寶馬車電子控制基礎知識(三)

◆文/山東 劉春暉

(接2021年第9期)

10.超聲波傳感器

超聲波傳感器用于測量距離。超聲波傳感器發出較短的超聲波脈沖，環境中的物體反射超聲波脈沖，超聲波傳感器接收反射脈沖。

如圖34所示，超聲波傳感器將發射超聲波脈沖與接收第一個反射回聲之間的持續時間傳輸給控制單元，控制單元根據這個持續時間計算出至附近物體的距離。

圖34 超聲波傳感器的工作機理

(1)發送模式

處于發射模式時，超聲波傳感器的作用相當于揚聲器。所選擇的超聲波頻率約為40kHz至50kHz，在這個頻率范圍內對人和家畜無害。超聲波傳感器電子裝置通過電脈沖使壓電陶瓷移動(將電能轉化為機械能)。壓電陶瓷位于外部隔膜的內側。外部隔膜以共振頻率振動并產生超聲波。短脈沖序列碰到障礙物后反射回來。

(2)接收模式

處于接收模式時，超聲波傳感器的作用相當于話筒。外部隔膜振蕩衰減后(約1ms)，超聲波傳感器接收到障礙物反射回來的超聲波。外部隔膜和壓電陶瓷受激振動并向超聲波傳感器電子裝置發送電脈沖(將機械能轉化為電能)。

電氣測量信號進行數字化處理后傳輸給控制單元。在控制單元內對數據進行處理并計算出至障礙物的距離。通過開始發射的時間和接收到回聲的時間可計算出回聲傳播時間。根據超聲波在空氣中傳播的速度和回聲傳播時間可計算出至障礙物的距離。超聲波傳感器的電路符號如圖35所示。

圖35 超聲波傳感器的電路符號

11.電容傳感器

電容傳感器也屬于非接觸式傳感器。發動機機油溫度和機油狀態傳感器常采用電容傳感器。

如圖36所示，寶馬在發動機的油底殼中安裝了一個機油狀態傳感器。通過測量機油油位可以避免油位過低及因此而造成發動機損壞，并且通過測量機油狀態可以精確測算出何時需要更換發動機機油。該傳感器由兩個重疊安裝的筒形電容器組成。機油狀態通過下面的小電容器(6)測得。兩根金屬管(2+3)作為電容器電極嵌套安裝。在電極之間有發動機機油(4)作為電介質。發動機機油的電特性隨著發動機磨損碎屑不斷增加以及添加劑的分解而變化。電容器(機油狀態傳感器)的電容又因這個變化(電介質)而變化，相應的電容值將在傳感器內的電子分析裝置(7)中處理成一個數字信號。這個傳感器數字信號作為發動機機油狀態信息傳送給DME。這個傳感器信號值將在DME中進行處理以便計算距下次換油保養的日期。

圖36 機油狀態傳感器的結構

機油油位在傳感器(5)的上部測得傳感器的這一部分在油底殼的油位，高度處隨著油位(電介質)的下降電容器的電容也發生變化。這個電容值將由傳感器電子裝置處理成一個數字信號并傳送到DME。為了測量機油溫度，在機油狀態傳感器的底座上裝有一個鉑溫度傳感器(9)。傳感器通過BSD總線與DME進行通訊。

12.智能型蓄電池傳感器

IBS是一個自身帶有微型控制器μC的智能型蓄電池傳感器。IBS持續測量蓄電池端電壓、蓄電池充電/放電電流以及蓄電池酸液溫度。IBS直接安裝在蓄電池的負極上。IBS由機械、硬件和軟件三部分功能元件組成。如圖37所示，IBS的機械部分是由蓄電池負極接線柱及接地線組成。

圖37 IBS的結構

IBS功能：IBSμC中的軟件控制該功能過程以及與上級控制單元之間的通信聯絡。與DME/DDE的聯系通過BSD完成。在行駛過程中，DME/DDE從IBS獲取數據。此外，IBS中還集成有下列功能：

①持續測量車輛每種行駛狀態下蓄電池的電流、電壓和溫度；

②計算蓄電池指示參數作為蓄電池SoC和SoH的基礎；

③平衡蓄電池充電/放電電流；

④SoC處于臨界狀態時作為相應措施監測SoC并使車輛處于工作狀態；

⑤計算啟動電流特性曲線用于確定蓄電池SoH；

⑥車輛休眠電流監控；

⑦向上級控制單元傳輸數據。

13.智能型蓄電池傳感器電子分析裝置

如圖38所示為IBC的功能原理圖，IBS電子分析裝置持續獲取測量數據。IBS利用這些數據來下列電壓、電流、溫度等蓄電池指示參數。IBS通過BSD將這些蓄電池指示參數的數據傳遞到DME/DDE。為了計算蓄電池指示參數，還要同時對蓄電池的充電狀態SoC進行測量計算。

圖38 IBC的功能原理

三、執行機構

執行機構是通過控制單元輸出信號執行轉動(電動、步進電機)、打開/關閉(繼電器)、照明(LED、白熾燈泡)以及發出聲音(揚聲器)等操作的組件。

1.電機

寶馬車輛內安裝了大量電機，如用于滑動/外翻式天窗、車窗升降器、座椅、車窗玻璃刮水器等的電機。直流電機和步進電機是特別重要的兩種電機。

(1)直流電機

直流電機將電能轉化為轉動能。這種電機由一個固定部件“定子”和一個轉動支撐部件“轉子”(電樞)構成。大多數直流電機采用內部轉子結構。轉子是內部部件，定子是外部部件。定子由電磁鐵組成，在小型電機內由永久磁鐵構成。轉子也稱為電樞。

如圖39所示，電機工作原理以作用力施加在磁場內的載流導體上為基礎。載流導體的磁場和永久磁鐵的磁場相互影響。如果永久磁鐵牢固固定且導體以可轉動方式支撐，則會在導體上施加一個力并使其轉動。這個作用力取決于導體內的電流強度、磁場強度以及導體有效長度(線圈圈數)。

圖39 電機工作原理

如圖40、圖41所示，在線圈上施加電壓時，線圈內流動的電流產生一個磁場(線圈磁場)。永久磁鐵兩極間的磁場和線圈磁場形成一個總磁場。根據線圈內的電流方向產生一個左旋或右旋力矩(圖42)。線圈繼續轉動，直至線圈磁場方向與永久磁體兩極間磁場方向相同。隨后線圈停留在所謂的磁極磁場中性區域內。

圖40 兩極間的磁場

圖41 某個載流導體的磁場

圖42 轉矩的產生

如圖43所示，為了能夠繼續轉動，必須改變線圈內的電流方向。在此通過與線圈起始端和線圈末端連接的電流換向器(集電環)實現電流方向的切換。如果這種電機上沒有集電環，則電樞繼續轉動，直至轉子磁場與定子磁場的方向一致。為確保電樞不停留在這個“死點”位置，在每個新分段時電樞線圈內的電流借助電流換向器(也稱為集電環或集電極)進行切換。兩個位于中性區域內的固定碳刷輸送電流。如圖44所示，如果使用多線圈電樞繞組替代一個電樞線圈，則可實現電流切換時線圈側的電流在某一磁極處始終保持方向相同。

圖43 線圈的旋轉過程

圖44 實際中采用多線圈的轉子

轉子位于定子內部，大多數情況下轉子由一個帶有鐵芯的線圈(也稱為電樞)構成，以可轉動方式支撐在定子電極接線柱之間的磁場內。通過一個分段集電環和滑動觸點(碳刷)為電樞輸送電流。電流流經轉子時，在此也產生一個與定子磁場相互作用的磁場。電樞上產生力矩，該力矩使電樞圍繞其支撐軸轉動，電樞通過隨之轉動的集電環始終將相應繞組接入電流通路內。電功以這種方式轉換為機械功。如果這種電機上沒有集電環，則電樞繼續轉動，直至轉子磁場與定子磁場的方向一致。為確保電樞不停留在這個“死點”位置，在每個新分段時電樞線圈內的電流借助電流換向器(也稱為集電環或集電極)進行切換。集電環由金屬段組成，金屬段與細條狀絕緣材料(塑料、空氣)一起構成間斷的圓柱或圓形面。每個分段都與電樞繞組連接。用于輸送電流的兩個碳刷通過彈簧壓緊在集電環上。轉子每轉動一次通過電樞繞組的電流方向就會改變一次，同時那些通過電流流動而產生力矩的導體進入定子磁場內。電機轉速取決于電壓、轉動方向和電流方向。

永久磁鐵兩極之間安裝了一個可轉動的線圈。電流流過線圈時產生磁場。兩個磁鐵(電磁鐵和永久磁鐵)之間產生促使線圈轉動的引力。每旋轉180°集電環切換電流方向一次，從而實現連續轉動。如圖45所示為滑動/外翻式天窗傳動裝置的部件結構。

圖45 滑動/外翻式天窗傳動裝置

(2)步進電機

如圖46所示，步進電機將電脈沖轉換為規定轉角的機械轉動。步進電機是一種電動機械組件，其驅動軸根據控制脈沖以步進方式轉動。在要求受控移動或定位處可以使用步進電機。這種電機可以簡化位置控制且可靠性和精度較高。必須具備直流電、控制開關和控制脈沖(數字信息)才能運行。相應直流電通過電子開關輸送給電機。電子控制開關每發送一個控制脈沖電機驅動軸就轉動一個步進。根據步進電機情況步進角度通常為2°至15°。

圖46 步進電機的工作原理

步進電機軸所處位置等同于定子磁極數量與轉子磁極數量之比。因為轉子使用永久磁鐵，所以磁極是確定的。定子始終由兩對或多對極點組成，每個極點都套有一個線圈，電流流過極點時形成磁極。磁鐵繞組內的電流方向逆轉時磁場方向也隨之逆轉。

如果定子線圈內的電流方向依次向一個方向逆轉，則產生一個跟隨轉子永久磁鐵的旋轉磁場。在此轉動速度由定子線圈的切換速度決定。例如，在寶馬車輛的IHKR(手動恒溫空調)中使用步進電機來控制空氣風門(空氣分層風門、腳部空間風門、循環空氣風門和新鮮空氣風門)。

(3)啟動機

車輛的啟動機是直流電機(圖47)。其任務是使內燃機曲軸以啟動所需的最低轉速轉動。如圖48所示，內燃機啟動的工作原理是一個小齒輪與飛輪齒圈嚙合。由于小齒輪和飛輪齒圈之間的傳動比較大(約為15:1)，啟動機只需在較高轉速下提供較小的力矩。因此啟動機的尺寸較小。啟動機由直流啟動電機、嚙合繼電器和嚙合齒輪箱等總成構成。

圖47 啟動機

圖48 啟動機的安裝位置

啟動機的結構如圖49所示，啟動機的電路符號圖50所示，操作啟動開關時，小齒輪通過嚙合繼電器和嚙合齒輪箱與飛輪齒圈嚙合。小齒輪嚙合后，啟動電機通過小齒輪和齒圈帶動內燃機曲軸轉動。發動機啟動后小齒輪脫開。啟動機類型根據小齒輪嚙合方式劃分。寶馬車輛中使用帶有中間減速機構的螺旋推移傳動式啟動機。

圖49 啟動機的結構

圖50 啟動機的電路符號

啟動電機與小齒輪之間裝有作為中間減速機構的行星齒輪箱。行星齒輪箱的任務是降低較高的啟動機轉速，同時提高小齒輪上的力矩。因為啟動機軸輸出功率與轉速成正比，所以可以由此提高啟動機功率，或在相同功率下減小尺寸。嚙合過程包括小齒輪推移運動和螺旋運動兩部分運動。

如圖51所示，啟動機的工作過程為操作啟動開關(2)后通過嚙合繼電器(1)使嚙合撥叉(8)移動。此時小齒輪(11)通過彈簧向前移動并在大螺距螺紋作用下轉動。小齒輪(11)的某個輪齒位于齒隙前時立即接合。如果小齒輪輪齒碰到飛輪(10)的輪齒，則壓回小齒輪側的彈簧，直到嚙合繼電器(1)接通電流。轉子(5)轉動使小齒輪(11)繼續移向齒圈(10)的端面，直到小齒輪可以嚙合。

圖51 啟動機的電路結構