汽車電子開關(guān)發(fā)展趨勢研究

黃慶達(dá)，張立新，范文博，郭慶鐵，楊通亮

（溫州長江汽車電子有限公司，浙江 溫州 325000）

1 前言

汽車電子開關(guān)一般是指安裝在汽車上，用于控制汽車電子電器開啟、關(guān)閉或工作狀態(tài)的控制器件[1]，是駕乘人員操縱汽車的最直接器件。隨著信息技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展和快速普及，汽車電子技術(shù)日新月異，現(xiàn)在的汽車已經(jīng)不僅僅滿足于代步的基本功能，而是逐步演變?yōu)橐粋€集信息交互和娛樂于一體的智能化多功能終端[2]。

目前，汽車電子開關(guān)主要集中在五大區(qū)域[3-5]，如圖1所示，分別為中控臺區(qū)域（含空調(diào)面板、娛樂面板、電子排擋、輔助駕駛功能開關(guān)等），方向盤區(qū)域（含方向盤開關(guān)、換擋撥片、組合開關(guān)、時鐘彈簧等），儀表板區(qū)域（含燈光調(diào)節(jié)開關(guān)、一鍵啟動開關(guān)、后備廂開啟開關(guān)等），門板區(qū)域（含電動窗開關(guān)、后視鏡開關(guān)、中控鎖開關(guān)、座椅記憶開關(guān)等），頂棚區(qū)域（含閱讀燈開關(guān)、天窗開關(guān)等）。本文將分別對這五個區(qū)域開關(guān)類型的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析和總結(jié)，探究其發(fā)展動向和趨勢，為汽車行業(yè)從業(yè)者推動汽車電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)更好發(fā)展提供借鑒。

圖1 汽車內(nèi)部開關(guān)區(qū)域分布

2 中控臺區(qū)域

中控臺區(qū)域包含了空調(diào)、娛樂以及各類輔助駕駛功能，是人車交互最主要也是最集中的區(qū)域之一。隨著近年來互聯(lián)網(wǎng)汽車的快速發(fā)展和“萬物互聯(lián)”的概念普及，位于汽車中控臺區(qū)域的開關(guān)也發(fā)生了重大革新，逐步發(fā)展為智能座艙（圖2）一體化的解決方案。

圖2 智能座艙概念圖

2.1 空調(diào)面板和娛樂面板

傳統(tǒng)的空調(diào)面板和娛樂面板為多個物理按鍵，將按鍵、旋鈕等開關(guān)形式組合成一個大面板，零件表面多以噴涂或電鍍工藝為主。此類面板零件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于操作，同時按鍵的密集排布不能很好地給消費者在美學(xué)上的感官享受。借著汽車電子技術(shù)快速發(fā)展的東風(fēng)，空調(diào)面板和娛樂面板也逐步往觸控化方向發(fā)展，目前市場上大部分車型已經(jīng)采用電容觸摸方案，同時外觀多采用IML死黑工藝效果，展現(xiàn)了更為豐富的操作體驗。

此外，隨著新勢力造車的入局，新能源汽車規(guī)模逐漸壯大，布置在中控臺區(qū)域的空調(diào)面板、娛樂面板以及其他輔助駕駛功能的開關(guān)多被集成為中控觸摸大屏，取消了物理按鍵，把全部功能集成在觸摸屏上[6-9]。發(fā)展迅猛的觸摸大屏不僅能在車上顯示豐富的色彩和資訊信息，同時其突破了傳統(tǒng)機(jī)械物理開關(guān)的操作方式，給行業(yè)消費者帶來高科技感的體驗。

隨著觸摸大屏技術(shù)的普及推廣以及制造工藝的成本優(yōu)化，未來的中控臺區(qū)域開關(guān)的發(fā)展會越來越高度集成化，多以12.3寸或以上的雙聯(lián)和多聯(lián)屏互動為主，基本取消物理按鍵；外觀以2.5D或3D玻璃、復(fù)合板、IML等復(fù)雜工藝呈現(xiàn)，并與內(nèi)飾更加無縫融合；觸摸感知得到更為廣泛的應(yīng)用，包括振動反饋、聲音反饋、壓力反饋等，同時支持語音、手勢、凝視識別與頭部姿態(tài)識別等智能人車交互方式[10]。如圖3所示。

圖3 面板發(fā)展趨勢

2.2 電子換擋開關(guān)

對于傳統(tǒng)的燃油車，使用擋桿結(jié)構(gòu)對變速器實現(xiàn)換擋功能是汽車不可或缺的一部分。在以往產(chǎn)品中，大多使用機(jī)械擋桿和拉索線路進(jìn)行汽車行駛過程中擋位的變換。

電子換擋開關(guān)的出現(xiàn)則重新定義了這一類開關(guān)，推動換擋開關(guān)邁向電子化、智能化階段。電子換擋開關(guān)也叫電子換擋器或線控?fù)Q擋器（shift-by-wire），替代傳統(tǒng)的機(jī)械擋桿（圖4）及復(fù)雜的拉索線路，通過CAN/LIN通信等協(xié)議或PWM等，發(fā)送擋桿操作信息提供給TCU（VCU），實現(xiàn)換擋功能。

圖4 傳統(tǒng)機(jī)械式檔桿

電子換擋開關(guān)具有操作行程小、產(chǎn)品耐用好、結(jié)構(gòu)輕量化、裝車簡便化等優(yōu)點，在汽車上的應(yīng)用日益廣泛。目前主流的電子換擋開關(guān)形式有排擋式、旋鈕式、按鍵式、懷擋式等4類（圖5），各主機(jī)廠根據(jù)車型定位不同、目標(biāo)用戶不同來進(jìn)行選擇。

圖5 不同類型電子換擋開關(guān)

隨著變速器與執(zhí)行器的整合，汽車電控自動技術(shù)的提升以及新能源汽車的普及推廣，未來的電子排擋將會更多采用霍爾感應(yīng)、電渦流等非接觸技術(shù)實現(xiàn)功能信號的采集，極大地增加功能可靠性；人機(jī)界面控制向非接觸方向和接觸操作隱藏的方向發(fā)展，以實現(xiàn)自動駕駛的切換動態(tài)感；增加觸摸振動反饋、指紋感應(yīng)等人車交互方式；采用IML、水晶、智能表面等表面工藝，外觀設(shè)計更加大膽多樣。

3 方向盤區(qū)域

方向盤區(qū)域是操縱汽車的最直接區(qū)域和核心區(qū)域。經(jīng)過多年的發(fā)展，方向盤開關(guān)除了基本的轉(zhuǎn)向操縱功能以外，還集成了喇叭、安全氣囊、方向盤開關(guān)、換擋撥片、組合開關(guān)等多種電子電器開關(guān)，緊密結(jié)合了駕駛員的駕乘安全性和操作舒適性，實現(xiàn)人車交互的高度互動。

3.1 方向盤開關(guān)

方向盤開關(guān)安裝在雙手握緊方向盤后拇指能直接觸碰操作的區(qū)域，是車上被觸摸和操作最多的電子部件之一，也是體現(xiàn)汽車自動化、智能化發(fā)展的重要部件[11]。目前主流的方向盤開關(guān)主要集成了娛樂音響、儀表菜單、巡航駕駛、藍(lán)牙電話等多種功能，稱得上是“麻雀雖小，五臟俱全”。

常規(guī)的方向盤開關(guān)主要以機(jī)械式按鍵為主，同時輔助以撥桿、滾輪等結(jié)構(gòu)形式，通過導(dǎo)電橡膠、微動開關(guān)等實現(xiàn)電性能的導(dǎo)通；外觀多為噴涂、符號鐳雕以及電鍍等工藝。近年來，方向盤開關(guān)也開始逐步向觸控化、智能化方向發(fā)展，操作方式采用觸控式方案，以電容觸摸或者壓力感應(yīng)等信號實現(xiàn)開關(guān)功能，輕觸操作，舒適便捷；外觀多為IML為主的觸摸蓋板，提升產(chǎn)品科技感。如圖6所示。

圖6 觸摸式方向盤開關(guān)

3.2 組合開關(guān)

汽車組合開關(guān)是指安裝在轉(zhuǎn)向管柱上由兩個以上用以控制汽車的燈光、信號、操縱電器等部件的開關(guān)組成的裝置[12]。

組合開關(guān)主要有燈光控制和雨刮控制功能，其中燈光控制功能包含變光開關(guān)、轉(zhuǎn)向燈開關(guān)、燈光總開關(guān)、霧燈開關(guān)等；雨刮控制功能包括雨刮器開關(guān)、洗滌器開關(guān)等。

車燈控制系統(tǒng)可根據(jù)光傳感器檢測到的車外天氣光亮情況，負(fù)責(zé)自動地將汽車的前后照明燈接通或切斷，以提高汽車使用的便利性和行駛安全性，還可以將有關(guān)照明狀態(tài)的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到各個模塊，使各模塊通過對照明狀態(tài)的判斷來進(jìn)行各自系統(tǒng)相關(guān)的控制（如背光調(diào)節(jié)）。

隨著各類智能傳感器的應(yīng)用，如智能燈控、智能雨刮等，組合開關(guān)經(jīng)歷著重大創(chuàng)新和變革，集成時鐘彈簧、角度傳感器、EPB電子駐車開關(guān)以及懷擋等功能，實現(xiàn)功能多樣化和集成化；手柄外觀也由原來簡單的注塑紋理增加電鍍、噴漆工藝，部分產(chǎn)品使用IML工藝、采用環(huán)境光圈等。圖7為帶懷擋、時鐘彈簧的組合開關(guān)。

圖7 帶懷擋、時鐘彈簧的組合開關(guān)

4 儀表板區(qū)域

這里的儀表板區(qū)域開關(guān)主要指位于汽車儀表板下方，即方向盤左下側(cè)區(qū)域及右下側(cè)區(qū)域。其中，方向盤左下側(cè)區(qū)域一般會設(shè)計和布置燈光調(diào)節(jié)類開關(guān)、EPB電子手剎開關(guān)、后備廂開啟/關(guān)閉開關(guān)以及其他輔助駕駛類開關(guān)，如ESC車身穩(wěn)定開關(guān)、ESO節(jié)能開關(guān)等；而一鍵啟動開關(guān)則大多數(shù)放置在方向盤右下側(cè)區(qū)域。

傳統(tǒng)的儀表板區(qū)域開關(guān)通過機(jī)械物理操作實現(xiàn)，由多個單按鍵的獨立開關(guān)排列組合而成或者是由多個按鍵集成在一個開關(guān)總成上。其中除了燈光調(diào)節(jié)開關(guān)大多采用滾輪式結(jié)構(gòu)，其余大多是Push按鍵類結(jié)構(gòu)形式。

近年來，由于智能座艙系統(tǒng)發(fā)展的日新月異，儀表板區(qū)域的開關(guān)也發(fā)生了重大的變革和創(chuàng)新。首先體現(xiàn)在操作形式的創(chuàng)新上，采用了發(fā)展成熟的觸控技術(shù)和接近感應(yīng)技術(shù)，當(dāng)手指靠近時所有符號背光點亮以方便乘員識別，同時還搭配有壓力感應(yīng)、振動反饋、聲音反饋等技術(shù)，個別車型的一鍵啟動開關(guān)具有指紋識別功能，實現(xiàn)更豐富的操作體驗及個性化；其次是表面裝飾技術(shù)的創(chuàng)新，IML、IMR等模內(nèi)裝飾技術(shù)越發(fā)普及，實現(xiàn)開關(guān)與儀表板形成視覺上的一體，一鍵啟動開關(guān)表面設(shè)計3D紋理、水晶玻璃等效果，凸顯科技感。圖8為觸摸式前照燈開關(guān)。

圖8 觸摸式前照燈開關(guān)

5 頂棚區(qū)域

頂棚區(qū)域主要包括頂燈開關(guān)、天窗開關(guān)、卷簾開關(guān)、SOS開關(guān)以及眼鏡放置盒等，也是觸控化發(fā)展的區(qū)域之一。傳統(tǒng)的機(jī)械物理按鍵結(jié)構(gòu)，在使用較長時間后會形成一定的機(jī)械損傷，影響操作手感，甚至影響功能；此外，機(jī)械按鈕占據(jù)空間較大，也會給開關(guān)的造型設(shè)計帶來一定局限性[13-14]。目前市面上汽車已經(jīng)開始普及觸控式頂燈開關(guān)（圖9），整合了頂棚區(qū)域的控制模塊，如閱讀燈開關(guān)、天窗開關(guān)、卷簾開關(guān)、SOS開關(guān)等。該類型頂燈開關(guān)可以通過觸摸LENS上的符號實現(xiàn)頂燈的開閉，且長按可以實現(xiàn)閱讀燈亮度的調(diào)節(jié)和不同照明模式的選擇，同時設(shè)計滑條功能，當(dāng)滑動滑條時實現(xiàn)天窗或者卷簾的開閉，提升人車交互體驗。

圖9 觸摸式頂燈開關(guān)

6 門板區(qū)域

門板區(qū)域主要為安裝在門板上的開關(guān)，一般包括電動窗開關(guān)、后視鏡調(diào)節(jié)開關(guān)、中控鎖開關(guān)以及座椅記憶開關(guān)等。由于駕駛員習(xí)慣于在駕駛過程中通過“盲操”電動窗開關(guān)，實現(xiàn)車窗玻璃的升降，所以車企在電動窗開關(guān)的規(guī)劃中，控制玻璃升降的按鈕仍維持著拉鉤式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以方便駕乘人員操作。此外，其余如后視鏡調(diào)節(jié)開關(guān)、中控鎖開關(guān)、門鎖開關(guān)、童鎖開關(guān)等產(chǎn)品則發(fā)生了很大的變化，大多與電動窗開關(guān)集成一體，且由傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)展為觸控式結(jié)構(gòu)。其中，后視鏡調(diào)節(jié)開關(guān)會采用新型的霍爾芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的觸片結(jié)構(gòu)，增加操作的靈敏度和可靠性。圖10為觸摸式電動窗開關(guān)。

圖10 觸摸式電動窗開關(guān)

7 總結(jié)

通過車內(nèi)不同區(qū)域各類開關(guān)的分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)隨著汽車智能化、自動化的發(fā)展，觸摸控制、接近感應(yīng)、壓力感應(yīng)、振動反饋、聲音反饋、紅外感應(yīng)、指紋識別、手勢識別、語言交互等技術(shù)在汽車電子開關(guān)上的應(yīng)用越來越廣泛和普遍，實現(xiàn)更為豐富的操作體驗。要想在競爭日趨激烈的汽車市場上站穩(wěn)腳跟，需要不斷地創(chuàng)新和發(fā)展現(xiàn)代汽車電子技術(shù)，將各類創(chuàng)新技術(shù)融合在汽車電子開關(guān)中，增加開關(guān)的產(chǎn)品力和競爭力，推動我國汽車電子的系統(tǒng)化、智能化、自動化發(fā)展。