傳感器在汽車電子控制系統中的應用 Application of Sensor in Automotive Electronic Control System

宋芳 SONG Fang

摘要： 傳感器是汽車電子控制系統的基本組成元件，檢測車輛運行時的各種數據信息，對汽車功能有著重要的影響。本文先對傳感器進行簡單的介紹，并對傳感器在發動機、底盤、安全行駛、車載鋰電池等控制系統中進行應用分析，最后對傳感器的發展趨勢進行了展望。

Abstract： Sensor is the basic component of automotive electronic control system. It detects all kinds of data information when the vehicle is running and has an important influence on the function of the vehicle. In this paper， the sensor is briefly introduced， and the sensor in the engine， chassis， safe driving， vehicle-borne lithium battery control system application analysis， finally the development trend of the sensor is forecasted.

關鍵詞： 傳感器;汽車;電子技術

Key words： sensor;automobile;electronic technology

中圖分類號：U463.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0211-02

0? 引言

隨著汽車行業朝向電子化、集成化、信息化、網絡化、智能化方向發展，人們對汽車的安全性、舒適性以及個性化的要求越來越高，汽車電子技術的應用不斷增加、日趨復雜。傳感器在電子控制和自我診斷中是必不可少的裝置，因此，汽車電子技術應用的是否成功很大程度上取決于傳感器。

1? 概述

1.1 汽車電子控制技術? 汽車電子控制技術是將電子技術、計算機技術、自動控制技術、智能控制技術等多學科知識，廣泛應用于發動機控制、底盤控制、故障診斷及無人駕駛等技術領域。汽車電子控制系統主要由電子控制單元、傳感器和執行器構成。通過傳感器獲取車輛部件的運行狀態信息，可以有效的提高汽車工作的動力性、經濟性，優化駕駛過程中的操控性，確保行駛的安全性，提升乘坐的舒適性等方面全方位的提高整車性能;能夠解決油耗、排放等問題，節約能源、保護環境。

1.2 傳感器的定義和分類? 傳感器是一種信號轉換裝置，可以將感受到的被測量按照一定規律轉換為可用的輸出信號的裝置，以滿足信息的記錄、處理、存儲、顯示、傳遞和控制等要求。在汽車上，傳感器廣泛應用于車載鋰電池、發動機、底盤和車身等各個電子控制系統中，其主要作用是采集并向電子控制單元（ECU）提供汽車運行時的各種信息。傳感器種類很多，按照能量關系不同，可分為主動型傳感器和被動型傳感器，汽車上主要是用的是被動型，需要外加輸入電源才能產生電信號;按照輸入量的不同，可分為位移傳感器、速度傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、濃度傳感器等等;按照工作原理不同，又可分為電參量式、磁電式、壓點式、光電式等多種形式;按照輸出信號的不同，可以分為模擬式和數字式兩種;按制造工藝不同，可以分為集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器和陶瓷傳感器。

2? 汽車電子控制系統對傳感器的要求

傳感器是汽車電子控制系統中觸覺系統，它將車速、發動機轉速、溫度、氣體和液體的壓力、轉軸的角度位置等信息轉化成電信號，傳遞給汽車控制系統，汽車控制系統對數據信息進行分析處理，控制執行元件完成正確的操作指令。因此，傳感器是汽車控制系統的重要組成部分，其性能對汽車駕駛的安全性、舒適性有著重要的影響。

車用傳感器應滿足以下要求：一是響應快，測量精度高。傳感器的需要及時、準確的反饋數據信息，整個控制系統才能快速的針對工況做出反應，有效幫助駕駛員做出判斷。一旦響應不及時或是誤差過大，將會影響控制系統的準確度，特別在高速行駛過程中，會干擾駕駛員的判斷，造成嚴重的事故。二是要有較好的環境適應性，穩定可靠。車輛在行駛過程中會處于不同的氣候、環境，溫度、濕度變化較大，各種電磁干擾強弱不同，傳感器都應具備良好的適應性，能夠穩定、可靠的檢測相關數據，為確保車輛的安全行駛提供全面、正確的信息。

3? 傳感器在汽車電子控制系統中的應用

3.1 汽車發動機控制

3.1.1 電控汽油噴射? 電控汽油噴射系統中使用了大量的傳感器，以確保發動機在各種工況下均能實現最佳空燃比。發動機在正常溫度和轉速范圍內，ECU根據空氣流量傳感器檢測的發動機的進氣量、發動機轉速傳感器檢測的速度信號計算出基本噴油量;根據進氣溫度傳感器、發動機溫度傳感器提供的溫度信號，發動機轉速傳感器提供的轉速信號，節氣門位置傳感器檢測的節氣門開度信號，在氧傳感器所提供的混合氣體空燃比信號的基礎上修正燃油供給量，使得發動機在各種工況下具備最佳噴油量，提高發動機的動力性和經濟性。

3.1.2 電控點火裝置? 發動機運轉時，ECU根據發動機各缸的點火順序，在空氣流量傳感器、發動機轉速傳感器等提供的信號基礎上，判斷發動機的工況，實現基本點火提前角的控制。ECU根據發動機溫度傳感器、節氣門位置傳感器、氧傳感器和爆燃傳感器反饋的信號，通過點火時刻閉環控制系統來調整點火時刻，使得點火提前角始終保持在最優狀態，從而確保發動機獲得最大的輸出功率和轉矩，降低油耗、凈化排氣、改善經濟性能。

3.2 汽車底盤控制

3.2.1 電控自動變速器? 電控自動變速器使用節氣門位置傳感器、車速傳感器等，實現汽車在行駛中處于最佳檔位，能夠改善換檔質量，提升行駛的平穩性。在控制過程中，電控自動變速器使用多個轉速傳感器，用于換檔時間控制;使用節氣門位置傳感器信號，用于控制變速器換擋和變矩器鎖止;自動變速器油溫傳感器用于檢測自動變速器的溫度信號，用作換檔、油壓控制和離合器的鎖定控制等。

3.2.2 電控動力轉向? 在電控動力轉向系統中，主要由車速傳感器給ECU輸入信號。若是液壓式動力轉向系統，ECU將控制液壓油的供應實現轉向助力;若是電子控制動力轉向系統，ECU還將結合轉矩傳感器的輸入信號來確定助力轉矩的大小和方向，借助于電磁離合器和減速機構，將助力轉矩加載到轉向機構上。

3.2.3 電控懸架? 電控懸掛系統根據不同的路況，借助車速傳感器、車身高度傳感器、轉向盤轉角傳感器、節氣門位置傳感器等信息采集裝置采集汽車的行駛速度、路面情況等狀態信息，由ECU對數據進行處理后，發出調整汽車車身高度、懸架的傾斜剛度、減震器阻尼特性等指令，由執行器進行改善，使汽車行駛平穩，提高乘坐的舒適性。

3.3 汽車行駛安全系統

3.3.1 安全氣囊系統

安全氣囊系統由安全氣囊和帶預緊裝置的安全帶組成。當汽車前端發生高速碰撞時，碰撞傳感器和安全傳感器能夠檢測到汽車突然減速的信號，并判斷出汽車的碰撞強度，以便及時將信號送給安全氣囊控制單元進行計算比對，判斷是否彈出安全氣囊。當安全氣囊組件接到輸出指令后，在安全帶收緊的同時，快速彈出氣囊，形成一個緩沖軟墊，降低司乘人員受傷程度，起到被動性保護。

3.3.2 前照燈自動控制系統

前照燈自動控制系統通過安裝在儀表盤上的日照傳感器檢測車外光照的強弱與明暗變化，實現前照燈自動開關和自動調光的控制。前照燈自動開關根據車外日光的強弱變化，自動控制前照燈的開啟和閉合。在夜間行車時，根據環境燈光的明暗程度以及會車時的燈光干擾，前照燈能夠進行遠近光自動調節;駕駛員也可手動調整室內控制器，使系統進行遠近光的自動調節。

3.4 電動汽車中電池管理系統

目前，電動汽車發展迅猛，市場潛力巨大。車載蓄電池的性能決定了電動汽車的行駛里程、安全性和經濟性。電池管理系統是用于監控、管理、使用電動汽車上的鋰電池，以確保鋰電池可靠工作。該系統主要使用的傳感器有電壓傳感器、電流傳感器、溫濕度傳感器和位置傳感器等。

當車載鋰電池滿電時，會產生信號較強的高電壓大電流;當電池虧電時，電信號非常微弱。因此，需要使用電壓傳感器采集相關電信號，常用的有霍爾傳感器、電隔離電壓傳感器、電磁感應電壓傳感器、光電隔離電壓傳感器等。為了提高電流數據測量的可靠性和精準度，目前多采用具有自診斷功能的磁通門電流傳感器。為了防止車載電池過度充放電，延長電池使用壽命、提升利用率，需使用溫度傳感器對溫度進行精準控制。濕度對車載電池的性能和壽命影響很大，但信息不易撲捉，目前常用電阻式和電容式濕敏元件。系統中還用到位置傳感器對水冷裝置的液面位置進行檢測，以便及時調節主、副水泵的工作切換。

4? 傳感器的發展趨勢

4.1 新材料

隨著材料學科的不斷發展進步，生產工藝的飛速發展，特種陶瓷、光纖、半導體材料不斷應用到傳感器的敏感元件中，使得傳感器的性能和應用將會得到進一步的擴大。例如特種陶瓷，在保持其良好的電磁性能的同時具有很好的耐熱性，適用于高溫環境;控制半導體材料中氧化物的含量，適用于制造氣體傳感器。

4.2 微型化

半導體集成電路技術日益成熟，在此技術上可以將傳感器的敏感元件、信號處理電路、數據處理裝置集成到一塊芯片上，這些傳感器的體積小、重量器、功耗低，便于大批量生產，提高了精度、降低了成本，更加適用于汽車電子控制的應用。

4.3 多功能化

一個傳感器的檢測信號提供個多個控制單元使用，或者一個傳感器能夠檢測多個數據參數，這樣不僅可以大量減少汽車傳感器的使用數量，節約空間，還能提高系統控制的可靠性。因此，傳感器高度整合的多功能性是發展的必然趨勢。

4.4 智能化

當生產工藝不斷發展，傳感器和大規模集成電路能夠有效的結合在一起，形成以中央處理器為核心，具有檢測數據、自動診斷和處理信息等功能的智能傳感器。能夠自動分析、判斷的智能傳感器將會快速提升汽車的智能化水平。例如高級駕駛輔助系統，通過不同類型的車用傳感器協助，可以在車量行駛過程中感應周圍環境，進行動靜態識別，為車輛計算系統提供精準的路況數據，有效提升汽車駕駛的舒適性和安全性。

5? 結束語

隨著人們對汽車的安全性、舒適性、環保性等方面的要求不斷提高，汽車駕駛系統的操控性、智能性有待進一步的提升。傳感器作為汽車電子控制系統的重要組成部分，廣泛應用于汽車電子技術領域，極大影響了汽車的自動化程度。新能源汽車的快速普及、智能網聯技術的迅猛發展，都迫切要求傳感器在新材料、新工藝的推動下，朝著更加的多元化、智能化方向快速發展。因此，研發企業要以不斷優化傳感器為突破口，迎接汽車行業發展的新勢頭。

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