1.1.1 汽车电控系统的历史

汽车电控系统的萌芽源自于汽车点火系统和起动系统的发展。1876年，德国工程师奥托发明了汽油机，由于发动机的点火方式是火焰点火，所以汽油机运行得非常不稳定。1902年，德国人罗伯特·博世发明了高压磁电机和火花塞点火系统，并成功商业化。一直到今天，高压磁电机及火花塞一直都在汽车上使用。最初的电控系统，只是卡尔·本茨设计的由点火线圈和蓄电池所组成的点火装置，在随后生产的汽车中又增设了前照灯和发动机起动电机这类设备，如图1-2所示。

汽车电控技术萌芽阶段的另一个推动因素则是汽车的另一个重要应用——起动机，起动机发明的背后有着一个感人的故事。据传，最早的汽车是通过用手摇动摇柄的方式来起动的，一位英国绅士在帮助一位汽车半路熄火的女士起动汽车时，起动杆突然反转打到了这位绅士的头部导致他不幸逝世。而这位绅士正是当时通用汽车的总裁詹姆斯·J.斯托若的好友，詹姆斯·J.斯托若在听闻这个噩耗后十分痛心，同时也萌生了发明汽车起动机的想法。于是一场针对自动起动装置的攻坚战在通用汽车集团打响，很快就确定了起动机的工作方式为由电能转化为推动飞轮旋转的机械能。最终在1911年，第一款应用电动起动机技术的凯迪拉克Type-53型汽车问世，标志着汽车电器进入了一个发展高潮。图1-3所示为起动机的发展历史。

1.汽车电控技术的起源阶段

20世纪30~50年代，真正的汽车电子技术才开始应用于汽车上。20世纪30年代早期，轿车上安装了真空电子管收音机。但是由于电子管收音机具有不抗振、体积大、耗电多等弊病，成为在汽车上推广应用的主要障碍，不过在汽车中安装收音机的设想始终没有消失。

1948年晶体管的发明及1958年第一块集成电路（Integrated Circuit，IC）的出现才真正开创了汽车电子技术的新纪元。1955年晶体管收音机问世后，采用晶体管收音机的汽车迅速增加，并作为标准部件安装在德国大众汽车上。从20世纪60年代起，轿车中开始使用半导体元器件。在汽车中首先使用的半导体元件是硅二极管，作为功率晶体管来替代原有的如电压调节器之类的电磁接触器等元器件。功率晶体管元件的应用极大地改善了汽车的性能和可靠性。这一阶段汽车电控的功能应用在照明系统、低压供电电源、晶体管收音机以及汽车空调等基础功能上，20世纪30~50年代电控技术的发展如图1-4所示。

2.汽车电控技术的初步发展阶段

20世纪60年代是汽车电控技术的活跃阶段，人们开始对汽车发动机周围零部件的电子化进行研究。1967年，工程师首次将集成电路元件应用在汽车中。在同一年代，美国的克莱斯勒公司在其生产的汽车中配置了电子点火装置，而德国的博世（BOSCH）公司则率先开发出电子燃油喷射装置。这一阶段的电控系统的主要功能有交流发电机控制、电压调节控制、电子闪光器、电子喇叭、间歇刮水器、电子点火控制等。20世纪60年代汽车电控技术的发展如图1-5所示。

3.汽车电控技术的快速发展阶段

20世纪70年代，汽车电控技术进入了快速发展阶段，以集成电路和16位及16位以下的微处理器在汽车上的应用为标志。这期间最具代表性的成就是电子汽油喷射装置（Electronic Fuel Injection，EFI）的发展和制动防抱死（Antilock Braking System，ABS）技术的成熟，使得汽车的主要机械功能用电子技术来控制。

ABS技术于1968年开始研究并应用于汽车上。1975年，随着美国联邦机动车安全标准121款的通过，许多重型载货车和公共汽车装备了ABS，但由于制动系统的许多技术问题和载货车行业的反对，1978年，这一标准被撤销。同年，博世作为世界上首家推出具有电子控制功能的ABS的公司，将这套ABS 2系统开始作为选配配置安装在车辆上，并装配在梅赛德斯-奔驰S级车上，然后很快又配备在了宝马7系列豪华轿车上。

1967年，德国博世公司成功研制出K-Jetronic机械式汽油喷射系统，进而成功开发出增加了电子控制系统的KE-Jetronic机电结合式汽油喷射系统，使该技术得到进一步的发展。1967年，德国博世公司率先开发出一套D-Jetronic全电子汽油喷射系统并应用于汽车上，于20世纪70年代首次批量生产。它是为汽油发动机取消化油器而采用的一种先进的喷油装置，从汽油机上普及电控汽油喷射技术，汽油机混合气形成过程中，液体燃料的雾化得到改善，更重要的是可以根据工况的变化精确地控制燃油喷射量，使燃烧更充分，从而提高功率，降低油耗，并在当时率先达到了美国加利福尼亚州废气排放法规的要求，开创了汽油喷射系统电子控制的新时代。

1973年，在D型汽油喷射系统的基础上，博世公司开发了质量流量控制的L-Jetronic型电控汽油喷射系统。之后，L型电控汽油喷射系统又进一步发展成为LH-Jetronic系统，后者既可精确测量进气质量，补偿大气压力，又可降低温度变化的影响，而且进气阻力进一步减小，使响应速度更快，性能更加卓越。

1979年，德国博世公司开始生产集电子点火和电控汽油喷射装置于一体的Motronic数字式发动机综合控制系统，它能对空燃比、点火时刻、怠速转速和排气再循环等方面进行综合控制。为了降低汽油喷射系统的价格，从而进一步推广电控汽油喷射系统，1980年，美国通用公司（General Motors，GM）首先研制成功一种结构简单、价格低廉的节流阀体喷射（Throttle-Body Injection，TBI）系统，它开创了数字式计算机发动机控制的新时代。TBI系统是一种低压燃油喷射系统，它控制精确，结构简单，是一种成本效益较好的供油装置。并且随着排放法规的不断完善，这种物美价廉的系统大有取代传统式化油器的趋势。博世公司的ABS和燃油喷射系统如图1-6所示。

除了这些代表性的技术突破，20世纪70年代，汽车电子控制技术还有众多成就，例如自动门锁、遥控驾驶、高速警告系统、自动灯光系统、自动除霜控制、空气悬架电子控制、撞车预警控制、自动巡航控制、电子变速器、闭环排气系统等汽车电子控制系统都在这一时间段里开始了验证与设计。20世纪七八十年代汽车电控技术的发展如图1-7所示。

4.汽车电子控制技术的成熟阶段

20世纪80年代以后，汽车电子控制产品研制与开发的竞争十分激烈，同时微电脑在汽车上的应用日趋可靠和成熟，汽车电子控制技术向智能化的方向发展。这期间，日本许多汽车制造厂家已开始在所生产的轿车中引进电子转向助力系统（Electric Power Steering，EPS），该系统的主要功能是在车辆低速或停止行驶时提供助力，让驾驶人转动转向盘时更省力；而当车辆高速行驶时增加转动方向盘的阻力，使得车辆驾驶保持平稳。另外还允许驾驶人去选择他们最适宜的转向盘操纵特性。电子转向助力系统采用电动机与电子控制技术对转向进行控制，利用电动机产生的动力协助驾驶人进行动力转向，系统不直接消耗发动机的动力。EPS一般由转矩（转向）传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向器以及蓄电池电源等构成。汽车在转向时，转矩（转向）传感器会感知转向盘的力矩和拟转动的方向，这些信号会通过数据总线发给电控单元，电控单元会根据传动力矩、拟转动的方向等数据信号，向电动机控制器发出动作指令，电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩，从而产生助力转向。如果不转向，则本套系统处于待调用状态。电子转向助力系统提高了汽车的转向能力和转向响应特性，增加了汽车低速时的机动性和调整行驶时的稳定性。

车身控制系统，包括车用空调控制、数字化仪表显示、前风窗玻璃的刮水器控制、车灯控制、车后障碍检测、安全保护系统、多路通信系统、电动车窗控制、电动座椅控制、安全带控制及安全气囊控制等。

自动巡航系统，是通过控制节气门的位置来保持预先设定好的车速，而驾驶人不用一直脚踩加速踏板的辅助驾驶系统。该控制系统是根据车速传感器、定速控制开关及定速取消开关的信号，通过进气管的负压压力或一台小电机来调节节气门挡板的车辆纵向控制系统。

轮胎压力监测系统（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）的主要作用是在汽车行驶过程中对轮胎气压进行实时自动监测，并对轮胎漏气和低气压进行报警，以确保行车安全。这些控制系统的实物如图1-8所示。

20世纪80年代是汽车电子控制技术快速发展的阶段，许多我们今天耳熟能详的汽车电子控制技术就是在这一时期被发明出来的。这一时期汽车电子控制技术取得的成就有：电子助力转向控制系统、车身电子控制系统、自动巡航控制系统以及胎压监测控制系统等。20世纪80年代汽车电子控制技术的主要架构如图1-9所示。

5.汽车电子控制技术革新阶段

20世纪90年代以及21世纪初是汽车电子控制技术革新的阶段，在1983年，博世公司的工程师就开始致力于研发减少车辆打滑失控的系统，他们钻研当时的ABS，并且打算利用相似的技术来控制车身动态。经过十多年的研发，博世公司终于在1995年推出了第一个车身电子稳定系统（Electronic Stability Program，ESP），如图1-10所示，用于监测汽车的行驶状态，在紧急躲避障碍物或转弯时出现过度转向时，使车辆避免偏离理想轨迹，从而减少交通事故。

ESP的工作原理为：

1）首先通过转向盘转角传感器及各车轮转速传感器识别驾驶人转弯方向（驾驶人意愿）。

2）ESP通过横摆角速度传感器识别车辆绕垂直于地面轴线方向的旋转角度，通过侧向加速度传感器识别车辆实际运动方向。

3）若ESP判定为出现不足转向，则将制动内侧后轮，使车辆进一步沿驾驶人转弯方向偏转，从而稳定车辆。

4）若ESP判定为出现过度转向，则将制动外侧前轮，防止出现甩尾，并减弱过度转向趋势，稳定车辆。

5）如果单独制动某个车轮不足以稳定车辆，ESP则将通过降低发动机转矩输出的方式或制动其他车轮来满足需求。

此外，其他车企开发出了类似的车辆稳定控制系统，如沃尔沃开发的DTSC、宝马开发的DSC、丰田开发的VSC等。

此外，汽车行业中的一个革命性技术也诞生在这个时期。1986年2月，博世公司在汽车工程师协会（Society of Automotive Engineers，SAE）大会上推出了控制器局域网（Controller Area Network，CAN）串行总线系统。这是有史以来最成功的网络协议之一诞生的时刻。如今，欧洲几乎所有汽车都配备了至少一个CAN网络。CAN还用于其他类型的交通工具，从火车到轮船，以及工业控制中，CAN都是最主要的总线协议之一，甚至可能是全球领先的串行总线系统。它基于一种非破坏性仲裁机制，该机制允许总线访问具有最高优先级的帧而没有任何延迟，没有中心控制器。此外，CAN之父（上述人员以及博世员工Wolfgang Borst、Wolfgang Botzenhard、Otto Karl、Helmut Schelling和Jan Unruh）已经实现了几种错误检测机制。错误处理还包括自动断开故障总线节点等，以保持其余节点之间的通信。传输的帧不是由帧发送器或帧接收器的节点地址（几乎在所有其他总线系统中）识别的，而是由它们的内容识别的。表示帧有效载荷的标识符，还具有指定帧在网络段内的优先级。

1991年，世界上首款基于CAN总线系统的量产车型奔驰500E正式亮相。CAN总线的诞生标志着汽车电子电气架构从原先的独立系统变为了网络控制系统。1995年，宝马在其7系汽车中使用了带有5个ECU的树/星形拓扑CAN网络。随后，其他汽车厂商也开始在汽车中应用CAN网络来实现车内各处理器间的通信。

在2000年初，一个由数家公司组成的ISO特别工作组为CAN帧的时间触发传输定义了一个协议。Bernd Mueller博士、Thomas Fuehrer博士和其他博世员工，以及半导体行业和学术研究专家共同定义了协议“CAN上的时间触发通信”（Time-triggered Communication on CAN，TTCAN）。这种CAN扩展可以实现时间等量的帧传输和通过CAN的闭环控制，而且还可以在x-by-wire（线控系统）的应用中使用CAN。由于CAN协议未更改，因此可以通过同一物理总线系统传输时间触发帧和事件触发帧。

CAN总线通信技术的发展助力了汽车电子控制技术的发展。在CAN通信大规模应用后，汽车上的处理器逐渐增多，汽车所包含的功能也越来越多，整车的电子电气架构也越来越复杂。20世纪90年代—21世纪初汽车电子控制技术的架构如图1-11所示。