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汽车电子图解
汽车电子图解
（一）汽车与电子技术的密切关系
汽车的性能取决于电子技术。
虽然这种说法由来已久，即便是现在各种各样的技术仍不断地配备到汽车上，使得汽车在不断地变化发展。
与汽车电子化一道成长、不断推出新型汽车电子技术的日本电装技术团队，将分多章回顾汽车电子技术，介绍关键技术的基础知识。
本文将首先回顾汽车与电子技术的发展史，并探讨两者的密切关系。
要想理解汽车电子技术，就需要回顾一下汽车与电子两大技术在20世纪的发展史。
图1为汽车与电子技术的发展历史。
世界首辆汽油4轮汽车是在1886年由戈特利布·戴姆勒（Gottlieb戴姆勒）发明的。
汽车圆了“随时随地自由移动”这一人类多年来的梦想。
图1：
汽车及汽车电子技术的历史汽车的历史始于1886年，其发展得到了电子技术技术的推动。
从那以后过了大约20年，美国福特汽车（FordMotor）的“ModelT”（通称T型福特）将工艺品似的的汽车改变成了工业产品。
生产线通过传送带方式提高了生产效率，这在当时具有划时代意义。
始于19世纪末的汽车就这样被1908年推出的T型福特带入了全面普及期。
这款T型福特在大约20年间生产了1500万辆，然后，直到德国大众汽车（VolkswagenAG）的“Type1”（通称甲壳虫）生产了2100万辆以上为止，T型福特一直是单一车型中最热销的汽车。
汽车的实用化，是工业发展历史的集大成。
也就是说，是产业革命由外燃机开始进一步引发能源革命，进而催生了内燃机。
自T型福特以来，截至上世纪60年代为止，支撑汽车技术进步的是机械技术及制造技术。
在这一时期，汽车业界通过机械加工及内燃机技术，实现了发动机性能的提升，而且，与“行驶、转弯、停车”相关的性能全凭机械技术的进步便可提供支持，这一点足以令人称奇。
电子技术是应对尾气排放规定的“救命稻草”
另一大技术——电子技术发端于1947年发明的晶体管，在此前不断发展形成的固体物理学及量子力学的理论的支持下，上世纪60年代以后电子技术取得了长足发展。
从晶体管到IC（集成电路），再经过微处理器，最终促进了软件技术的发展。
电子技术的应用遍及所有产业，在汽车电子技术领域的推广应用也毫不逊色于其他领域。
对于因为苦于应对尾气排放规定而停滞不前的汽车产业而言，上世纪70年代后电子式燃料喷射装置的实用化可以是成为了汽车产业的一棵“救命稻草”。
借助电子技术，该装置超越了此前机械控制的极限，在不牺牲输出功率及燃效等性能的情况下成功地实现了尾气净化。
汽车电子技术的发展带来了机械技术的新进展，汽车借助电子技术与机械技术的相乘效应，进一步实现了发展。
电子技术的应用领域也开始不仅限于发动机控制，而是向数字仪表、安全气囊、ABS（Anti-lockBrakeSystem）以及汽车导航系统等领域不断扩展。
就这样，汽油4轮汽车发明以来已度过了大约120年的时光，晶体管度过了约60年、T型福特度过了大约100年、微处理器度过了约40年的时光。
且不说汽车电装部件，汽车电子技术得以全面发展的时期是在上世纪70年代电子式燃料喷射技术面世以后。
首先被应用于以发动机控制为代表的动力传动控制领域，之后，汽车电子技术逐渐扩大到车体系统、行驶安全系统以及信息系统（图2）。
图2：
汽车电子技术应用产品的扩大
从动力传动系统向信息系统不断扩展
动力传动系统方面，从减少尾气、节省燃耗的系统开始，目前发展到了混合动力车及电动汽车的驱动控制。
车体系统方面，车门锁等旨在提高方便性的系统被开发出来，之后，电子技术又为安全气囊以及ABS之类安全性能的提升作出了贡献。
目前，由于汽车与外部之间的通信功能的进步，紧急通报以及远程服务等已实现了实用化。
在从上世纪90年代开始全面普及的汽车导航系统的技术进步中，通信功能发挥了重要作用，近年来，通信功能与ETC（ElectronicTollCollection）系统等交通基础设施的联动得到了强化。
图2仅作了一个简介，汽车电子技术的详细年表见本文末尾的表1。
今后，可进一步提高燃效以及用于安全预防的技术的应用产品将会越来越多。
为了满足汽车所要求的环保性能、安全性、方便性以及信息高速处理等各领域的要求，新产品将会不断被开发出来。
受益于半导体的技术进步
电子技术的进步，得益于半导体集成度的提高。
图3通过单个IC中集成的元件数的逐年走势展示了这种进步，可以看出，其元件数呈几何级数式增加。
图3：
半导体集成度提高的走势
IC的元件数一直在加速增长。
在作为上世纪20年代以来的固体物理学研究成果、量子力学的实际应用形成高潮是在1947年，WilliamShockley等人发明了晶体管。
单个的晶体管从点接触式发展到平板式，再发展到开发出将多个晶体管集成在1个元件中的、以Kilby专利为代表的集成电路，进而最终发明了微控制器。
美国英特尔创始人之一的戈登·摩尔（GordonMoore）提出了摩尔定律：
“半导体的集成度每过18～24个月就会倍增”。
集成电路应用产品一直在按照摩尔定律向前发展。
如图3所示，双极IC、MOS（金属氧化膜半导体）IC以及内存等元件被开发出来，这些元件组成了单芯片微控制器，由此迎来了半导体技术的更大飞跃。
当时正是全世界数量庞大的电子技术人员竞相进行技术开发的年代。
微细化技术为上述微控制器的性能提升提供了支持，引领了软件产业的崛起，并一直为目前电子技术产业的发展提供着支持。
汽车也是从中受益的一个领域。
ECU的变迁
汽车上采用的ECU（电子控制单元）的发展进程见图4。
（a）为在微控制器实用化以前就率先付诸实用的、采用模拟电路的电子式燃料喷射装置用ECU。
这种ECU采用的是在1973年付诸实用的分立式（Discreet）元件实现的模拟方式。
由此，发展出了如（b）所示的、由模拟IC构成的ECU。
当时的IC封装处于DIP（DualIn-linePackage）时代。
图4：
ECU的技术进步
与其他设备及系统一样，逐步从模拟方式向数字方式转变。
（c）是以微控制器为主体构成的数字式发动机ECU。
1978年采用的定制微控制器为12位，汇编语言方面采用了经过编程的软件。
程序存储器为掩模型只读存储器（MaskROM），采用在微控制器制程中以晶圆状态进行制造的方式。
照片为1983年车型的当时最为复杂的发动机ECU。
（d）是由2个32位的微控制器构成的现有动力传动ECU。
2007年采用的这种ECU上使用的部件，全部为表面封装件。
软件采用C语言进行编写。
程序存储器为闪存，可从ECU的外部端子进行写入。
如上所示，ECU的规模、所采用的部件、封装的形状以及软件编写语言等都在与时俱进。
汽车电子技术随着制造ECU的各种关键技术的进步而不断发展。
这些关键技术具体是指：
微控制器及I/O（输入输出）的功能，传感器、致动器、软件及ECU的测评方法等。
今后，为了不断满足提高燃效、减少尾气排放、提高安全性及便利性等多样化需求，以半导体为代表，封装技术、软件技术以及测评技术等多种关键技术的进步必不可少。
在这个意义上来说，了解作为汽车电子技术基础的关键技术的现状及发展趋势，极为重要（图5）。
即便说这些关键技术将决定我们能否满足今后的系统需求也毫不为过。
（未完待续，特约撰稿人：
加藤光治，日本电装技术监督；中村克己，日本电装研究开发3部主任；手操能彦，日本电装技术策划部室长）
图5：
ECU所需的关键技术
噪声及电压过冲对策、散热对策、控制算法以及多重通信等多种技术都不可或缺。
表1汽车电子技术年表
表1汽车电子技术年表（续一）
表1汽车电子技术年表（续二）
在2009年日本国内新车销量中，丰田“普锐斯（Prius）”以超过20万辆的业绩高居榜首，如今HEV已完全成为大众型汽车。
HEV通过充分利用马达，大大改善了发动机汽车起动及减速时的能耗和尾气排放等缺点，同时还解决了EV存在的行驶距离和充电时间等问题。
本文将对HEV系统的种类及特点进行介绍。
混合动力车（HEV）系统完美融合了发动机汽车和电动汽车（EV）的技术，对EV采用的马达及电池技术进行了充分利用。
EV尽管从汽车黎明期就已出现，并在1900年以前达到了实用水平，但迄今为止一直未能实现全面普及。
在第二次世界大战后的汽油紧缺时期，EV作为替代能源汽车开始在日本上市。
1949年日本国内EV产量达到3299辆，占到当时日本汽车保有量的3％。
但是，随着发动机汽车的改进以及加油站的普及，EV的势头开始在日本逐渐衰退。
之后，汽车业界从1971年起将EV定位于环保汽车展开了开发。
当时日本的通商产业省工业技术院利用大型项目制度（由汽车、电机及电池厂商参加）启动了EV的研发，众多汽车厂商及部件厂商投入了极大的精力。
但在1980年以后，随着发动机汽车尾气净化技术的进步，EV再次消失了踪影。
在20年过后的1990年，美国加利福尼亚州制定了尾气排放规定“ZEV法案”（零排放车辆法）。
当时，除了EV以外，没有任何一种汽车能够达到这一规定，因此EV的开发再一次被启动。
ZEV法案的实施时间为1998年，由于必须要销售规定比例的EV，因此各公司开始奋力开发。
但是该规定并未按期实行，最终以数年的限量生产而告终。
采用EV要素技术的HEV
如上所述，EV存在行驶距离、充电时间及成本方面的课题，迄今只在叉车等特定用途领域实现了普及。
而解决了EV的上述课题，燃效比发动机汽车出色且实现了低排放的汽车就是1990年下半年面市的HEV。
丰田于1997年上市了“普锐斯（Prius）”，本田也于1999年推出了“Insight”。
这些HEV采用了为符合ZEV法案而开发的EV要素技术。
尤其是镍氢充电电池，在1996年实用化的丰田“RAV4EV”及本田“EVPLUS”上得到了采用。
由于有助于延长EV的持续行驶距离，因此即使说HEV没有镍氢充电电池就无法实现也不为过。
另外，不仅是电池，为EV开发的使用稀土类磁铁的永久磁铁（PM）式同步马达也为HEV性能的提高做出了贡献。
在介绍HEV的系统之前，先来谈谈为符合ZEV法案而开发的EV。
图1列出了丰田RAV4EV的系统构成。
该系统根据油门传感器检测的踩入量，由EV·ECU（电子控制单元）控制逆变器，驱动行驶马达。
马达采用永久磁铁式马达。
图1：
丰田“RAV4EV”的系统构成
1996年实用化的、配备镍氢充电电池的EV。
驱动马达的电池采用288V镍氢充电电池，通过用电池ECU和EV·ECU监测充放电状态来随时计算行驶时的剩余容量。
为电池充电时利用车载充电器通过交流200V商用电源进行。
以下将驱动行驶马达的高电压充电电池称为主电池，将辅助驱动用充电电池称为12V电池。
在EV行驶控制中，根据油门开度、制动信号、档位及车速等信息，利用驱动扭矩图来决定所需要的车辆驱动扭矩。
由EV·ECU的车辆控制部向马达控制部发出扭矩指令，通过PWM（脉冲宽度调制）信号向逆变器传输指令。
马达控制采用加速或正常行驶时用作电动机、减速时用作发电机的方式（图2）。
（未完待续：
特约撰稿人：
山田好人，电装EHV机器事业部主席部员）
图2：
EV的行驶控制
根据油门开度及制动信号等，决定车辆驱动扭矩。
混合动力系统的概要
混合动力系统的分类方法有二种。
一种是根据可实现的功能的不同来进行分类，另一种是以驱动机构的方式来分类。
首先，按功能来分类的话，就如同图3所示。
只有无空转功能的称为微HEV或ISS（IdlingStopSystem）。
在该功能的基础上增加加速辅助、能量再生及发动机高效运转功能等的话，就称为弱HEV，而增加EV行驶功能的话则称为强HEV。
越接近强HEV，CO2排放量及尾气就越少。
而EV的排放全部为零。
另外，插电式HEV（PHEV）及通过运转发电用发动机来延长行驶距离的增程器式EV被定位于强HEV和EV之间。
图3：
HEV和EV的CO2减排效果
按照不同功能对混合动力系统进行分类。
以驱动方式进行分类时，主要分为串联式HEV、并联式HEV、串并联式HEV三种方式。
下面来依次介绍一下三者的构成及特点。
（1）串联式HEV
串联式HEV配备为主电池充电的发动机和发电机，一边始终充电一边用马达行驶（图4）。
也可认为是在EV的基础上增加配备了发动机和发电机。
在市售车中，与私人乘用车相比，该方式在公交车上采用得较多，丰田1997年上市的“CoasterHEV”以及三菱扶桑卡客车2004年上市的“AeroNostepHEV”就采用了该方式。
图4：
串联式HEV的构成
仅靠马达行驶。
配备高功率大型马达。
串联式HEV的特点如下。
·仅靠马达行驶，因此与其他方式相比，马达及发电机为高功率大型产品。
·将发动机动力全部转变为电力，因此能源效率略低。
·驱动力控制及功率输出控制较简单。
·发动机以稳定状态运转，因此比较容易实现尾气净化。
（2）并联式HEV
并联式HEV并联配置发动机和马达，可由两方供给行驶动力（图5）。
除本田作为“IMA（IntelligentMotorAssist）”进行实用化之外，还得到了戴姆勒“Mercedes-BenzS400HYBRID”及宝马“ActiveHybrid7”等的采用。
在本田的IMA中，发动机和马达采用直接连接构造，同时旋转。
而与此不同的是，还有很多厂商开发了在发动机与马达之间夹入离合器，通过断开离合器来实现EV行驶的系统。
图5：
并联式HEV（直接连接）的构成
马达只起辅助性作用，采用小型产品。
并联式HEV（直接连接）的特点如下。
·只需在以往车型的发动机与变速箱之间追加马达，因此构成简单。
·马达的功率输出只起辅助作用。
几乎不进行EV行驶，因此马达为小型产品。
·马达兼具发电机作用，因此再生电力只有储存到电池中后才能用于行驶。
·通过在发动机与马达之间夹入离合器，可进行EV行驶，但这时需要大输功马达。
（3）串并联式HEV
串并联式HEV的代表示例是丰田普锐斯等采用的“THSⅡ（ToyotaHybridSystemⅡ）”。
该方式利用行星齿轮机构综合发动机、MG1、MG2三种动力源，根据行驶状态来组合这些动力源，由此进行驱动（图6）。
图6：
串并联式HEV的构成
同时具备串联方式和并联方式两者的优点。
这里的MG是指马达兼发电机的缩略语。
由于需要在马达功能与发电机功能之间频繁进行切换，因此将原来称为马达或发电机的部分称为MG。
发动机的作用是驱动车辆和驱动MG1。
MG1的作用除了为主电池充电外，还包括作为马达起动发动机以及对车辆进行驱动辅助。
MG2的作用是实现EV行驶、做加速辅助，以及作为发电机进行能量再生。
串并联式HEV的特点如下。
·具备串联方式和并联方式两者的优点，兼顾燃效和行驶性。
·系统效率较高，因此燃效提高效果显著。
·系统及控制较复杂。
串并联式HEV的构成和控制
下面拿串并联式HEV来详细介绍一下系统构成和控制。
普锐斯的示例配备有发动机、MG1和MG2（图7）。
为了最佳运行两套驱动系统，由HEV·ECU对它们进行综合控制。
主电池为镍氢充电电池，系统主继电器及电流传感器等电源类产品与EV相同。
另外，还配备了12V电池充电用DC-DC转换器，并采用了空调用电动压缩机，这些也与EV相同。
不过并未配备EV所必需的充电器。
HEV的控制系统如图8所示。
HEV·ECU根据驾驶员的要求、车辆的状态以及主电池的充电状态，将要使发动机产生的功率作为发动机要求功率，向发动机ECU发出指令。
然后由发动机ECU按照HEV·ECU指示的发动机要求功率来控制电子控制油门的开度。
图7：
HEV的构成（普锐斯的示例）
配备发动机和两个马达兼发电机（MG1、MG2）。
图8：
HEV的控制系统
HEV·ECU为“司令部”，进行多种控制。
另外，HEV·ECU还会计算出MG1的扭矩和MG2的扭矩，向MG·ECU发出扭矩指令值。
在接到指令后，MG·ECU就会通过逆变器来控制MG1和MG2，按照扭矩指令值来输出驱动力。
同时，电池监测单元还会获取主电池的信息（电流、电压、温度），发送给HEV·ECU。
HEV·ECU根据这些信息计算出主电池的剩余容量（SOC：
StateOfCharge），为使系统达到最佳状态而对充电状态进行控制。
普锐斯这样的HEV在减速时将马达用作发电机，把运动能量转变成电力存储到主电池中。
为了回收更多的运动能量，实施对使用摩擦力的机械式制动以及基于发电的再生制动进行分配的控制（图9）。
在电力控制方面，始终监测主电池的容量，根据电池的SOC对充电量及放电量进行管理。
主电池在EV行驶时那样将马达用于驱动时进行放电，在旋转时那样将马达用作发电机时被充电（图10）。
SOC高时EV行驶的可能性更高，可再生的能量变少。
而SOC低时则与之相反。
图11展示了主电池的SOC是如何变化的。
主电池的SOC过高的话存在过量充电的不良影响，而过低的话则存在过度放电的不良影响。
要想抑制主电池性能的降低，长期确保可靠性，需要限制SOC的使用范围。
因此要利用电池传感器始终掌握再生量和放电量，计算出SOC。
使用镍氢充电电池的普通HEV一般将SOC的使用范围限制在20～40％左右（SOC在40～60％或40～80％）。
图9：
HEV的制动
同时使用机械式制动和再生制动。
图10：
电力控制的思路
根据主电池的剩余容量来控制充放电量。
图11：
实际行驶时的SOC
展示了随行驶时间变化的电池剩余容量。
运用EV/HEV技术的系统
运用EV/HEV技术的汽车有增程器式EV及PHEV。
其中，增程器式EV采用与串联式HEV的系统基本相同的构成，但与串联式HEV的主电池暂时存储发动机发电产生的电力相比，却配备有更大容量的主电池，以依靠主电池的电力进行EV行驶为主。
通用“ChevroletVolt”就是其中的代表，Volt配备容量16kWh的锂离子充电电池，可实现约64km的EV行驶。
另外，该车还通过用排量1.4L的发动机进行发电，使持续行驶距离延长到了480km。
图12展示了具有代表性的增程器式EV系统的构成。
而PHEV则通过增加强HEV所配主电池的容量，延长了EV走行模式的行驶距离。
丰田“普锐斯插电混合动力车”就是其中的代表。
该车将镍氢充电电池换成了锂离子充电电池，使容量扩大到了原来的约4倍。
同时还通过扩大SOC使用范围，使EV行驶的持续距离达到了23.4km。
图13展示了PHEV的系统构成和能量流。
（未完待续：
特约撰稿人：
山田好人，电装EHV机器事业部主席部员）
图12：
增程器式EV的构成
展示了代表性的系统构成。
图13：
PHEV的构成
延长了EV行驶模式的行驶距离。
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