汽车电子

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汽车电子（Automotive electronics）是车辆中使用的电子系统，包括引擎管理、点火系统、广播、车载电脑、车载资讯系统、车载娱乐设备等。在卡车、摩托车、越野车中也会有点火、引擎管理、传动电子系统的设备，而其他以内燃机为动力来源的设备（如叉车、拖拉机、挖土机等）也有类似设备。而在混合动力车辆及纯电动车系统中也有控制电子系统的一些元件。汽车电子系统在车辆成本中占的比例越来越大，在1950年时只占1%，而2010年时已占到30%[1]。有些领域也会将汽车电子用汽车的Car代表，和3C产业合称为4C[2][3]。

最早装在汽车上的电子设备是真空管车用音响，在1930年代开始导入。二次大战后半导体的发展，让汽车中的电子设备大幅增加，车用交流发电机以及固态电子的二极管在1960年代变成标准配备，而第一个使用晶体管的点火系统在1955年代出现。

微处理器在1974年起开始普及，因此让许多车用电子应用的成本降低，其商品化更有可行性。1978年时Cadillac Seville轿车引入了以6802微处理器为基础的行程计算机（Trip Computer）。电子控制的点火及油料喷射系统让汽车设计者在设计时可以符合燃料效率及低排放的需求，并且维持驾驶者对性能及驾车便利性的要求。今天的车辆中至少包括十多个微处理器，其功能包括发动机管理、动力控制、空调温控、防锁死刹车系统、被动安全系统、导航功能等[4]。

现代的电动汽车在其主动力系统及电池管理系统上都是以电力电子学为其基础。而未来的自动驾驶汽车则会用到强大的电脑系统、感测器阵列、网络及卫星定位系统，这些都需要用到电子设备。

分类

汽车电子系统或是汽车嵌入式系统属于分散式系统，依照车用不同的应用，可以分为以下几类：

  1. 发动机管理
  2. 动力控制（Transmission electronics）
  3. 底盘电子（Chassis electronics）
  4. 被动安全
  5. 驾驶辅助系统
  6. 乘客舒适
  7. 娱乐系统
  8. 电子整合驾驶舱系统

发动机管理

汽车的发动机控制器（ECU）是汽车中最需要电子元件的部分之一。因为发动机本身非常快速也很复杂，因此也占了实时运算最多的资源。在汽车的所有电子元件中，发动机控制器需要的计算能力是最高的，一般会是32位元的处理器[来源请求]。

先进的汽车中的发动机控制可能会到一百个，商用车则约有40个[来源请求]。

发电机控制器的机能如下：

配合柴油引擎：

配合汽油引擎：

  • 空燃比控制
  • 车上诊断系统（OBD）
  • 冷却系统控制
  • 点火系统控制
  • 润滑系统控制（只有部分有电子控制）
  • 燃料喷射率控制
  • 节流控制（Throttle Control）

越来越多的发动机参数是由发电机控制器监控，并且作适度的调整。有发动机周围及内部有20至50个感测器，可以感测压强、温度、流量、发动机速度、氧气浓度以及NOx浓度等参数，这些资讯会送到发电机控制器，再由其中的逻辑来进行实际的控制。发电机控制器的输出会接到不同的致动器，例如节流阀、废气再循环（EGR）阀、齿条（可变几何涡轮增压）、燃料喷射器（会用脉冲宽度调变讯号）等。总共约有20至30个致动器。

动力控制

这部分的设备会控制动力传动系统，主要是在换档时适时的切换齿轮，让换档平顺，并且减少转矩的不连续。自动变速器会控制其运作，许多半自动的变速器也有全自动的离合器，至少也有半自动的离合器（分开离合器部分有自动机能）。发动机控制器和动力控制器在运作时会交换其资讯，包括感测器讯号及控制信号等。

底盘电子

底盘电子包括许多的子系统，有些是监控相关参数，有些则是主动控制：

被动安全

车辆的被动安全系统是预备在遇到碰撞，或是感测到会面临危险情形时动作：

驾驶辅助系统

主条目：高级辅助驾驶系统
  • 车道辅助系统
  • 速度辅助系统
  • 盲点检测
  • 停车辅助系统
  • 自动巡航控制系统
  • 行人侦测（Pre-collision Assist）

乘客舒适

  • 电脑恒温控制（Automatic Climate Control）
  • 记忆式电动座椅调整
  • 自动雨刷
  • 自动前大灯：自动调整亮度

娱乐系统

上述这些系统形成了信息娱乐系统（Infotainment System），其开发方式依制造商而不同，在硬件及软件都有许多不同的工具。

电子整合驾驶舱系统

新一代的混合型ECU，结合了信息娱乐系统主控单元、高级辅助驾驶系统（ADAS）、仪表板、后置摄像头、停车辅助系统及环视系统等系统的ECU。这样可以节省电子设备的成本，例如其硬件线路、机构外壳，以及各ECU之间的互连。此作法是中心化的控制，因此可以在系统中无缝的交换资料。

此作法也有其挑战，考虑混合系统的复杂度，需要更严格的验证系统的强健性、安全性及资料安全性。例如，若信息娱乐系统的应用程序是使用开源的Android操作系统，系统若被破坏，可能就会有骇客远端操控此车辆的风险，甚至有可能用在一些反社会的行为上。因此，一般会用合并硬件及软件的虚拟机管理程序，来创建一些彼此独立、可靠且安全的区域，此些区域不会受到彼此的失效或受破坏所影响。在此一领域已有许多研究。

机能安全需求

为了减小危险失效的风险，安全相关的电子统需要依照对应的产品责任要求来进行开发。忽略这些标准或是不当的应用标准不但可能会造成人员的伤害，也可能会有严重法律及经济上的损失，例如取消订单或是产品召回。

IEC 61508标准主要是在应用在电机/电子/可编程的安全相关产品，不完全符合汽车电子开发的需求。汽车电子中适用的安全标准是ISO 26262，目前以最终草稿国际标准（Final Draft International Standard、FDIS）的型式出版。ISO/DIS 26262描述道路车辆和安全相关的电机/电子系统的整个产品生命周期。在2011年以其最终版本发行，成为国际标准。这个新标准从汽车电子产品开发的概念阶段一直到其退役为止，标准的实施会调整开发过程，也会带来许多的创新。

资料安全性

许多车辆中的机能会连结到区域或是广域的网络，因此需要计算机安全系统，避免未授权的修改。对于连结到内部诊断网络的关键系统（例如发动机控制、传动、气囊及刹车），恶意的远端存取可能会改变其机能，或是使其无效，这些改变的结果有可能会造成人员受伤甚至死亡。每一个新的界面代表一个新的“攻击表面”。让车主利用手机app帮车辆解锁并发动的设备，也意味着这些机能有被（未授权）远端存取的风险。车辆制造商会保护些电子设处理器的内存，一方面避免未授权的更改，另一方面确保只有原厂授权的设备才能诊断及修护这些设备。像无钥匙进入系统会应用密码学技术，以避免用重放攻击或是中间人攻击技巧记录传送信号，在之后以此信号入侵车辆内[5]。

全德汽车俱乐部在2015年发表了对于一家车商其汽车电子系统的隐患分析，其隐患可以让未授权的远端存取帮车辆解锁[6]

相关条目

参考资料

  1. ↑ Automotive electronics cost as a percentage of total car cost worldwide from 1950 to 2030. [2019-05-08]. 
  2. ↑ 台商跃登“第4C”新贵
  3. ↑ 何来4C之说？
  4. ↑ Motoring with microprocessors. 2003-08-11 [2019-05-08]. 
  5. ↑ Tech Trends:Security concerns for next-generation automotive electronics. 2011-08-26 [2019-05-08]. 
  6. ↑ Auto, öffne dich! Sicherheitslücken bei BMWs ConnectedDrive. 2015-05 [2019-05-08]. .

延伸阅读

  • William B. Ribbens and Norman P. Mansour. Understanding automotive electronics 6th. Newnes. 2003. ISBN 9780750675994. 

外部链接

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