傳感器技術(shù)在電動汽車上的應(yīng)用與發(fā)展趨勢研究

侯慶紅，朱春紅，梁時光

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，北京 100176）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電控系統(tǒng)在汽車上得以廣泛的應(yīng)用，傳感器是這些系統(tǒng)的主要組成部分，承擔(dān)著重要的信息采集工作。隨著人們對汽車駕駛性及舒適性和各種性能要求的提高，對于傳感器的精度及其敏感性和多樣性的要求也在增加。目前，燃油車上的傳感器的數(shù)量及種類也在成倍地增長。如表1所示。

表格1所列也并不是一輛燃油車上的全部傳感器，許多操控更加舒適便捷的車輛傳感器的數(shù)量可以多達(dá)近百個甚至兩百個之多[1]，可見對于汽車傳感器的重要性是大家有目共睹的。這就使得車輛的控制系統(tǒng)越來越龐大，愈來愈繁瑣，實(shí)際上是不利于汽車的保養(yǎng)及維修的。

表1 燃油車用傳感器舉例

隨著我國各項(xiàng)車輛政策的出臺，新能源車尤其是電動汽車的發(fā)展逐步開始加快和擴(kuò)大，實(shí)際上電動汽車可以很好地解決了這一矛盾。

1 電動汽車上應(yīng)用的傳感器

電動車首先沒有了發(fā)動機(jī)，因此關(guān)于發(fā)動機(jī)的傳感器就全部省略掉了，如：曲軸位置傳感器、爆震傳感器、氧傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器等；關(guān)于變速箱控制的傳感器也被省略了，如：變速箱壓力傳感器、變速箱速度傳感器、擋位位置傳感器等；省略掉的還有尾氣排放及其控制系統(tǒng)。保留下來的有底盤控制系統(tǒng)、車內(nèi)舒適度控制系統(tǒng)及安全控制系統(tǒng)等的傳感器元件。除此之外，還需要增加幾種電動汽車所特有的傳感器元件，包括：電流檢測傳感器、電壓傳感器、電池溫度檢測傳感器等。這是因?yàn)殡妱悠嚨膭恿ρb置是由單元電池組構(gòu)成，也就是“動力電池”，而動力電池與儲能電池的區(qū)別是，動力電池需要提供較大的放電電流，而且其工作時電流波動很大，具有峰谷效應(yīng)，因此電動汽車的電池管理系統(tǒng)需要實(shí)時采集與電池狀態(tài)相關(guān)的參數(shù)（包括電壓、電流、溫度等）從而對電池的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確估計，正確的參數(shù)測量可以極大地減少電池的失效事故，對不健康的電池早診斷，防止電池的過充電和過放電，保證電池組的全面安全運(yùn)行。

圖1 單元電池組管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖[2]

2 幾種電動汽車專用的傳感器

（1）電池溫度傳感器

動力蓄電池作為純電動汽車運(yùn)行的唯一能量來源，是電動汽車的核心組成部分，在電動汽車上扮演著等同于燃油車輛中“發(fā)動機(jī)”的重要角色。溫度是影響電池剩余電量和使用壽命的重要因素之一。為了使蓄電池處在最佳的工作狀態(tài)并且隨時把握好電池的荷電狀態(tài)，需要選用一種抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高的NTC溫度傳感器器件進(jìn)行電池單體溫度的準(zhǔn)確測量。

圖2 鎳氫電池通風(fēng)管結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到電池管理系統(tǒng)對溫度測量實(shí)時性和準(zhǔn)確性的要求，電動汽車蓄電池單體溫度采集系統(tǒng)設(shè)計時，需要考慮以下問題：（1）溫度采集系統(tǒng)是整個電動汽車電池管理系統(tǒng)的一個重要組成部分，鑒于電池管理系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，要盡量節(jié)省單片機(jī)端口資源的使用；（2）合理設(shè)計軟硬件，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性；（3）要求系統(tǒng)可以識別單線總線上掛接的所有單總線器件，按照設(shè)計需要準(zhǔn)確得到目標(biāo)器件的溫度值，并確保數(shù)據(jù)傳感器數(shù)據(jù)被總線控制器接收的準(zhǔn)確性。

（2）電池電流傳感器

動力電池在充放電時，對充放電電流大小有嚴(yán)格要求，所以必須由電流傳感器對電池充放電電流進(jìn)行監(jiān)測?；魻栯娏鱾鞲衅魍ㄟ^監(jiān)測電池充放電電流狀態(tài)解決了電池組容量在線監(jiān)測和單體電池故障早期診斷的難題，為動力電池日常維護(hù)提供重要的依據(jù)，保證電池組的可靠運(yùn)行，在電池在線監(jiān)測系統(tǒng)中起到了必不可少的作用。

圖3 電池電流傳感器的安裝位置圖

圖4 電流傳感器的連接示意圖

圖5 霍爾電流傳感器的外形

（3）制動踏板行程傳感器

圖6 電動汽車踏板行程傳感器

電動汽車用制動踏板行程傳感器是采用了無接觸行程測量技術(shù)，可以記錄駕駛員所需的理想制動水平，之后制動系統(tǒng)會進(jìn)行電氣化、液壓化執(zhí)行或是電氣液壓混合執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了無接觸和無磨損行程測量。

除了以上的幾種傳感器，電動汽車還安裝有方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、電機(jī)速度傳感器等等電動汽車所特有的傳感器。但總體來說，作為純電動汽車的傳感器使用量與燃油車相比已經(jīng)減少了很多，這就為車輛的裝配與維修提供了很多方便之處，這也是電動汽車發(fā)展的優(yōu)勢之一。

3 電動汽車上傳感器技術(shù)的發(fā)展

汽車電子市場隨著汽車的不斷發(fā)展而呈現(xiàn)強(qiáng)勁的增長勢頭,車用傳感器隨著汽車電子市場的大力發(fā)展也在突飛猛進(jìn)。世界各國對其理論研究、新材料應(yīng)用和新產(chǎn)品開發(fā)都非常重視隨著電子技術(shù)的發(fā)展和汽車電子控制系統(tǒng)應(yīng)用的日益廣泛，汽車傳感器市場需求將保持高速增長,網(wǎng)絡(luò)化、多功能化、集成化和智能化的傳感器將逐步取代傳統(tǒng)的傳感器,成為車用傳感器的主流。

智能化傳感器能夠執(zhí)行信息處理和信息存儲，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷的傳感器系統(tǒng)，具有自診斷、多參數(shù)混合測量、誤差補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)。它可以實(shí)現(xiàn)與大規(guī)模集成電路相結(jié)合，帶有CPU，具有智能作用，以減少ECU的復(fù)雜程度，減少其體積，并降低成本。

多功能化是指將若干種敏感元件組裝在同一種材料或單獨(dú)一塊芯片上的一體化傳感器，并且體積小巧、能檢測兩個或兩個以上的特性參數(shù)或者化學(xué)參數(shù)，提高系統(tǒng)可靠性。

傳感器的工作原理是基于各種物理、化學(xué)、生物效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制具有新原理的新型傳感器。開發(fā)新材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，現(xiàn)在光導(dǎo)纖維、納米材料、超導(dǎo)材料等新型材料的出現(xiàn)為傳感器的發(fā)展開辟了新天地，隨著研究的不斷深入，將會有更多更新的傳感器材料被開發(fā)出來。這是發(fā)展低成本、高性能、多功能和微型化傳感器的重要途徑。

目前，車輛無人駕駛技術(shù)正在被許多國家及公司提出并積極研發(fā)，實(shí)際上無人駕駛車輛就是室外移動機(jī)器人。因此電動汽車更適合作為無人駕駛汽車來進(jìn)行開發(fā)。無人駕駛系統(tǒng)是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策和多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合體系[4]，它正是大量需要通過集成視覺、激光雷達(dá)、超聲傳感器、磁羅盤、微波雷達(dá)等多種車載傳感器來識別汽車所在的狀態(tài)與周邊環(huán)境的。

圖7 無人駕駛車輛的監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

圖8 無人駕駛的理念與構(gòu)想

因此，為了保證無人駕駛技術(shù)的真正實(shí)現(xiàn)，檢測準(zhǔn)確、反應(yīng)迅速、使用便捷的傳感器是我們開發(fā)的關(guān)鍵，不論是從硬件的高度集成化微小化還是從它自身攜帶的微處理器的運(yùn)算速度都需要有一個突破和飛躍。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾文武,鄒志明.傳感器在現(xiàn)代汽車上的應(yīng)用與發(fā)展[A].宜春學(xué)院學(xué)報,2009. 5.

[2] 郁奕飛,秦會斌.電動汽車單元鋰電池包管理系統(tǒng)采集單元設(shè)計[A].微處理機(jī), 2015.10.

[3] 趙炯,王偉.基于傳感器融合技術(shù)的電動汽車自動駕駛系統(tǒng)的開發(fā)[A].制造業(yè)自動化,2013-05（上）.

[4] 趙陽.無人駕駛汽車關(guān)鍵技術(shù) [A].中國科技博覽,2011（26）.