汽车电子控制器及其发展趋势
浏览:523次    类型:电动化    来源:商用汽车网    作者:    2018-12-31 13:07

汽车电子控制器的作用是接收来自传感器的信息并进行处理后,再输出相应的控制指令给执行器执行,控制器的反应速度、判断准确性至关重要。随着计算机技术和控制理论的不断发展,控制器的功能范围不断扩大。作为汽车电子控制系统的核心部分,汽车电子控制单元是嵌入式系统装置,一般包括硬件和软件两部份。硬件结构主要包括微处理器(MCU)、存储器和输入& 输出接口(A/D、D/A 转换器)单元。

图一  典型的汽车电子控制电路框图

根据统计分析,目前每辆乘用车上所使用的汽车电子控制单元(ECU)数量在25~100 个左右。由于汽车结构的复杂性、系统的变量多且相互影响,导致难以建立准确的数学模型。随着智能控制的发展,一般系统级控制采取智能控制方法,执行层控制采取经典理论控制,以建立精确的数学模型,从而进行精确控制。


图二  部分汽车电子控制单元



汽车电子控制系统分类
汽车电子控制系统大体可分为四个部分:发动机电子控制系统、底盘综合控制系统、车身电子安全系统和信息通讯系统。其中发动机控制器包括:

1. 电控点火装置(ESA)
该系统可使发动机在不同转速,进气量等因素下,在最佳点火提前角工况下工作,使发动机输出最大功率和转矩,且将油耗和排放降到最低。

2. 电控汽油喷射(EFI)
该系统根据各传感器输送来的信号,有效控制混合气空燃比,使发动机在各种工况下空燃比达到较佳值,从而实现提高功率、降低油耗和减少排气污染等功效。

3. 废气再循环控制(EGR)
该系统是将一部分排放中的废气引入进气侧的新鲜混合气中再次燃烧,以抑制发动机有害气体氮氧化合物的生成。

4. 怠速控制(ISC)
该系统能根据发动机冷却液温度及其他有关参数,如空调开关信号、动力转向开关信号等,使发动机的怠速处于最佳状态。

市场发展现状

作为全球最大的汽车市场,我国汽车电子控制器市场近几年增长迅速。截止到2016年,行业市场规模已经超过6000亿元,预计到2020年市场规模有望超过万亿元。

国内汽车电子控制器行业起步较晚,正处于成长阶段,行业集中度较低。国内汽车电子控制器行业制造商主要分布在珠三角、长三角等地区,其中珠三角为最重要的生产、出口区域,占比约50%。


表一  汽车电子控制器企业配套情况

表二  品牌车辆电子控制系统


技术发展现状

1. 汽车电子控制器硬件的核心在于微处理器

微处理器包括MCU、MPU、DSP 和逻辑IC 等,知名厂家主要有恩智浦、TI、英飞凌、瑞萨他ADI 等公司。电子控制单元(ECU)领先企业都是跨国汽车电子零部件巨头,如博世、电装和大陆公司等。

汽车用微处理器经常要进行大量的I/O操作,要实现高精度和实时控制,能够同时进行多种独立的控制操作。微处理器必须具有高速计算、高速实时输入和输出、高速A/D和D/A转换、多中断响应等性能。

汽车用微处理器不断更新换代。以发动机管理控制单元用微处理器(MCU)为例说明,从欧Ⅲ到欧Ⅵ,随着汽车油耗要求的不断提高,微处理器也从早期的16位CPU发展到32位CPU,处理速度(MIPS 指标)不断加快,所用的存储器容量也不断提高。

汽车自动驾驶技术的发展使得汽车微处理器处理的数据量成几何级增长,这就要求微处理器具有强大的实时计算处理能力,特别是识别行人物体的计算机视觉和深度学习功能。
由于汽车智能化的迅猛发展,汽车的微处理器市场广阔。据市场调研机构IHS 公司预测,2021 年全球汽车微处理器市场规模将达到约14 亿美元。

2.汽车电子控制另一个核心是软件算法

汽车智能化程度的提高,使软件系统越来越复杂,整个汽车软件代码行数在1000 万以上,软件价值占比不断上升,开发成本占汽车电子系统总成本的一半以上,重要性凸显。
汽车软件系统包括系统软件和应用软件两大部分。系统软件包括操作系统和一系列实用程序,一般由处理器芯片厂家提供。应用软件包括:数据采集与过程监控模块、数据处理模块、控制算法模块、执行机构控制模块和故障自诊断模块。

控制理论的不断突破,为汽车电子控制系统的发展提供了有力的理论支撑,从早期的经典控制理论到现代控制理论再到智能控制理论,与之相对应,汽车电子控制系统采用的控制技术由PID控制到鲁棒控制再到神经网络控制(CNN),控制功能越来越多。

由于汽车结构较为复杂,各个系统相互耦合,一般来说,系统层的控制采取智能控制、模糊控制算法,执行层的控制采取建立精准数学模型、精确控制的算法。

3. 技术发展趋势

(1)汽车电子架构发展趋势
目前所有领先车企和零部件企业都在开发线控技术产品。TRW 公司开发的线控系统使得燃油经济性提高5%,德尔福、博世和法雷奥也纷纷开发了线控技术产品。
汽车电子控制系统越来越复杂令系统存在较大故障隐患,未来基于高性能总线技术的分布式计算架构将改善这种情况。

(2)半导体工业的驱动 
ITRS 2012 发布全球集成电路发展路线图,未来集成电路将沿着“延续摩尔定律”(Moore)、“超越摩尔定律”(More than Moore)和“超越CMOS”(Beyond Moore) 方向发展。“延续摩尔定律”通过不断缩小尺寸升级产品,如SoC;“超越摩尔定律”通过系统级封装(SiP)等实现功能的集成。

几点建议

从产业链来看,汽车电子控制器上游零部件包括芯片、传感器、无源器件、电路板;中游为智能控制器设计制造;下游是汽车电子终端产品。上游的芯片直接反映了技术应用和产品性能,而这正是国内外汽车电子控制器差距所在。

针对不同控制系统关键芯片的发展现状建议如下。

一是对于汽车MCU、ADAS处理器等技术薄弱领域,应通过国际并购整合、企业合作、购买/授权知识产权等方式强化芯片技术,以拓展汽车应用市场。

二是在汽车传感器、电源管理芯片、功率器件等已经实现散点突破的领域,要尽快构建虚拟IDM模式,提升汽车芯片制造能力和可靠安全性能。

三是对于通讯导航芯片等目前国内发展较好的领域,要加强汽车芯片企业与整车和零部件企业的联动,实施汽车芯片国产化替代。