傳感器在汽車電子控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 Application of Sensor in Automotive Electronic Control System

宋芳 SONG Fang

摘要： 傳感器是汽車電子控制系統(tǒng)的基本組成元件，檢測車輛運(yùn)行時的各種數(shù)據(jù)信息，對汽車功能有著重要的影響。本文先對傳感器進(jìn)行簡單的介紹，并對傳感器在發(fā)動機(jī)、底盤、安全行駛、車載鋰電池等控制系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用分析，最后對傳感器的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

Abstract： Sensor is the basic component of automotive electronic control system. It detects all kinds of data information when the vehicle is running and has an important influence on the function of the vehicle. In this paper， the sensor is briefly introduced， and the sensor in the engine， chassis， safe driving， vehicle-borne lithium battery control system application analysis， finally the development trend of the sensor is forecasted.

關(guān)鍵詞： 傳感器;汽車;電子技術(shù)

Key words： sensor;automobile;electronic technology

中圖分類號：U463.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0211-02

0? 引言

隨著汽車行業(yè)朝向電子化、集成化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，人們對汽車的安全性、舒適性以及個性化的要求越來越高，汽車電子技術(shù)的應(yīng)用不斷增加、日趨復(fù)雜。傳感器在電子控制和自我診斷中是必不可少的裝置，因此，汽車電子技術(shù)應(yīng)用的是否成功很大程度上取決于傳感器。

1? 概述

1.1 汽車電子控制技術(shù)? 汽車電子控制技術(shù)是將電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、智能控制技術(shù)等多學(xué)科知識，廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)控制、底盤控制、故障診斷及無人駕駛等技術(shù)領(lǐng)域。汽車電子控制系統(tǒng)主要由電子控制單元、傳感器和執(zhí)行器構(gòu)成。通過傳感器獲取車輛部件的運(yùn)行狀態(tài)信息，可以有效的提高汽車工作的動力性、經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化駕駛過程中的操控性，確保行駛的安全性，提升乘坐的舒適性等方面全方位的提高整車性能;能夠解決油耗、排放等問題，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境。

1.2 傳感器的定義和分類? 傳感器是一種信號轉(zhuǎn)換裝置，可以將感受到的被測量按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為可用的輸出信號的裝置，以滿足信息的記錄、處理、存儲、顯示、傳遞和控制等要求。在汽車上，傳感器廣泛應(yīng)用于車載鋰電池、發(fā)動機(jī)、底盤和車身等各個電子控制系統(tǒng)中，其主要作用是采集并向電子控制單元（ECU）提供汽車運(yùn)行時的各種信息。傳感器種類很多，按照能量關(guān)系不同，可分為主動型傳感器和被動型傳感器，汽車上主要是用的是被動型，需要外加輸入電源才能產(chǎn)生電信號;按照輸入量的不同，可分為位移傳感器、速度傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、濃度傳感器等等;按照工作原理不同，又可分為電參量式、磁電式、壓點(diǎn)式、光電式等多種形式;按照輸出信號的不同，可以分為模擬式和數(shù)字式兩種;按制造工藝不同，可以分為集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器和陶瓷傳感器。

2? 汽車電子控制系統(tǒng)對傳感器的要求

傳感器是汽車電子控制系統(tǒng)中觸覺系統(tǒng)，它將車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、氣體和液體的壓力、轉(zhuǎn)軸的角度位置等信息轉(zhuǎn)化成電信號，傳遞給汽車控制系統(tǒng)，汽車控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，控制執(zhí)行元件完成正確的操作指令。因此，傳感器是汽車控制系統(tǒng)的重要組成部分，其性能對汽車駕駛的安全性、舒適性有著重要的影響。

車用傳感器應(yīng)滿足以下要求：一是響應(yīng)快，測量精度高。傳感器的需要及時、準(zhǔn)確的反饋數(shù)據(jù)信息，整個控制系統(tǒng)才能快速的針對工況做出反應(yīng)，有效幫助駕駛員做出判斷。一旦響應(yīng)不及時或是誤差過大，將會影響控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，特別在高速行駛過程中，會干擾駕駛員的判斷，造成嚴(yán)重的事故。二是要有較好的環(huán)境適應(yīng)性，穩(wěn)定可靠。車輛在行駛過程中會處于不同的氣候、環(huán)境，溫度、濕度變化較大，各種電磁干擾強(qiáng)弱不同，傳感器都應(yīng)具備良好的適應(yīng)性，能夠穩(wěn)定、可靠的檢測相關(guān)數(shù)據(jù)，為確保車輛的安全行駛提供全面、正確的信息。

3? 傳感器在汽車電子控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 汽車發(fā)動機(jī)控制

3.1.1 電控汽油噴射? 電控汽油噴射系統(tǒng)中使用了大量的傳感器，以確保發(fā)動機(jī)在各種工況下均能實(shí)現(xiàn)最佳空燃比。發(fā)動機(jī)在正常溫度和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，ECU根據(jù)空氣流量傳感器檢測的發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器檢測的速度信號計算出基本噴油量;根據(jù)進(jìn)氣溫度傳感器、發(fā)動機(jī)溫度傳感器提供的溫度信號，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器提供的轉(zhuǎn)速信號，節(jié)氣門位置傳感器檢測的節(jié)氣門開度信號，在氧傳感器所提供的混合氣體空燃比信號的基礎(chǔ)上修正燃油供給量，使得發(fā)動機(jī)在各種工況下具備最佳噴油量，提高發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。

3.1.2 電控點(diǎn)火裝置? 發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，ECU根據(jù)發(fā)動機(jī)各缸的點(diǎn)火順序，在空氣流量傳感器、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器等提供的信號基礎(chǔ)上，判斷發(fā)動機(jī)的工況，實(shí)現(xiàn)基本點(diǎn)火提前角的控制。ECU根據(jù)發(fā)動機(jī)溫度傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、氧傳感器和爆燃傳感器反饋的信號，通過點(diǎn)火時刻閉環(huán)控制系統(tǒng)來調(diào)整點(diǎn)火時刻，使得點(diǎn)火提前角始終保持在最優(yōu)狀態(tài)，從而確保發(fā)動機(jī)獲得最大的輸出功率和轉(zhuǎn)矩，降低油耗、凈化排氣、改善經(jīng)濟(jì)性能。

3.2 汽車底盤控制

3.2.1 電控自動變速器? 電控自動變速器使用節(jié)氣門位置傳感器、車速傳感器等，實(shí)現(xiàn)汽車在行駛中處于最佳檔位，能夠改善換檔質(zhì)量，提升行駛的平穩(wěn)性。在控制過程中，電控自動變速器使用多個轉(zhuǎn)速傳感器，用于換檔時間控制;使用節(jié)氣門位置傳感器信號，用于控制變速器換擋和變矩器鎖止;自動變速器油溫傳感器用于檢測自動變速器的溫度信號，用作換檔、油壓控制和離合器的鎖定控制等。

3.2.2 電控動力轉(zhuǎn)向? 在電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，主要由車速傳感器給ECU輸入信號。若是液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，ECU將控制液壓油的供應(yīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力;若是電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，ECU還將結(jié)合轉(zhuǎn)矩傳感器的輸入信號來確定助力轉(zhuǎn)矩的大小和方向，借助于電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)，將助力轉(zhuǎn)矩加載到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上。

3.2.3 電控懸架? 電控懸掛系統(tǒng)根據(jù)不同的路況，借助車速傳感器、車身高度傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、節(jié)氣門位置傳感器等信息采集裝置采集汽車的行駛速度、路面情況等狀態(tài)信息，由ECU對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，發(fā)出調(diào)整汽車車身高度、懸架的傾斜剛度、減震器阻尼特性等指令，由執(zhí)行器進(jìn)行改善，使汽車行駛平穩(wěn)，提高乘坐的舒適性。

3.3 汽車行駛安全系統(tǒng)

3.3.1 安全氣囊系統(tǒng)

安全氣囊系統(tǒng)由安全氣囊和帶預(yù)緊裝置的安全帶組成。當(dāng)汽車前端發(fā)生高速碰撞時，碰撞傳感器和安全傳感器能夠檢測到汽車突然減速的信號，并判斷出汽車的碰撞強(qiáng)度，以便及時將信號送給安全氣囊控制單元進(jìn)行計算比對，判斷是否彈出安全氣囊。當(dāng)安全氣囊組件接到輸出指令后，在安全帶收緊的同時，快速彈出氣囊，形成一個緩沖軟墊，降低司乘人員受傷程度，起到被動性保護(hù)。

3.3.2 前照燈自動控制系統(tǒng)

前照燈自動控制系統(tǒng)通過安裝在儀表盤上的日照傳感器檢測車外光照的強(qiáng)弱與明暗變化，實(shí)現(xiàn)前照燈自動開關(guān)和自動調(diào)光的控制。前照燈自動開關(guān)根據(jù)車外日光的強(qiáng)弱變化，自動控制前照燈的開啟和閉合。在夜間行車時，根據(jù)環(huán)境燈光的明暗程度以及會車時的燈光干擾，前照燈能夠進(jìn)行遠(yuǎn)近光自動調(diào)節(jié);駕駛員也可手動調(diào)整室內(nèi)控制器，使系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)近光的自動調(diào)節(jié)。

3.4 電動汽車中電池管理系統(tǒng)

目前，電動汽車發(fā)展迅猛，市場潛力巨大。車載蓄電池的性能決定了電動汽車的行駛里程、安全性和經(jīng)濟(jì)性。電池管理系統(tǒng)是用于監(jiān)控、管理、使用電動汽車上的鋰電池，以確保鋰電池可靠工作。該系統(tǒng)主要使用的傳感器有電壓傳感器、電流傳感器、溫濕度傳感器和位置傳感器等。

當(dāng)車載鋰電池滿電時，會產(chǎn)生信號較強(qiáng)的高電壓大電流;當(dāng)電池虧電時，電信號非常微弱。因此，需要使用電壓傳感器采集相關(guān)電信號，常用的有霍爾傳感器、電隔離電壓傳感器、電磁感應(yīng)電壓傳感器、光電隔離電壓傳感器等。為了提高電流數(shù)據(jù)測量的可靠性和精準(zhǔn)度，目前多采用具有自診斷功能的磁通門電流傳感器。為了防止車載電池過度充放電，延長電池使用壽命、提升利用率，需使用溫度傳感器對溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。濕度對車載電池的性能和壽命影響很大，但信息不易撲捉，目前常用電阻式和電容式濕敏元件。系統(tǒng)中還用到位置傳感器對水冷裝置的液面位置進(jìn)行檢測，以便及時調(diào)節(jié)主、副水泵的工作切換。

4? 傳感器的發(fā)展趨勢

4.1 新材料

隨著材料學(xué)科的不斷發(fā)展進(jìn)步，生產(chǎn)工藝的飛速發(fā)展，特種陶瓷、光纖、半導(dǎo)體材料不斷應(yīng)用到傳感器的敏感元件中，使得傳感器的性能和應(yīng)用將會得到進(jìn)一步的擴(kuò)大。例如特種陶瓷，在保持其良好的電磁性能的同時具有很好的耐熱性，適用于高溫環(huán)境;控制半導(dǎo)體材料中氧化物的含量，適用于制造氣體傳感器。

4.2 微型化

半導(dǎo)體集成電路技術(shù)日益成熟，在此技術(shù)上可以將傳感器的敏感元件、信號處理電路、數(shù)據(jù)處理裝置集成到一塊芯片上，這些傳感器的體積小、重量器、功耗低，便于大批量生產(chǎn)，提高了精度、降低了成本，更加適用于汽車電子控制的應(yīng)用。

4.3 多功能化

一個傳感器的檢測信號提供個多個控制單元使用，或者一個傳感器能夠檢測多個數(shù)據(jù)參數(shù)，這樣不僅可以大量減少汽車傳感器的使用數(shù)量，節(jié)約空間，還能提高系統(tǒng)控制的可靠性。因此，傳感器高度整合的多功能性是發(fā)展的必然趨勢。

4.4 智能化

當(dāng)生產(chǎn)工藝不斷發(fā)展，傳感器和大規(guī)模集成電路能夠有效的結(jié)合在一起，形成以中央處理器為核心，具有檢測數(shù)據(jù)、自動診斷和處理信息等功能的智能傳感器。能夠自動分析、判斷的智能傳感器將會快速提升汽車的智能化水平。例如高級駕駛輔助系統(tǒng)，通過不同類型的車用傳感器協(xié)助，可以在車量行駛過程中感應(yīng)周圍環(huán)境，進(jìn)行動靜態(tài)識別，為車輛計算系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的路況數(shù)據(jù)，有效提升汽車駕駛的舒適性和安全性。

5? 結(jié)束語

隨著人們對汽車的安全性、舒適性、環(huán)保性等方面的要求不斷提高，汽車駕駛系統(tǒng)的操控性、智能性有待進(jìn)一步的提升。傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于汽車電子技術(shù)領(lǐng)域，極大影響了汽車的自動化程度。新能源汽車的快速普及、智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的迅猛發(fā)展，都迫切要求傳感器在新材料、新工藝的推動下，朝著更加的多元化、智能化方向快速發(fā)展。因此，研發(fā)企業(yè)要以不斷優(yōu)化傳感器為突破口，迎接汽車行業(yè)發(fā)展的新勢頭。

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