电源，柴油发动机汽车多采用24V电源，摩托车采用6V电源。对于汽车运行中的实际工作电压，12V系统一般为14V左右，24V系统为28V左右。（3）直流供电）直流供电 现代汽车发动机是靠电力起动机起动的，起动机又
11、需电池供电，而向蓄电池充电又必须用直流电源，所以汽车电气系统采用直流系统。虽然交流发电机发出的是交流电，但经过整流器整流，变成直流电后才供给全车用电。0.3 汽车电气系统的特点汽车电气系统的特点（4）单线制）单线制 单线制也称为单线连接，是汽车电路的突出特点之一，它是指汽车上所有电气设备的正极均采用导线相互连接，而负极则直接或间接通过导线与金属车架或车身的金属部分相连，即搭铁，也称接地。任何一个电路中的电流都是从电源的正极出发，经导线流入用电设备后，再由电气设备或负极导线搭铁，通过车架或车身流回电源负极而形成回路。（5）负极搭铁）负极搭铁 蓄电池的负极接金属车架或金属车身称为负极搭铁。蓄电池的
12、正极接金属车架或金属车身称为正极搭铁。经研究表明，采用负极搭铁对车架或车身金属的化学腐蚀较轻，对无线电干扰小，且对点火系统的点火电压要求也低，更有利于火花塞跳火。因此，目前包括我国在内的所有国家都已经规定汽车电路统一采用负极搭铁。0.3 汽车电气系统的特点汽车电气系统的特点（6）并联连接）并联连接 各用电设备均采用并联连接，汽车上的两个电源（蓄电池与发电机）之间以及所有用电设备之间，都是正极接正极，负极接负极，并联连接。由于采用并联连接，所以汽车在使用中，当某一支路用电设备损坏时，并不影响其他支路用电设备的正常工作。（7）设有保险装置）设有保险装置 为了防止因电源短路（火线搭接）或电路过载而烧
13、坏线束，电路中一般都设有保护装置，如熔断器（短路保护）、易熔线（过载保护）等。（8）低压导线有颜色和编号特征）低压导线有颜色和编号特征 为了方便区别各电路的连接，汽车所有低压导线必须选用不同颜色的单色或双色线，并在每根导线上编号，编号由生产厂家统一规定。0.3 汽车电气系统的特点汽车电气系统的特点 （9）由相对独立的子系统组成）由相对独立的子系统组成 全车电路一般包括以下几个电路系统。电源电路。由蓄电池、发电机、电压调节器及工作状况指示装置（如电流表、充电指示灯）等组成。起动电路。由起动机、起动继电器、起动开关及起动保护装置等组成。点火电路。由点火线圈、分电器、电子点火器、火花塞、点火开关等组
14、成。照明信号电路。由前照灯、雾灯、示宽灯、转向灯、制动灯、倒车灯、电喇叭及控制继电器和开关等组成。仪表报警电路。由仪表、传感器、各种报警灯、指示灯及控制器等组成。在高端车上，仪表报警已经发展成为仪表信息系统。辅助装置电路。由为提高车辆安全性、舒适性、经济性等各种功能的电气系统组成。因车型不同差异较大，一般包括风窗刮水清洗系统、风窗除霜防雾系统、音响系统、车窗电动升降系统、电动坐椅调节系统及中央电控门锁等。0.3 汽车电气系统的特点汽车电气系统的特点汽车电气及电子系统可分为汽车电气系统和汽汽车电气及电子系统可分为汽车电气系统和汽车电子控制系统两大部分。车电子控制系统两大部分。0.4.1 0.4.
15、1 汽车电气系统汽车电气系统汽车电气系统主要由供电系统、用电设备、检汽车电气系统主要由供电系统、用电设备、检查系统和配电系统四部分组成。查系统和配电系统四部分组成。1.供电系统供电系统包括蓄电池、发电机及其调节器和其他能源提供设备等。发电机是主电源，蓄电池是辅助电源。发电机与蓄电池并联工作。发电机配有电压调节器，其主要作用是在发电机转速和负荷变化时，自动调节发电机电压，使之保持稳定。0.4 汽车电气及电子系统分类汽车电气及电子系统分类0.4.1 0.4.1 汽车电气系统汽车电气系统 2.2.用电设备用电设备（1 1）起动系统）起动系统 主要指起动机，其任务是起动发动机。（2 2）电子点火系统）
16、电子点火系统 包括电子点火系统的全部组件，其作用是产生高压电火花，点燃汽油发动机气缸内的可燃混合气。（3 3）照明与显示系统）照明与显示系统 包括车内外各种照明灯以及保证夜间安全行车所必需的灯光，其中以前照灯最为重要。电子仪表为驾驶员提供汽车行驶时最基本的操作信息，如车速、发动机转速、机油温度、冷却液温度、行驶里程等（4 4）信号系统）信号系统 包括喇叭、闪光器、蜂鸣器及各种信号灯，主要用来保证车辆运行时的人车安全。（5 5）附属电器设备）附属电器设备 包括电动刮水器电动机、风窗洗涤电动泵式喷水器、玻璃升降电动机、座椅调节电动机、音响设备、喇叭、防盗报警装置的报警喇叭、灯光以及点烟器、倒车雷达
17、等。0.4 汽车电气及电子系统分类汽车电气及电子系统分类0.4.1 0.4.1 汽车电气系统汽车电气系统3.3.检测系统检测系统包括各种电器检测仪表和检测传感器，如电流表、电压表、机油压力表、温度表、燃油表、车速里程表、发动机转速表和自检系统，用来监视发动机和其他系统的工作情况。4.4.配电系统配电系统包括中央配电盒、电路开关、保险装置、插接器和导线等。0.4 汽车电气及电子系统分类汽车电气及电子系统分类0.4.2 0.4.2 汽车电子控制系统汽车电子控制系统根据汽车的总体结构，汽车电子控制系统分为根据汽车的总体结构，汽车电子控制系统分为发动机电子控制系统、底盘电子控制系统和车身电发动机电子控
18、制系统、底盘电子控制系统和车身电子控制系统三个部分。子控制系统三个部分。1.1.发动机电子控制系统发动机电子控制系统发动机电子控制系统包括燃料喷射控制、点火时间控制、怠速运转控制、排气再循环控制、发动机爆燃控制、减速性能控制以及自诊断系统、后备系统等。发动机电子控制系统能最大限度地提高发动机的动力性，改善发动机运行的经济性，同时尽可能降低汽车尾气中有害物质的排放量。0.4 汽车电气及电子系统分类汽车电气及电子系统分类0.4.2 0.4.2 汽车电子控制系统汽车电子控制系统1.1.发动机电子控制系统发动机电子控制系统（1）发动机燃油喷射控制系统）发动机燃油喷射控制系统 能够随时根据检测到的发动机
19、基本负荷状态、冷却液温度、进气温度、进气量、节气门位置、发动机转速、汽车速度以及空调负荷等情况，通过电子控制单元确定最适宜的燃油喷射量和喷射时刻，以获得尽量低的燃油消耗率、良好的工作稳定性、适应性和排放性能。（2）最佳点火提前角控制系统）最佳点火提前角控制系统 使发动机在不同转速和进气量等条件下，实现最佳点火提前角，使发动机产生最大的功率或转矩，同时将油耗和排放降到最低限度。该系统分为开环和闭环控制两种方式，闭环是在开环的基础上，增加1个爆燃传感器进行反馈控制。0.4 汽车电气及电子系统分类汽车电气及电子系统分类0.4.2 0.4.2 汽车电子控制系统汽车电子控制系统1.1.发动机电子控制系统
20、发动机电子控制系统（3）最佳空燃比控制系统）最佳空燃比控制系统 通过有效地控制可燃混合气空燃比，使发动机在各种工况及有关因素的影响下，空燃比达到在最佳值，从而实现提高功率、降低油耗、减少排气污染等功效。该系统也有开环和闭环两种方式，闭环控制是在开环控制的基础上，在一定条件下，由电子控制单元根据氧传感器检测的混合气（空燃比）信号，修正燃油供给量，使混合气空燃比保持在理想状态。（4）废弃再循环系统（）废弃再循环系统（EGR） 将一部分排气废气引入进气侧的新鲜混合气中，以抑制发动机有害气体（氮氧化合物NOX）生成。该系统能根据发动机的工况，适时地调节排气再循环的流量，以减少排气中的有害气体NOX。这
21、是一种排气净化的有效手段。0.4 汽车电气及电子系统分类汽车电气及电子系统分类0.4.2 0.4.2 汽车电子控制系统汽车电子控制系统1.1.发动机电子控制系统发动机电子控制系统（5）怠速控制系统（）怠速控制系统（ISC） 根据发动机冷却液温度及其他有关参数（如空调开关信号、动力转向开关信号等），使发动机的怠速处于最佳状态。除上述电子控制系统外，在发动机部分实现电子控制的系统还涉及电动燃油泵、发电机输出、冷却风扇、发动机排量、节气门正时、二次空气喷射、发动机增压、油气蒸发及系统自诊断等，这些电子控制系统在不同类型的汽车上得到或多或少的采用。0.4 汽车电气及电子系统分类汽车电气及电子系统分类0
22、.4.2 0.4.2 汽车电子控制系统汽车电子控制系统2.底盘电子控制系统底盘电子控制系统底盘电子控制系统包括防抱死制动控制、牵引力控制、变速器电子控制、悬架控制、动力转向控制、四轮转向控制等。（1）汽车）汽车ABS和和TRC ABS可以防止汽车制动时车轮被抱死而产生侧滑，提高车辆的行驶稳定性和操纵性。TRC是用来防止汽车起步和加速时驱动轮打滑，从而使车辆在起步或加速时的操纵性和稳定性处于最佳状态。（2）变速器电子控制）变速器电子控制 通过对节气门开度和车速的检测，由微机根据换档特性和换档规律，精确控制变速比，使其达到最佳档位。它与机械系统比较，动力传动精度提高，控制机构更加简单，并且能够改善
23、汽车的燃油经济性和操纵性，提高变速器的传动效率。0.4 汽车电气及电子系统分类汽车电气及电子系统分类0.4.2 0.4.2 汽车电子控制系统汽车电子控制系统2.底盘电子控制系统底盘电子控制系统（3）悬架控制）悬架控制 根据不同的路面状况和车辆运行工况，自动控制车身高度，及时改变悬架的刚度和阻尼，以提高汽车行驶稳定性和平顺性。（4）动力转向控制）动力转向控制 根据车速、转向角、转矩等传感器信号，自动控制施加在转向盘上的转向力，使汽车在停车或低速行驶时转动转向盘所需的力减小，而汽车在高速行驶时所需的力增大，即在各种行驶条件下实现转向盘所需的力都是最佳值。（5）四轮转向控制）四轮转向控制 它可以使驾
24、驶人能对汽车前后四个车轮进行转向操纵，改善车辆行驶时转向的灵活性，提高高速行驶时的稳定性和可控制性。0.4 汽车电气及电子系统分类汽车电气及电子系统分类0.4.2 0.4.2 汽车电子控制系统汽车电子控制系统3.车身电子控制系统车身电子控制系统车身电子控制系统包括车用空调控制、车辆信息显示、风窗玻璃的刮水器控制、灯光控制、汽车门锁控制、电动车窗与电动后视镜控制、电动座椅控制、安全气囊与安全带控制、防盗与防撞安全系统、巡航控制系统、汽车音响系统控制、车内噪声与通风控制以及汽车内部和汽车与外界进行信息传输的各种系统和设备（如多路信息传输、汽车导航、蜂窝式移动电话）等。0.4 汽车电气及电子系统分类
25、汽车电气及电子系统分类1. 控制系统集成化控制系统集成化将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）；将防抱死制动控制系统（ABS）、牵引力控制系统（TRC）和防滑控制系统（ASR）综合在一起进行制动控制；通过中央底盘控制器，将制动、悬架、转向、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，将车辆行驶性能控制到最佳水平，形成一体化底盘控制系统（Unified Chassis Control，UCC）。0.5 汽车电气及电子控制技术的发展趋势汽车电气及电子控制技术的发展趋势2 . 信息传输网络化信息传输网络化由于汽车上电子装置数量
26、急剧增多，为了减少连接导线的数量，网络、总线技术有了很大的发展。如使用了网络，简化了布线，减少了电气节点的数量和导线的用量，同时也增加了信息传送的可靠性。利用总线技术将汽车上各种电控单元、智能传感器、智能仪表等连接起来，从而构成汽车内部的控制器局域网，实现各系统间的信息资源共享。0.5 汽车电气及电子控制技术的发展趋势汽车电气及电子控制技术的发展趋势3 . 汽车与交通智能化汽车与交通智能化智能汽车（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，它集中运用了计算机、传感、信息融合、通信、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。
27、智能汽车装备有多种传感器，能够充分感知驾车人和乘客的状况、交通设施和周边环境的信息，判断乘员是否处于最佳状态，车辆和人是否会发生危险，并及时采取应对措施。0.5 汽车电气及电子控制技术的发展趋势汽车电气及电子控制技术的发展趋势3 . 汽车与交通智能化汽车与交通智能化汽车智能化还表现在汽车由交通工具到移动空间的转变上。利用微机操作系统开发的车载计算机多媒体系统，具有信息处理、通信、导航、防盗、语言识别、图像显示和娱乐等功能。智能交通系统（Intelligent Transportation System，ITS）是将信息、通信、传感、控制以及计算机技术等有机集成，运用于整个交通运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输管理系统。智能汽车与智能交通系统的发展是相辅相成的，汽车与交通智能化代表着未来汽车和未来交通系统的发展方向。0.5 汽车电气及电子控制技术的发展趋势汽车电气及电子控制技术的发展趋势作业与思考题作业与思考题1. 简述汽车发展面临的问题什么？2. 说明汽车电气系统的特点有哪些？3. 简述汽车电气系统包括哪些？4. 论述发动机控制系统的控制内容。5. 论述底盘及车身控制系统的控制内容。
