1.1.1 汽車電控系統的歷史

汽車電控系統的萌芽源自于汽車點火系統和起動系統的發(fā)展。1876年，德國工程師奧托發(fā)明了汽油機，由于發(fā)動機的點火方式是火焰點火，所以汽油機運行得非常不穩(wěn)定。1902年，德國人羅伯特·博世發(fā)明了高壓磁電機和火花塞點火系統，并成功商業(yè)化。一直到今天，高壓磁電機及火花塞一直都在汽車上使用。最初的電控系統，只是卡爾·本茨設計的由點火線圈和蓄電池所組成的點火裝置，在隨后生產的汽車中又增設了前照燈和發(fā)動機起動電機這類設備，如圖1-2所示。

汽車電控技術萌芽階段的另一個推動因素則是汽車的另一個重要應用——起動機，起動機發(fā)明的背后有著一個感人的故事。據傳，最早的汽車是通過用手搖動搖柄的方式來起動的，一位英國紳士在幫助一位汽車半路熄火的女士起動汽車時，起動桿突然反轉打到了這位紳士的頭部導致他不幸逝世。而這位紳士正是當時通用汽車的總裁詹姆斯·J.斯托若的好友，詹姆斯·J.斯托若在聽聞這個噩耗后十分痛心，同時也萌生了發(fā)明汽車起動機的想法。于是一場針對自動起動裝置的攻堅戰(zhàn)在通用汽車集團打響，很快就確定了起動機的工作方式為由電能轉化為推動飛輪旋轉的機械能。最終在1911年，第一款應用電動起動機技術的凱迪拉克Type-53型汽車問世，標志著汽車電器進入了一個發(fā)展高潮。圖1-3所示為起動機的發(fā)展歷史。

1.汽車電控技術的起源階段

20世紀30~50年代，真正的汽車電子技術才開始應用于汽車上。20世紀30年代早期，轎車上安裝了真空電子管收音機。但是由于電子管收音機具有不抗振、體積大、耗電多等弊病，成為在汽車上推廣應用的主要障礙，不過在汽車中安裝收音機的設想始終沒有消失。

1948年晶體管的發(fā)明及1958年第一塊集成電路（Integrated Circuit，IC）的出現才真正開創(chuàng)了汽車電子技術的新紀元。1955年晶體管收音機問世后，采用晶體管收音機的汽車迅速增加，并作為標準部件安裝在德國大眾汽車上。從20世紀60年代起，轎車中開始使用半導體元器件。在汽車中首先使用的半導體元件是硅二極管，作為功率晶體管來替代原有的如電壓調節(jié)器之類的電磁接觸器等元器件。功率晶體管元件的應用極大地改善了汽車的性能和可靠性。這一階段汽車電控的功能應用在照明系統、低壓供電電源、晶體管收音機以及汽車空調等基礎功能上，20世紀30~50年代電控技術的發(fā)展如圖1-4所示。

2.汽車電控技術的初步發(fā)展階段

20世紀60年代是汽車電控技術的活躍階段，人們開始對汽車發(fā)動機周圍零部件的電子化進行研究。1967年，工程師首次將集成電路元件應用在汽車中。在同一年代，美國的克萊斯勒公司在其生產的汽車中配置了電子點火裝置，而德國的博世（BOSCH）公司則率先開發(fā)出電子燃油噴射裝置。這一階段的電控系統的主要功能有交流發(fā)電機控制、電壓調節(jié)控制、電子閃光器、電子喇叭、間歇刮水器、電子點火控制等。20世紀60年代汽車電控技術的發(fā)展如圖1-5所示。

3.汽車電控技術的快速發(fā)展階段

20世紀70年代，汽車電控技術進入了快速發(fā)展階段，以集成電路和16位及16位以下的微處理器在汽車上的應用為標志。這期間最具代表性的成就是電子汽油噴射裝置（Electronic Fuel Injection，EFI）的發(fā)展和制動防抱死（Antilock Braking System，ABS）技術的成熟，使得汽車的主要機械功能用電子技術來控制。

ABS技術于1968年開始研究并應用于汽車上。1975年，隨著美國聯邦機動車安全標準121款的通過，許多重型載貨車和公共汽車裝備了ABS，但由于制動系統的許多技術問題和載貨車行業(yè)的反對，1978年，這一標準被撤銷。同年，博世作為世界上首家推出具有電子控制功能的ABS的公司，將這套ABS 2系統開始作為選配配置安裝在車輛上，并裝配在梅賽德斯-奔馳S級車上，然后很快又配備在了寶馬7系列豪華轎車上。

1967年，德國博世公司成功研制出K-Jetronic機械式汽油噴射系統，進而成功開發(fā)出增加了電子控制系統的KE-Jetronic機電結合式汽油噴射系統，使該技術得到進一步的發(fā)展。1967年，德國博世公司率先開發(fā)出一套D-Jetronic全電子汽油噴射系統并應用于汽車上，于20世紀70年代首次批量生產。它是為汽油發(fā)動機取消化油器而采用的一種先進的噴油裝置，從汽油機上普及電控汽油噴射技術，汽油機混合氣形成過程中，液體燃料的霧化得到改善，更重要的是可以根據工況的變化精確地控制燃油噴射量，使燃燒更充分，從而提高功率，降低油耗，并在當時率先達到了美國加利福尼亞州廢氣排放法規(guī)的要求，開創(chuàng)了汽油噴射系統電子控制的新時代。

1973年，在D型汽油噴射系統的基礎上，博世公司開發(fā)了質量流量控制的L-Jetronic型電控汽油噴射系統。之后，L型電控汽油噴射系統又進一步發(fā)展成為LH-Jetronic系統，后者既可精確測量進氣質量，補償大氣壓力，又可降低溫度變化的影響，而且進氣阻力進一步減小，使響應速度更快，性能更加卓越。

1979年，德國博世公司開始生產集電子點火和電控汽油噴射裝置于一體的Motronic數字式發(fā)動機綜合控制系統，它能對空燃比、點火時刻、怠速轉速和排氣再循環(huán)等方面進行綜合控制。為了降低汽油噴射系統的價格，從而進一步推廣電控汽油噴射系統，1980年，美國通用公司（General Motors，GM）首先研制成功一種結構簡單、價格低廉的節(jié)流閥體噴射（Throttle-Body Injection，TBI）系統，它開創(chuàng)了數字式計算機發(fā)動機控制的新時代。TBI系統是一種低壓燃油噴射系統，它控制精確，結構簡單，是一種成本效益較好的供油裝置。并且隨著排放法規(guī)的不斷完善，這種物美價廉的系統大有取代傳統式化油器的趨勢。博世公司的ABS和燃油噴射系統如圖1-6所示。

除了這些代表性的技術突破，20世紀70年代，汽車電子控制技術還有眾多成就，例如自動門鎖、遙控駕駛、高速警告系統、自動燈光系統、自動除霜控制、空氣懸架電子控制、撞車預警控制、自動巡航控制、電子變速器、閉環(huán)排氣系統等汽車電子控制系統都在這一時間段里開始了驗證與設計。20世紀七八十年代汽車電控技術的發(fā)展如圖1-7所示。

4.汽車電子控制技術的成熟階段

20世紀80年代以后，汽車電子控制產品研制與開發(fā)的競爭十分激烈，同時微電腦在汽車上的應用日趨可靠和成熟，汽車電子控制技術向智能化的方向發(fā)展。這期間，日本許多汽車制造廠家已開始在所生產的轎車中引進電子轉向助力系統（Electric Power Steering，EPS），該系統的主要功能是在車輛低速或停止行駛時提供助力，讓駕駛人轉動轉向盤時更省力；而當車輛高速行駛時增加轉動方向盤的阻力，使得車輛駕駛保持平穩(wěn)。另外還允許駕駛人去選擇他們最適宜的轉向盤操縱特性。電子轉向助力系統采用電動機與電子控制技術對轉向進行控制，利用電動機產生的動力協助駕駛人進行動力轉向，系統不直接消耗發(fā)動機的動力。EPS一般由轉矩（轉向）傳感器、電子控制單元、電動機、減速器、機械轉向器以及蓄電池電源等構成。汽車在轉向時，轉矩（轉向）傳感器會感知轉向盤的力矩和擬轉動的方向，這些信號會通過數據總線發(fā)給電控單元，電控單元會根據傳動力矩、擬轉動的方向等數據信號，向電動機控制器發(fā)出動作指令，電動機就會根據具體的需要輸出相應大小的轉動力矩，從而產生助力轉向。如果不轉向，則本套系統處于待調用狀態(tài)。電子轉向助力系統提高了汽車的轉向能力和轉向響應特性，增加了汽車低速時的機動性和調整行駛時的穩(wěn)定性。

車身控制系統，包括車用空調控制、數字化儀表顯示、前風窗玻璃的刮水器控制、車燈控制、車后障礙檢測、安全保護系統、多路通信系統、電動車窗控制、電動座椅控制、安全帶控制及安全氣囊控制等。

自動巡航系統，是通過控制節(jié)氣門的位置來保持預先設定好的車速，而駕駛人不用一直腳踩加速踏板的輔助駕駛系統。該控制系統是根據車速傳感器、定速控制開關及定速取消開關的信號，通過進氣管的負壓壓力或一臺小電機來調節(jié)節(jié)氣門擋板的車輛縱向控制系統。

輪胎壓力監(jiān)測系統（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）的主要作用是在汽車行駛過程中對輪胎氣壓進行實時自動監(jiān)測，并對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以確保行車安全。這些控制系統的實物如圖1-8所示。

20世紀80年代是汽車電子控制技術快速發(fā)展的階段，許多我們今天耳熟能詳的汽車電子控制技術就是在這一時期被發(fā)明出來的。這一時期汽車電子控制技術取得的成就有：電子助力轉向控制系統、車身電子控制系統、自動巡航控制系統以及胎壓監(jiān)測控制系統等。20世紀80年代汽車電子控制技術的主要架構如圖1-9所示。

5.汽車電子控制技術革新階段

20世紀90年代以及21世紀初是汽車電子控制技術革新的階段，在1983年，博世公司的工程師就開始致力于研發(fā)減少車輛打滑失控的系統，他們鉆研當時的ABS，并且打算利用相似的技術來控制車身動態(tài)。經過十多年的研發(fā)，博世公司終于在1995年推出了第一個車身電子穩(wěn)定系統（Electronic Stability Program，ESP），如圖1-10所示，用于監(jiān)測汽車的行駛狀態(tài)，在緊急躲避障礙物或轉彎時出現過度轉向時，使車輛避免偏離理想軌跡，從而減少交通事故。

ESP的工作原理為：

1）首先通過轉向盤轉角傳感器及各車輪轉速傳感器識別駕駛人轉彎方向（駕駛人意愿）。

2）ESP通過橫擺角速度傳感器識別車輛繞垂直于地面軸線方向的旋轉角度，通過側向加速度傳感器識別車輛實際運動方向。

3）若ESP判定為出現不足轉向，則將制動內側后輪，使車輛進一步沿駕駛人轉彎方向偏轉，從而穩(wěn)定車輛。

4）若ESP判定為出現過度轉向，則將制動外側前輪，防止出現甩尾，并減弱過度轉向趨勢，穩(wěn)定車輛。

5）如果單獨制動某個車輪不足以穩(wěn)定車輛，ESP則將通過降低發(fā)動機轉矩輸出的方式或制動其他車輪來滿足需求。

此外，其他車企開發(fā)出了類似的車輛穩(wěn)定控制系統，如沃爾沃開發(fā)的DTSC、寶馬開發(fā)的DSC、豐田開發(fā)的VSC等。

此外，汽車行業(yè)中的一個革命性技術也誕生在這個時期。1986年2月，博世公司在汽車工程師協會（Society of Automotive Engineers，SAE）大會上推出了控制器局域網（Controller Area Network，CAN）串行總線系統。這是有史以來最成功的網絡協議之一誕生的時刻。如今，歐洲幾乎所有汽車都配備了至少一個CAN網絡。CAN還用于其他類型的交通工具，從火車到輪船，以及工業(yè)控制中，CAN都是最主要的總線協議之一，甚至可能是全球領先的串行總線系統。它基于一種非破壞性仲裁機制，該機制允許總線訪問具有最高優(yōu)先級的幀而沒有任何延遲，沒有中心控制器。此外，CAN之父（上述人員以及博世員工Wolfgang Borst、Wolfgang Botzenhard、Otto Karl、Helmut Schelling和Jan Unruh）已經實現了幾種錯誤檢測機制。錯誤處理還包括自動斷開故障總線節(jié)點等，以保持其余節(jié)點之間的通信。傳輸的幀不是由幀發(fā)送器或幀接收器的節(jié)點地址（幾乎在所有其他總線系統中）識別的，而是由它們的內容識別的。表示幀有效載荷的標識符，還具有指定幀在網絡段內的優(yōu)先級。

1991年，世界上首款基于CAN總線系統的量產車型奔馳500E正式亮相。CAN總線的誕生標志著汽車電子電氣架構從原先的獨立系統變?yōu)榱司W絡控制系統。1995年，寶馬在其7系汽車中使用了帶有5個ECU的樹/星形拓撲CAN網絡。隨后，其他汽車廠商也開始在汽車中應用CAN網絡來實現車內各處理器間的通信。

在2000年初，一個由數家公司組成的ISO特別工作組為CAN幀的時間觸發(fā)傳輸定義了一個協議。Bernd Mueller博士、Thomas Fuehrer博士和其他博世員工，以及半導體行業(yè)和學術研究專家共同定義了協議“CAN上的時間觸發(fā)通信”（Time-triggered Communication on CAN，TTCAN）。這種CAN擴展可以實現時間等量的幀傳輸和通過CAN的閉環(huán)控制，而且還可以在x-by-wire（線控系統）的應用中使用CAN。由于CAN協議未更改，因此可以通過同一物理總線系統傳輸時間觸發(fā)幀和事件觸發(fā)幀。

CAN總線通信技術的發(fā)展助力了汽車電子控制技術的發(fā)展。在CAN通信大規(guī)模應用后，汽車上的處理器逐漸增多，汽車所包含的功能也越來越多，整車的電子電氣架構也越來越復雜。20世紀90年代—21世紀初汽車電子控制技術的架構如圖1-11所示。