汽车与电子技术的密切关系

2010-12-03 来源：技术在线

　　汽车的性能取决于电子技术。虽然这种说法由来已久，即便是现在各种各样的技术仍不断地配备到汽车上，使得汽车在不断地变化发展。与汽车电子化一道成长、不断推出新型汽车电子技术的日本电装技术团队，将分多章回顾汽车电子技术，介绍关键技术的基础知识。本文将首先回顾汽车与电子技术的发展史，并探讨两者的密切关系。

　　要想理解汽车电子技术，就需要回顾一下汽车与电子两大技术在20世纪的发展史。图1为汽车与电子技术的发展历史。世界首辆汽油4轮汽车是在1886年由戈特利布·戴姆勒（Gottlieb 戴姆勒）发明的。汽车圆了“随时随地自由移动”这一人类多年来的梦想。

图1：汽车及汽车电子技术的历史
汽车的历史始于1886年，其发展得到了电子技术技术的推动。

　　从那以后过了大约20年，美国福特汽车（Ford Motor）的“Model T”（通称T型福特）将工艺品似的的汽车改变成了工业产品。生产线通过传送带方式提高了生产效率，这在当时具有划时代意义。始于19世纪末的汽车就这样被1908年推出的T型福特带入了全面普及期。这款T型福特在大约20年间生产了1500万辆，然后，直到德国大众汽车（Volkswagen AG）的“Type 1”（通称甲壳虫）生产了2100万辆以上为止，T型福特一直是单一车型中最热销的汽车。

　　汽车的实用化，是工业发展历史的集大成。也就是说，是产业革命由外燃机开始进一步引发能源革命，进而催生了内燃机。自T型福特以来，截至上世纪60年代为止，支撑汽车技术进步的是机械技术及制造技术。在这一时期，汽车业界通过机械加工及内燃机技术，实现了发动机性能的提升，而且，与“行驶、转弯、停车”相关的性能全凭机械技术的进步便可提供支持，这一点足以令人称奇。

电子技术是应对尾气排放规定的“救命稻草”

　　另一大技术——电子技术发端于1947年发明的晶体管，在此前不断发展形成的固体物理学及量子力学的理论的支持下，上世纪60年代以后电子技术取得了长足发展。从晶体管到IC（集成电路），再经过微处理器，最终促进了软件技术的发展。电子技术的应用遍及所有产业，在汽车电子技术领域的推广应用也毫不逊色于其他领域。

　　对于因为苦于应对尾气排放规定而停滞不前的汽车产业而言，上世纪70年代后电子式燃料喷射装置的实用化可以是成为了汽车产业的一棵“救命稻草”。借助电子技术，该装置超越了此前机械控制的极限，在不牺牲输出功率及燃效等性能的情况下成功地实现了尾气净化。汽车电子技术的发展带来了机械技术的新进展，汽车借助电子技术与机械技术的相乘效应，进一步实现了发展。电子技术的应用领域也开始不仅限于发动机控制，而是向数字仪表、安全气囊、ABS（Anti-lock Brake System）以及汽车导航系统等领域不断扩展。

　　就这样，汽油4轮汽车发明以来已度过了大约120年的时光，晶体管度过了约60年、T型福特度过了大约100年、微处理器度过了约40年的时光。

　　且不说汽车电装部件，汽车电子技术得以全面发展的时期是在上世纪70年代电子式燃料喷射技术面世以后。首先被应用于以发动机控制为代表的动力传动控制领域，之后，汽车电子技术逐渐扩大到车体系统、行驶安全系统以及信息系统（图2）。

图2：汽车电子技术应用产品的扩大
从动力传动系统向信息系统不断扩展

　　动力传动系统方面，从减少尾气、节省燃耗的系统开始，目前发展到了混合动力车及电动汽车的驱动控制。车体系统方面，车门锁等旨在提高方便性的系统被开发出来，之后，电子技术又为安全气囊以及ABS之类安全性能的提升作出了贡献。

　　目前，由于汽车与外部之间的通信功能的进步，紧急通报以及远程服务等已实现了实用化。在从上世纪90年代开始全面普及的汽车导航系统的技术进步中，通信功能发挥了重要作用，近年来，通信功能与ETC（Electronic Toll Collection）系统等交通基础设施的联动得到了强化。图2仅作了一个简介，汽车电子技术的详细年表见本文末尾的表1。

　　今后，可进一步提高燃效以及用于安全预防的技术的应用产品将会越来越多。为了满足汽车所要求的环保性能、安全性、方便性以及信息高速处理等各领域的要求，新产品将会不断被开发出来。

受益于半导体的技术进步

　　电子技术的进步，得益于半导体集成度的提高。图3通过单个IC中集成的元件数的逐年走势展示了这种进步，可以看出，其元件数呈几何级数式增加。

图3：半导体集成度提高的走势
IC的元件数一直在加速增长。

　　在作为上世纪20年代以来的固体物理学研究成果、量子力学的实际应用形成高潮是在1947年，William Shockley等人发明了晶体管。单个的晶体管从点接触式发展到平板式，再发展到开发出将多个晶体管集成在1个元件中的、以Kilby专利为代表的集成电路，进而最终发明了微控制器。

　　美国英特尔创始人之一的戈登·摩尔（Gordon Moore）提出了摩尔定律：“半导体的集成度每过18～24个月就会倍增”。集成电路应用产品一直在按照摩尔定律向前发展。如图3所示，双极IC、MOS（金属氧化膜半导体）IC以及内存等元件被开发出来，这些元件组成了单芯片微控制器，由此迎来了半导体技术的更大飞跃。

　　当时正是全世界数量庞大的电子技术人员竞相进行技术开发的年代。微细化技术为上述微控制器的性能提升提供了支持，引领了软件产业的崛起，并一直为目前电子技术产业的发展提供着支持。汽车也是从中受益的一个领域。

ECU的变迁

　　汽车上采用的ECU（电子控制单元）的发展进程见图4。（a）为在微控制器实用化以前就率先付诸实用的、采用模拟电路的电子式燃料喷射装置用ECU。这种ECU采用的是在1973年付诸实用的分立式（Discreet）元件实现的模拟方式。由此，发展出了如（b）所示的、由模拟IC构成的ECU。当时的IC封装处于DIP（Dual In-line Package）时代。

图4：ECU的技术进步
与其他设备及系统一样，逐步从模拟方式向数字方式转变。

　　（c）是以微控制器为主体构成的数字式发动机ECU。1978年采用的定制微控制器为12位，汇编语言方面采用了经过编程的软件。程序存储器为掩模型只读存储器（MaskROM），采用在微控制器制程中以晶圆状态进行制造的方式。照片为1983年车型的当时最为复杂的发动机ECU。

　　（d）是由2个32位的微控制器构成的现有动力传动ECU。2007年采用的这种ECU上使用的部件，全部为表面封装件。软件采用C语言进行编写。程序存储器为闪存，可从ECU的外部端子进行写入。

　　如上所示，ECU的规模、所采用的部件、封装的形状以及软件编写语言等都在与时俱进。

　　汽车电子技术随着制造ECU的各种关键技术的进步而不断发展。这些关键技术具体是指：微控制器及I/O（输入输出）的功能，传感器、致动器、软件及ECU的测评方法等。

　　今后，为了不断满足提高燃效、减少尾气排放、提高安全性及便利性等多样化需求，以半导体为代表，封装技术、软件技术以及测评技术等多种关键技术的进步必不可少。在这个意义上来说，了解作为汽车电子技术基础的关键技术的现状及发展趋势，极为重要（图5）。即便说这些关键技术将决定我们能否满足今后的系统需求也毫不为过。（未完待续，特约撰稿人：加藤光治，日本电装技术监督；中村克己，日本电装研究开发3部主任；手操能彦，日本电装技术策划部室长）