摘要：汽車電子技術是決定汽車功能和性能的關鍵技術，汽車電子控制技術和汽車電子信息技術的不斷拓展使得汽車更加節能、安全、舒適、可靠，隨著電動化和智能化的發展，汽車電子技術的發展出現了新的功能和新的需求，以電力電子技術和信息技術為代表的新型汽車電子技術開始在汽車上大規模應用，由此支撐汽車向低碳環保、安全智能的新型移動出行交通工具轉型，汽車電子技術面臨新的問題和挑戰，同時汽車電子技術將更加開放包容，該領域將出現更加廣闊的發展空間。

引言：自20世紀70年代以來，汽車開始了電子化過程，汽車電子化被認為是汽車技術發展進程中的一次革命，汽車電子化的程度被看作衡量現代汽車水平的重要標志，是用來開發新車型、改進汽車性能最重要的技術措施，目前電子技術的應用幾乎已經深入到汽車所有的系統［1］。毫無疑問，增加汽車電子設備的數量、促進汽車電子化是奪取未來汽車市場的最重要的技術手段之一。

回顧歷史，在汽車電子技術形成獨具特色的知識體系之前，經歷了以下三個重要的階段：

1、電子-機械替代（20世紀50年代至60年代末）：由分立元件組成的單一電子零部件被應用到汽車上，用來改善某些機械部件的性能或直接取代傳統的機械部分，比較典型的應用有晶體管點火裝置、晶體管電壓調節器等，這一階段電子技術在汽車上的成功開啟了電子技術與汽車產業融合的大門，也在一度程度上提升了汽車使用性能。

2、獨立模塊電子控制（20世紀70年代初至80年代中期）：這一階段為了解決汽車的安全、燃油經濟性和污染等問題，出現了以微型計算機和集成電路為基礎的專用獨立汽車電子系統，例如電子控制汽油噴射系統、制動防抱死（ABS）系統等。這些獨立系統解決了機械結構無法應對的復雜控制問題，有效提高了車輛的可靠性、節能性和環保性。

3、分布式電子控制（20世紀80年代中期至90年代中期）：隨著大規模集成電路技術的發展、計算控制技術的突破、通信技術的發展，使得汽車電子技術可完成多種功能的綜合系統成為這一階段汽車電子產品的典型代表，例如集發動機控制與自動變速器控制為一體的動力傳動系統控制系統等。在這一階段，通過汽車電子技術，汽車已經從純粹的機械產品轉變成為了一個具有機電一體化顯著特征的工業產品。

按照對汽車行駛性能作用的影響劃分，可以把汽車電子產品歸納為兩類：一類是汽車電子控制裝置，汽車電子控制裝置要和車上機械系統耦合在一起工作，即所謂“機電結合”的汽車電子裝置，它們主要包括發動機、傳動、底盤、車身電子控制等。典型系統如電子燃油噴射系統（Electronic Control Fuel Injection System，EFI）、制動防抱死控制（Anti-lock Brake System，ABS）、加速防滑控制（Acceleration Skid Control System，ASR）、牽引力控制系統（Traction Control System，TCS）、電子控制懸架（Eletronic Control Suspension System，ECS）、電子控制自動變速器（Automatic Transimission，AT）、電子動力轉向（Electronic Power Steering，EPS）等。這一類電子系統的關鍵詞是“控制”。

另一類是車載汽車電子信息裝置，它們和汽車本身的行駛性能并無直接關系，主要是輔助駕駛員駕駛和為車內成員提供信息支撐，包括汽車信息系統（行車電腦）、導航系統、汽車音響及娛樂系統、車載通信系統、上網設備等，第二類電子系統的關鍵詞是“信息”。作為電子信息技術與傳統汽車技術的結合應用，本文根據作用和目的將汽車電子分為汽車電子控制技術和汽車電子信息技術兩大類別，前者實現汽車零部件的控制，而后者實現信息的處理。

（ECU： Electronic Control Unit，電子控制單元） 圖1 汽車電子系統

由于汽車上的電子電器裝置數量的急劇增多，為了減少連接導線的數量和重量，網絡、總線技術在此期間有了很大的發展。通信線將各種汽車電子裝置連接成為一個網絡，通過數據總線發送和接收信息。電子裝置除了獨立完成各自的控制功能外，還可以為其他控制裝置提供數據服務。由于使用網絡化的設計，簡化了布線，減少了電氣節點的數量和導線的用量，使裝配工作更為簡化，同時也增加了信息傳送的可靠性。通過數據總線可以訪問任何一個電子控制裝置，讀 取故障碼對其進行故障診斷，使整車維修工作變得更加簡單。

依賴于網絡技術和多體動力學技術的進步，電子技術發展向集成綜合控制發展，例如，將發動機管理系統和自動變速器控制系統，集成為動力傳動系統的綜合控制（Powertrain Control Management，PCM）；將制動防抱死控制系統（ABS）、牽引力控制系統（TCS）和加速防滑控制系統（ASR）綜合在一起進行制動控制；將制動、懸架、轉向、動力傳動等控制系統結合在一起，對各子系統進行協調，將車輛行駛性能控制到最佳水平，形成一體化底盤控制系統（Uniform Chassis Control，UCC）。 隨著汽車電子裝置的增多，車輛上的汽車電子系統的復雜程度也逐漸增加，隨之而來開發過程也日益復雜，開發成本壓力也越來越大、優化程度也越來越高，也就是說，汽車電子的問題從具體明確的機電耦合系統的控制問題演變成了復雜系統問題，復雜性成為了汽車電子的主要特點，為了更有體系性地解決汽車電子復雜性增加帶來的問題，需要形成獨具特色的汽車電子的方法論和工具鏈。

二、汽車電子學科體系的形成 自20世紀90年代中期至2010年左右，面對汽車電子系統日益增加的復雜性，為了進一步縮短開發周期、降低開發成本，人們已開始考慮以成本、質量、可重用性、可移植性這樣一些非功能性需求驅動的開發架構體系的建立，出現了以電子電氣架構、軟件架構、開發流程為代表的汽車電子方法論的形成。其主要特點在于：

1、分布式電子電氣架構 傳統的原理以及線束設計已經遠不能滿足現今汽車平臺化、模塊化開發的要求，在這樣的背景下，在CAN總線技術、LIN總線技術及FlexRay總線技術等通訊技術支撐下，汽車電子電氣架構（Electronic & Electrical Architecture，EEA）的概念誕生了。EEA可以理解為汽車電子電氣系統的總布置，是在功能需求、法規和設計要求等的特定約束下，綜合考慮功能、性能、成本和裝配等方面的因素后，得到的最佳電子電器模型。 汽車電子電器架構的宏觀表現為物理架構和邏輯架構［2］。其主要內容包括：配置定義、電源管理、網絡管理、路由規劃、原理設計和線束設計等。EEA開發過程中需要處理龐雜的數據和流程，完備的模型庫和合適的開發工具可以有效加快開發進度［3］。

2、模塊化開放式軟件架構 為了避免大量基本功能軟件的重復開發造成的資金和資源的浪費，使汽車制造商和系統供應商可以專注于開發具有各自特色的系統應用軟件，需要提出一個基于共享理念的開放的、標準化的架構。 AUTOSAR就是這樣一個針對分布式嵌入系統軟件開發的汽車開放系統架構，根據該架構的規范可實現基本系統功能（基本軟件）標準化和功能接口標準化［4， 5］。其根本宗旨是要建立汽車電子電氣架構的開放式標準，使其成為汽車嵌入式應用功能管理的基礎架構，基于一個統一的由標準軟件模塊組成的開發設計平臺，可以避免由異構子系統集成而產生的問題，使各電子系統在網絡中的集成、匹配更加容易，同時也使得同步開發、縮短開發周期和實現差異化競爭成為可能。

3、V模式開發流程及其工具鏈 汽車具有移動性強、多樣化、安全、舒適、低成本的和可靠耐用的商品屬性，便要求汽車嵌入式系統應用具有很高的功能完備性和運行可靠性。 為了保證這一要求的實現，必須采用建立科學的開發流程，對整個產品開發過程加以控制。從系統產品的功能定義和方案設計一直到產品完成后的集成測試/匹配/標定，可靠的功能性設計—實現—驗證貫穿研發過程的每一個階段。普遍應用于汽車電子系統產品研發的V模式開發流程是反映這種全新開發理念的一個代表，與專門針對汽車嵌入式應用軟件開發的AUTOSAR體系規范以及其他一些由非功能性需求驅動建立的架構方法構成了汽車電子系統產品開發的方法論。

汽車電子系統產品開發的方法論與嵌入式系統實現技術都對汽車電子的發展產生重要的影響。汽車電子產品開發流程中任何一個設計、驗證和按架構體系進行的任何設計與實現過程都需要有相應的符合規范的開發預測試工具，即所謂開發理念的工具化，將方法論物化成為開發工程師和項目管理者易于使用的軟硬件工具。因此，汽車嵌入式產品開發工具對汽車嵌入式技術的發展具有重要的意義。

以汽車控制用嵌入式軟件技術形成方法論和工具鏈為特征，汽車電子軟件開發脫離了個性藝術，以電子電氣架構、AUTOSAR軟件架構、V模式開發和代碼自動生成為典型技術的汽車電子技術進行了深度整合，形成了具有自身特征的方法論和工具鏈，形成了平臺化、流程化的大型工程規范，大大提高了軟件的生產效率和可靠性［6］。汽車電子技術因此成為具有自身明顯特征的專業知識體系［7］。

自2010年至今，汽車電動化、智能化的兩大趨勢開始出現，在電子控制領域，電力電子技術被廣泛應用在汽車上，控制技術從弱電擴展到強電；而在汽車電子信息領域，隨著車內車外信息互聯互通，信息來源極大豐富，其功能也從輔助駕駛員駕駛到逐步替代駕駛員駕駛，智能技術成為信息處理的主要技術手段［8］。電動化和智能化對汽車電子技術形成了很大的挑戰，也帶來了新一輪發展的可能。 三、電動化對汽車電子技術發展新需求 電動汽車包含混合動力汽車（含插電式混合動力）、純電動汽車、燃料電池汽車等。電動化主要針對是動力系統的改變，其主要分類如圖2所示。

圖2 汽車的電動化 電動汽車帶來了全新的動力系統控制對象，如鋰離子電池、燃料電池等。雖然其特征與內燃機完全不同，但從控制方法論上，與內燃機控制并無根本不同。但電動汽車中電動機成為主要的動力源，電能變換成為主要的功率變換手段，電力電子技術也因此大規模應用，帶來了電動化條件下汽車電子控制技術的主要差異，所涉及的主要技術問題包括：

1、高效能電力電子技術 傳統汽車只有發電機和啟動電機是千瓦級的用電負載，電壓等級也是12V-24V的低壓直流體系，而電動汽車把電功率提高到了百千瓦級別。 電動汽車的電驅系統和電能轉換和變流系統是高電壓、大電流、高功率的電力電子裝置集合，從部件上看主要包括驅動電機控制器、發電機控制器、車載充電機、無線電能傳輸、高低壓電源變換器和輔助電機控制器等功率變換控制器；從拓撲結構也有橋式電路、升壓、降壓和各種零電壓、零電流諧振電路等；從功率開關器件看主要包括絕緣柵場效應管（IGBT）和金屬場效應晶體管（MOSFET），以及新一代寬禁帶電力電子器件如SiC、GaN等［9-11］，大規模電力電子技術的應用，是電動汽車電子技術有別于傳統汽車電子技術的根本特征。

2、高集成電磁兼容技術 與傳統汽車相比，電動汽車集成了包括高壓動力驅動系統和信息智能設備在內的更多的電子系統，這些高低壓電子器件集中布置、混合使用，共同構成的強弱電共存的復雜電磁環境，而且這些電子電氣設備的電氣特性和功能特性都與電磁干擾密切相關。 EMC問題已然成為了制約電動汽車的瓶頸技術和保障車輛行駛安全和系統可靠性的巨大挑戰［12］。整車層面上的EMC干擾問題主要來源于電驅主控、DC/DC、輔驅等電氣設備，從相關研究和實驗的結果上來看，有多達90%的電動汽車EMC干擾問題來源于電驅系統［13］。這些功率半導體器件在通過脈寬調制（PWM）進行能量變換過程中，會產生干擾強度高、耦合路徑復雜且與工況密切先關的電磁干擾。 電力電子裝置作為一個集成安裝在車輛內部的強電磁干擾源，其對車輛內部電磁環境，尤其是對于弱電系統的影響是不可忽視的，針對電力電子系統車用環境下的電磁兼容問題，還需要在基礎理論、系統設計和測試標準等方面加強研究。

3、高電壓電氣安全技術 電動汽車電氣安全的問題主要包括絕緣監測、高壓互鎖和碰撞安全三個典型高電壓安全問題。電動汽車的高壓供電系統一般為電動汽車的能量儲存裝置其工作電壓已經遠遠超過了人體安全電壓的范圍，一般為300V以上，有些車輛的工作電壓已經達到了600V甚至800V，面對如此高的工作電壓，許多潛在的風險都需要相對應的措施予以防范。

首先，在電動汽車上安裝相應的絕緣監測系統，必要時斷開高壓回路對于有效防范乘員觸電風險是非常有必要的。其次，在系統運行過程中如果高壓回路連接不正常松脫或斷開，車輛將斷電并失去動力，并有可能在斷開瞬間高壓擊穿兩端口間的空氣，產生電弧傷害。針對該風險需使用高壓互鎖設計進行有效防范。

第三，電動汽車的高壓風險在碰撞危險發生時將變得更為突出。 電動汽車在高速行駛過程中如果發生碰撞或充電過程中被其他車輛碰撞，都有可能造成車輛動力系統的高壓漏電、短路等危險情況，車內乘員也可能遭受觸電傷害［14］，為了規避這一風險，就要求電動汽車在碰撞危險發生時能夠主動切斷高壓回路防止電擊傷人和起火。

四、智能化對汽車電子技術發展新需求 以移動互聯、大數據、云計算、5G通訊以及人工智能等技術為代表的新一輪科技革命方興未艾，在這些高新技術的強力推動下，互聯網革命的浪潮正在席卷以汽車行業為代表的傳統制造行業，汽車與信息的融合度不斷提升，成為解決能源、環境、安全、擁堵等產業發展困局的關鍵手段之一，汽車也邁上了智能化的道路。如果說傳統汽車的電子系統能夠完成產生信息、處理信息和反饋信息的自我閉環，每輛車都是一個信息的“孤島”，那么具備了先進環境感知和V2X通訊能力的智能網聯汽車就是行駛在開放信息的“海洋”里。 借助現代通信和網絡技術，以及先進的車載傳感器、控制器、執行器等裝置，汽車正在逐步實現車與X（人、車、路、后臺等）的智能信息交換，并逐步具備復雜的環境感知、智能決策、協同控制和執行等功能，催生出了智能網聯汽車的概念［15］，智能網聯汽車、智能汽車與車聯網、智能交通等概念間的相互關系如圖3所示。

圖3 汽車智能化相關概念關系圖

智能網聯汽車被公認為汽車智能化發展的最佳方向，其整體技術架構十分復雜，涉及車輛、信息交互與基礎支撐三個領域。云平臺與大數據技術、高精度地圖與高精度定位技術是智能網聯汽車的基礎信息平臺，而V2X通訊技術是車聯與基礎信息平臺之間交互的通道，環境感知、智能決策、控制執行、信息安全這5大技術則是與汽車電子信息系統的主要內涵。圍繞信息展開的智能化對汽車電子技術需求主要體現在以下幾個方面：

1、高可靠、高帶寬、低時延信息傳輸技術 傳統的車載通信僅僅局限在車內通訊，使用總線、藍牙、WiFi等通訊方式，完成是的車輛系統內部的信息傳輸功能，但是在汽車智能化的背景下，車載通信模式也出現了向車際通訊、廣域通訊的方向發展的趨勢。V2X通信技術能夠為車輛的自動駕駛提供先驗信息，提高車輛環境識別效率和準確率，消除車輛視野盲點安全隱患，起到提高行車安全和疏導交通流量等作用。

V2X車聯網通信技術的通信需求包括： 1）極短的網絡接入時間； 2）低傳輸時延； 3）高傳輸可靠性； 4）高信息安全性和隱私保護； 5）在有限的范圍內，使頻譜再利用和低干擾； 6）擁有足夠的通信帶寬。 目前應用較為廣泛的通訊技術方案是DSRC和LTE-V。DSRC基于802.11p協議及其延伸擴展，起源于20世紀90年代，適合應用在V2V（車與車）和V2I（車與路邊設施）場景下，尤其是一些和安全相關的場景［16］，而且DSRC目前的技術成熟度和標準化程度也較高，但是它也存在可容納用戶數受限和商業化推廣困難等問題［17］。LTE-V是基于第四代移動通信技術的擴展技術，是專門針對車間通訊的協議而設計的V2X標準，目前的LTE-V版本屬于4.5G技術，未來可以平滑演進到5G，相較于DSRC，LTE-V的部署也更加容易，頻譜帶寬也可根據實際情況進行靈活分配，傳輸更為可靠，覆蓋范圍也可以更廣［18］。隨著今年以來5G技術開始步入商用時代，基于5G通訊的車聯網技術將成為網聯汽車信息傳輸最有效的解決方案［19］。

2、復雜環境感知與信息融合技術 環境感知中的信息融合就是指把分布在不同位置的多個同類或不同類傳感器所提供的局部數據資源加以綜合，采用計算機技術對其進行分析，消除信息與信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補，降低其不確實性，獲得被測對象的一致性解釋與描述，從而提高系統決策、規劃、反應的快速性和正確性，使系統獲得更充分的信息［20， 21］。 信息融合技術可以通過整合不同來源的數據來提高系統的可靠性、安全性以及信息的精度和可信度。環境感知獲得的駕駛環境信息是智能網聯車輛的決策基礎，毫米波雷達、視覺傳感器等先進傳感器的出現和圖像識別技術的發展提高了車輛對環境的自適應能力，催生了一批包括自適應巡航、車道保持、主動避撞、全景倒車輔助等在內的系列高級駕駛輔助技術。 但是單一傳感器都有其局限性，以激光雷達為例，其優點是方向性好，波束窄，測角、測距精度高，不受地面雜波干擾，但是其在濃霧、雨、雪天氣就無法工作，因為它對環境的探測效果受大氣的光傳輸效應影響很大。所以在復雜的車輛行駛環境（包括各種天氣情況）下，單一傳感器不能夠完整地完成對全部環境的感知，因此智能汽車必須配備多種類型的傳感器，并利用傳感器融合技術，將各種類型的傳感器采集到的信息加以融合，為智能網聯汽車決策終端提供更加真實可靠的環境信息，保障其高級輔助駕駛或自動駕駛的安全性［16］。

3、高可靠決策技術 基于環境感知技術得到的信息，結合車輛的行駛意圖及其當前位置，考慮安全、舒適、節能、高效的行駛目標，系統對車輛做出最合理的行為決策即為智能決策技術，其主要包括駕駛員多樣性影響分析、群體決策和協同技術、危險事態建模技術、危險預警與控制優先級劃分、局部軌跡規劃及軌跡跟蹤等。 在車路互聯架構下，車端的信息獲取和決策與路況信息獲取和決策的界面劃分、分工協作機制是亟需厘清和界定的關鍵技術。

4、高精度運動控制技術 運動控制系統任務是將行為決策的宏觀指令解釋為帶有時間信息的軌跡曲線，從而控制車輛的速度與行駛方向，使其跟蹤規劃的速度曲線與路徑。 具體而言，運動控制執行技術是解決在一定的約束條件下優化某個范圍內的時空路徑問題，包括面向驅動/制動的縱向運動控制，面向轉向的橫向運動控制，基于驅動/ 制動/轉向/ 懸架的底盤一體化控制，融合車聯網（V2X）通信及車載傳感器的多車隊列協同和車路協同控制等。運動控制中的執行器需要線控執行控制單元（X-By-Wire），具體包括線控驅動［22］、線控轉向［23］和線控制動［24］，自動駕駛和駕駛輔助技術對線控系統的精度、可靠性和失效安全性提出了很高的挑戰。

5、高可信信息安全技術 汽車智能化的發展，將消費者對于安全問題的擔憂從實體物理層面拓展到了虛擬數字空間。隨著智能網聯技術的不斷發展，互聯網原有的安全問題可能會派生到車載系統中，由于車輛自身是一個高速移動系統，一旦遭受到針對性的安全攻擊，造成的危害將不僅僅存在與數字層面，會擴展到其周圍的實體區域。此外，智能網聯交通系統需要根據采集的大數據，利用電腦和軟件來進行機械化控制，這中間涉及到信息采集、儲存、交換和處理等多個環節，流程的復雜程度增加可能會使得安全風險進一步加大［25， 26］。 此外，車載系統中的很多數據也與用戶隱私相關，例如行程路線、日程安排等等，所以必須要有一個完整的網絡安全機制保障智能網聯汽車的信息安全。 在智能網聯汽車通信環境下的信息安全需求主要包括：

1）數據機密性，即在信息傳輸過程不能被竊聽以及被中間惡意節點獲取其中的內容，數據機密性可以通過加密機制實現；

2）數據完整性，是指消息不能被中間節點修改，修改包括增加、刪除等。一般通過數字簽名的技術實現數據完整性的保護；

3）數據的不可抵賴性（數據的不可否認性），是指在通信過程中實體不能否認自己發出的消息。該性質主要是預防惡意節點模仿合法節點發送數據，一般可通過電子簽名技術來保護；

4）身份認證性，是指在智能網聯汽車通信中，只有身份認證通過的用戶才被授權參與V2X通信等過程。身份認證一般是通過第三方可信機構實現的，惡意節點無法通過第三方可信機構的注冊，這樣可以保證整個通信系統中的節點的身份可靠；

5）數據隱私性，是指不僅僅是要求非法的惡意的用戶不能得到用戶的隱私，在有關的政府部門在未經用戶許可的情況下，同樣不能獲取用戶隱私消息。 五、汽車電子技術發展趨勢 在半個多世紀的發展過程中，汽車電子已經深刻改變了汽車技術和汽車產業，而汽車電動化和智能化又對汽車電子提出了新的挑戰。汽車的電動化的意義是車輛的能量來源將完成由化石能源向電能的切換，這也意味著汽車將成為以電能作為工作基礎的電氣化產品。汽車的智能化過程的意義是汽車駕駛中處理信息的主體從駕駛員向車輛本體切換，以上兩個趨勢的疊加將使得汽車向一個集成了高效能源轉換、復雜運動控制和智能信息處理的全新的產品方向演化，這既是汽車產品進化的必然方向，也是汽車電子技術發展的必然方向。

汽車作為人們重要的出行工具之一，是人的第三空間，在使用過程中會和用戶的生命財產息息相關，汽車在安全性、私密性、可靠性方面也將比其它電子信息產品有更高的要求。所以汽車電子并不是其他領域中的電子技術簡單向汽車中遷移，依然需要對通用電子技術附加“汽車級”的專業化改造。而汽車產品數量巨大，涉及的零部件眾多、產業鏈長的特點，也使得復雜性這一導致汽車電子學科體系化的基本動因依然存在，甚至在電動化和智能化這一新的挑戰下，復雜性這一問題更加突出。因此，需要在新的知識融入的過程中，發展新的理念，形成新的規范，確定新的流程，建設新的工具。

因此，在電動化和智能化的大趨勢下，電力電子技術和智能信息處理技術的加入，必然會要求重新定義汽車電子的概念，重新規范其開發理念、方法和體系，這也必將為汽車電子帶來更為廣闊的發展空間。

原文標題：【行業資訊】汽車電子電動化與智能化的技術發展新需求和趨勢

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