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電動汽車傳感器的類別、性能要求及技術趨勢

嘉峪檢測網(wǎng) 2018-09-03 08:44

電動汽車傳感器是汽車計算機系統(tǒng)的輸入裝置，它把汽車運行中各種工況信息，如車速、各種介質的溫度、發(fā)動機運轉工況等，轉化成電訊號輸給計算機，以便發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)。車用傳感器很多，判斷傳感器出現(xiàn)的故障時，不應只考慮傳感器本身，而應考慮出現(xiàn)故障的整個電路。因此，在查找故障時，除了檢查傳感器之外，還要檢查線束、插接件以及傳感器與電控單元之間的有關電路。

1 電動汽車傳感器基本知識

現(xiàn)在電動汽車工業(yè)中，傳感器廣泛應用在發(fā)動機、底盤和車身等系統(tǒng)中，在純電動汽車電子控制系統(tǒng)有著十分重要的作用。

傳感器作為純電動汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是純電動汽車電子控制系統(tǒng)的關鍵部件，電動汽車傳感器也是電動汽車電子技術領域研究的核心內容之一。目前，一輛普通家用轎車上大約安裝近百只傳感器，而豪華轎車上的傳感器可達二百余只。據(jù)報道，2000年汽車傳感器的市場為61.7億美元，到2008年市場需求量達到14.87億件。預計到2012年全球汽車傳感器市場將上升到135億美元，全球車用傳感器將以9%左右的增長率持續(xù)增長。

在純電動汽車里，傳供氣主要用于發(fā)動機控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)和導航系統(tǒng)。

2 電動汽車傳感器的發(fā)展趨勢

未來純電動汽車傳感器的發(fā)展趨勢是實現(xiàn)微型化、多功能化、集成化和智能化。

設計技術、材料技術。特別是微電子技術的發(fā)展是電動汽車傳感器的微型化提高到了一個新的水平，利用微電子機械加工技術將微米級的敏感元件、信號處理器、數(shù)據(jù)處理裝置封裝在同一個芯片上，它具有體積小、價格便宜、可靠性高等特點，并且可以明顯提高系統(tǒng)測試精度。多功能是指一個電動汽車傳感器能檢測兩個或以上物理參數(shù)或化學參數(shù)。

集成化是直接利用半導體特性制成單片集成電路傳感器或是將分離的小型傳感器作在硅片上，如集成溫度、濕度、壓力傳感器以及霍爾電路等。多功能化、集成化使傳感器的信號處理更為方便，大大提高了傳感器的使用性能，節(jié)約空間、降低成本。智能化是指純電動汽車傳感器與大規(guī)模集成電路的結合，使傳感器的智能性不斷升級，帶有專用微型計算機的智能傳感器已在汽車上應用。

3 電動汽車傳感器介紹

20世界末，隨著世界氣候環(huán)境的惡化和能源危機加劇，人們的環(huán)保和節(jié)能意識不斷增強，人們把目光轉向新能源汽車的研發(fā)上，混合動力汽車和電動汽車的出現(xiàn)時汽車領域的重大革命，電動汽車除了在能源、環(huán)保和節(jié)能方面比普通汽車顯示出優(yōu)越性和強大的競爭力外，在車輛性能方面也顯示除了巨大的優(yōu)勢，電動汽車的轉矩響應迅速、加速度塊，比燃油汽車搞出兩個數(shù)量級，電動機可分散配置，通過線傳電子控制技術直接控制車輪轉速，易實現(xiàn)四輪獨立驅動和四輪轉向。網(wǎng)絡技術、信息技術和線控技術的廣泛應用，使智能交通系統(tǒng)（ITS）的實現(xiàn)也變得非常簡單，還可以實現(xiàn)再生制動和能量回收，提高了電動汽車制動的安全性和可靠性。

電動汽車主要由電力驅動子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)等幾部分組成。其結構與傳統(tǒng)汽車相比有了明顯的變化，其傳統(tǒng)燃油動力系統(tǒng)被電力驅動系統(tǒng)所替代。電力驅動系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制器、功率變換器、電動機、機械傳動裝置和車輪，其功用是將存儲在蓄電池中的電能高效地轉化為車輪的動能，并能夠在汽車減速制動時，將車輪的動能轉化為電能充入蓄電池。電動汽車的能量源由電池提供。隨著電動汽車的結構的變化，其內部所用的傳感器也有所不同，傳感器類型也相應發(fā)生變化。車內大部分的傳統(tǒng)和機械鋼性信號被柔性的電信號所取代，增加了電源系統(tǒng)中一些電壓計電流傳感器。為了更好地控制電動機的出入電壓計電流，傳感器的檢測精度也比以往有所提高。電動汽車中同時保留了傳統(tǒng)汽車中輔助子系統(tǒng)中作用電子控制傳感單元（ECU），同時對安全管理系統(tǒng)和車身舒適系統(tǒng)傳感器提出更高要求，體現(xiàn)了汽車傳感器的最先進技術。

隨著汽車電子控制技術的發(fā)展，無論是電動汽車工業(yè)，還是傳統(tǒng)汽車工業(yè)對汽車傳感器的要求將會越來越高，汽車傳感器不僅要考慮安全、節(jié)能、環(huán)保以及智能化等方面性能，而且還要不斷提高其技術含量，降低生產(chǎn)成本，提高性價比。

4 電動汽車傳感器的組成與分類

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，日新月異的傳感器技術正廣泛應用到電動汽車領域中，現(xiàn)代汽車技術的發(fā)展特征之一就是越來越多的部件采用電子控制，而實現(xiàn)電子控制的主教就是傳感器。

傳感器能檢測物理量、化學量、生物理等信息，并把其轉換成電信號。根據(jù)傳感器的作用，可分類為測量溫度、壓力、流量、位置、氣體濃度、速度、光亮度、干濕度、距離等功能的傳感器，它們各司其職，一旦某個傳感器失靈，對應的裝置就會工作不正常甚至不工作。因此，傳感器是汽車控制系統(tǒng)的關鍵性部件，如果沒有各種傳感器，汽車上的河中微機控制根本無法實現(xiàn)。汽車興業(yè)是當前傳感器的最大用戶，據(jù)統(tǒng)計，1986年，在西歐傳感器市場上，汽車用傳感器占到33%，美國1986年汽車用傳感器約為1.1億個，其中用在發(fā)動機上的傳感器約為6 000萬個。但隨著汽車電子控制技術的發(fā)展，汽車用傳感器將大幅度地增加，遍布汽車的各個部位。

電動汽車傳感器與傳統(tǒng)汽車傳感器一樣，都是由敏感元件、轉換元件和其他輔助元件組成，優(yōu)勢也將信號調節(jié)與轉換電路及輔助電源作為傳感器的組成部分。其中敏感元件是指傳感器中能直接接受或響應被測量的部分；轉換元件指傳感器中能將敏感元件感受的或響應的被探測量轉換成適合傳輸和測量的電信號部分。

電動汽車傳感器按照其功用大致可分為兩大類：一類是使駕駛員了解電動汽車各部分當前狀態(tài)的顯示傳感器；另一類是用于控制汽車運行狀態(tài)的控制傳感器。電動汽車常用的控制類傳感器如表8.1表示。

5 電動汽車傳感器的性能與要求

傳感器的性能指標包括精度、響應特性、可靠性、耐久性、結構是否緊湊、實用性、輸出電平等。由于在電動汽車上為了有效地控制電動機與發(fā)電機，需要更高精度地檢測轉子轉速、電池的電壓計電流傳感器，因此對電動汽車用傳感器的要求如下：

1）有較好的環(huán)境適應性。電動汽車工作的環(huán)境溫度變化范圍較寬、道路表面優(yōu)劣程度相差很大，烈日、暴雨、環(huán)境溫度相差懸殊，因此要求傳感器耐震、耐溫、耐水性良好。

2）批量生產(chǎn)性。由于電動汽車是批量生產(chǎn)的，甚至同一種傳感器在一臺汽車上要用到十至上百個，所以要求電動汽車用傳感器要適合大批量生產(chǎn)的要求。

3）高精度。要求具有高精度的電壓及電流傳感器、轉速傳感器。如電動汽車上徐此案吃的電流檢測精度要求在0.05~1500 A之間。

4）可靠性。

5）體積小。盡可能做到體積小、質量輕，便于安裝、調試，減少整車重量。

6）符合電動汽車傳感器有關技術標準要求。

6 電動汽車傳感器應用-速度傳感器

速度傳感器是電動汽車較為重要的傳感器，也是應用較多的傳感器。就其定義而言，速度傳感器主要是用來測量速度的傳感器，分為轉速傳感器、車速傳感器、車輪轉速傳感器等。

轉速傳感器主要用于電動汽車電動機旋轉速度的檢測。目前，常用的轉速傳感器有三種，分別為電磁感應式轉速傳感器、光電感應式轉速傳感器、霍爾效應式轉速傳感器，均采用非接觸式測量原理，以增強檢測的安全性、提高檢測精度。

車速傳感器用來測量電動汽車行駛速度。車速傳感器信號主要用于儀表板的車速表顯示及發(fā)動機怠速、電動汽車加速其間的控制等。目前我國絕大部分電動汽車上的速度表都是以汽車論壇的選擇轉速變換成汽車速度進行測速的。這在汽車制動、打滑的情況下，以及論壇因新舊、摩擦、路面、胎壓高低等造成其外圓周長的變化都會造成誤差過大，甚至無法工作。目前車速傳感器主要有電磁感應式、光電式、可變磁阻式和霍爾式集中。電動汽車上普遍采用電磁感應式和霍爾式速度傳感器

7 電動汽車傳感器發(fā)展趨勢

全球傳感器市場正呈現(xiàn)出快速增長態(tài)勢。資訊公司INTECHNO CONSULTING的市場報告顯示，2008年全球傳感器市場容量為506億美元，預計2010年全球傳感器市場可達600億美元以上。東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區(qū)，而美國、德國、日本依然是傳感器市場分布最大的國家。就世界范圍而言，傳感器市場上增長最快的依舊是汽車市場。

“沒有傳感器技術就沒有現(xiàn)代汽車”已成為業(yè)內共識，這意味著汽車電子化越發(fā)達，自動化程度越高，對傳感器依賴性就越大。對此，業(yè)內專家認為，未來新型汽車應用系統(tǒng)將催生新的汽車傳感器與之配套。傳感器的最大特點是不斷引入新技術發(fā)展新功能，未來汽車傳感器技術總發(fā)展趨勢是微型化、多功能化和智能化。

世界車用傳感器開發(fā)趨勢

資料顯示，一輛普通家用轎車上大約安裝幾十只傳感器，豪華轎車上的傳感器數(shù)量可多達200余只。據(jù)市場研究機構Strategy Analytics預計，到2012年汽車傳感器銷售額達158億美元。

車用傳感器大致分為3類：動力系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)和車身舒適系統(tǒng)傳感器。其中動力系統(tǒng)傳感器市場所占比例最大，體現(xiàn)了汽車傳感器的最先進技術。例如，油門踏板位置傳感器的角度誤差必須在0.4%以內;節(jié)氣門位置傳感器需要極高的可靠性，并要能夠在-50度到150度工作。

在動力系統(tǒng)中，有源傳感器引領發(fā)展趨勢。凸輪和曲軸傳感器因為與汽車的“心臟”發(fā)動機密切相關，成為動力系統(tǒng)的關鍵。而有源的凸輪傳感器和曲軸傳感器能夠為動力系統(tǒng)提供更多的保護，因此將引領未來發(fā)展趨勢。預計在2009年，將有5820萬個有源曲軸傳感器投入使用，而無源傳感器則將減少到2150萬個。

在安全管理系統(tǒng)中，壓力傳感器實現(xiàn)側氣囊控制。汽車安全管理系統(tǒng)也是廣泛使用傳感器的領域。汽車側邊氣囊的控制有加速度傳感器和壓力傳感器兩種方案。權威數(shù)據(jù)表明，與加速度傳感器相比，壓力傳感器在檢測側邊撞擊的速度方面，比加速度傳感器快了將近3倍，而誤動作的概率則更小。

在車身舒適系統(tǒng)中，車門、變速箱、被動安全讓汽車更智能。車門模塊中，車門把手、車窗控制上使用了直流馬達位置傳感器，采用分布式門模塊架構，并通過LIN總線相連接。變速箱通過使用2軸或3軸角度/線性傳感器，能夠滿足不同的變速箱位置要求并節(jié)省成本，具體的傳感器選擇則要根據(jù)汽車變速箱的功能和設計需求來決定。被動安全裝置包括座椅承重的檢測、安全帶打開/扣住的監(jiān)測、座椅位置調節(jié)的檢測(保證氣囊系統(tǒng)的有效保護)等等，這些控制的細節(jié)對汽車傳感器的需求也十分可觀。

加速度、振動、速度傳感器是汽車運動測量中的三種主要傳感器，一直保持穩(wěn)定而強勁的增長勢頭。目前，世界生產(chǎn)這三種傳感器的大型企業(yè)有30多家，其中前5名公司占據(jù)了31.3%的市場份額。例如Endevco占13.6%，Wilcoxa Research占9.1%，摩托羅拉占4.2%，IMI占3.0%，Analog Devices占1.4%。

西方發(fā)達國家排放法規(guī)對尾氣排放量日益嚴格的要求，推動了汽車用氧傳感器的開發(fā)與生產(chǎn)。目前，已實用的汽車氧傳感器有氧化鍺氧傳感器、二氧化鈦氧傳感器等幾種。

值得一提的是，微型化傳感器利用微機械加工技術將微米級的敏感元件、信號調理器、數(shù)據(jù)處理裝置集成封裝在一塊芯片上。由于其體積小、價格便宜、便于集成等特點，可以提高系統(tǒng)測試精度，例如把微型壓力傳感器和微型溫度傳感器集成在一起，同時測出壓力和溫度，便可通過芯片內運算消去壓力測量中的溫度影響。目前已有不少微型傳感器面世，如壓力傳感器、加速度計、用于防撞的硅加速度計等。

在汽車輪胎內嵌入微型壓力傳感器可以保持適當充氣，避免充氣過量或不足，從而可節(jié)約燃油10%。多功能化的特性使得傳感器能夠同時檢測2個或2個以上的特性參數(shù)。

智能傳感器配有專用計算機，它的迅速發(fā)展將汽車的安全性能提高到一個前所未有的高度。隨著微電子技術和微機械加工技術的發(fā)展，傳感器正朝著微型化、多功能化、智能化方向發(fā)展。

傳感器在汽車中的應用圖解

業(yè)內專家由此看好汽車傳感器在中國的發(fā)展前景。他們認為，汽車數(shù)量的增加以及每輛汽車上所采用傳感器的增多，決定了中國汽車傳感器市場容量必將不斷增大，中國傳感器市場正進入蓬勃發(fā)展期。

然而，和國外傳感器產(chǎn)業(yè)相比，中國汽車傳感器尚未形成獨立的產(chǎn)業(yè)。自20世紀80年代以來，中國汽車行業(yè)引進國外的先進技術及與之相配套的傳感器生產(chǎn)技術，基本滿足了國內小批量、低水平車型的配套需求。中國汽車行業(yè)自行配套的傳感器只是一些低檔的產(chǎn)品。車傳感器對整車廠而言，是二級配套產(chǎn)品，必須以系統(tǒng)形式進入整車廠配套。當中國發(fā)動機電子控制系統(tǒng)由國外進口時，其相應配套的傳感器也同時進口到中國。

可見，中國汽車傳感器產(chǎn)業(yè)整體水平較低，多種傳感器尤其是高水平汽車傳感器仍舊依賴進口。傳感器市場被西門子、博世、霍尼韋爾等國際零部件巨頭占據(jù)大半江山，而國內汽車傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。

業(yè)內人士認為，中國傳感器企業(yè)生產(chǎn)技術和生產(chǎn)規(guī)模目前并未達到汽車產(chǎn)業(yè)高新技術的要求，每年要進口50萬套以上的高性能汽車傳感器。中國的汽車傳感器產(chǎn)品與國外同類產(chǎn)品相比，水平相差10多年。比如，中國企業(yè)生產(chǎn)的曲軸位置、車速傳感器有不少采用電磁式或霍爾式傳感方式，存在著準確度低、分解能力差、信號精度不高、抗干擾性弱等問題，而國外同類產(chǎn)品早已采用光電式，有效避免了上述弊端。

另外，汽車傳感器微型化、多功能化、集成化和智能化的發(fā)展趨勢對采用新工藝和開發(fā)新材料提出了更高要求。磁敏、氣敏、力敏、熱敏、光電、激光等多種傳感器應運而生，傳感器的材料也從金屬發(fā)展成為半導體、陶瓷、光學纖維等材料。在這些方面，中國企業(yè)與外資企業(yè)的差距巨大。

目前，汽車技術升級換代，國內外企業(yè)都將車用傳感器技術列為重點發(fā)展的高技術。微型化、智能化、非接觸測量和MEAS傳感技術，將逐步取代傳統(tǒng)的機械式、應變片式、滑動電位器等傳感技術，汽車傳感器在安全、節(jié)能、環(huán)保以及智能化方面將取得重大突破。而各大傳感器廠商在性能上的比拼，將提升汽車傳感器的技術含量，降低生產(chǎn)成本，并推動新的技術革命，促進汽車傳感器工業(yè)的發(fā)展。

來源：傳感器技術

電動汽車傳感器的類別、性能要求及技術趨勢

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