什么是汽车电子？

汽车电子是指在汽车中用于处理和调控电信号与电能，以监控、控制和执行汽车各项功能的车辆电子系统。现代的汽车采用复杂的互联电子系统网络，来提高安全性、效率、性能、舒适度和用户体验。当今，乘用车上可配备多达100个电子模块，在电动或混合动力汽车中可能超过200个。随着电动汽车（EV）技术、自动驾驶和互联功能的进步，汽车中的电子设备将持续增加，这将给设计和制造这些车辆的工程师带来全新挑战。

车辆中电能的应用始于汽车发展的早期阶段，最初体现在电动前照灯上，随后是电动机被用于发动机或驱动挡风玻璃雨刷。随着晶体管和二极管等分立半导体的研发，汽车制造商能够为车辆添加交流发电机和简易电子燃油喷射系统，以提升效率。

随后，随着行业开始采用集成电路，20世纪80年代引入了多芯片电子控制单元（ECU），用于优化发动机控制、自动制动系统（ABS）和电子稳定性控制（ESC）模块。在21世纪，汽车制造商进一步加强了汽车电子技术的应用，将汽车转变为“车轮上的计算机”，并朝着软件定义汽车的方向发展。

五大行业趋势正推动汽车电子系统的重要性不断提升：

1. 安全性：政府、消费者和汽车行业本身，都在不断推动车辆安全性能突破边界、向更高水平发展。传感器与智能系统相结合，能够比人类驾驶员更快、更有效地识别并处理安全隐患。制造商需要纳入这些功能，以满足不断提升的标准和消费者需求。
2. 效率：随着效率提升需求的增长，排放法规要求也变得更严格。制造商和供应商在动力总成的各个部分都添加了实时电子监控与控制系统，以在保持性能的同时增加续航里程并减少污染物。
3. 用户体验：电子产品改变了生活的方方面面，驾驶员和乘客期望从汽车上获得与消费类电子产品同等的互联性、易用性和功能。
4. 电气化：从内燃机（ICE）汽车向混合动力和全电动汽车的转变，可能会使汽车中的电子模块数量翻倍。同时，电动动力总成的高电压特性，为采用电动推进系统的车辆增加了复杂性和功能安全性问题。
5. 自动驾驶：从半自动驾驶到全自动驾驶汽车的快速发展，同样增加了汽车领域对电子技术的依赖。自适应巡航控制等常见自动驾驶功能结合了传感器、计算能力和发动机控制，实现驾驶任务的自动化。随着制造商不断引入更多自动化功能，汽车电子产品也将随之增加。

汽车中的不同电子系统由多个电子组件及其之间的连接组成。其中，每个组件在设计、运行和维护方面都有其独特的需求。

以下是最常见的汽车电子组件类型：

• 传感器：传感器用于测量物理值，并将数据报告给其他系统。它们可以测量车内或车外的数值，包括压力、速度、位置、温度、流量和距离信息。诸如雷达、超声传感器、摄像头和激光雷达（LiDAR）等更先进的传感器，还能提供目标的距离、形状、方位角和仰角位置。所有这些传感器的输入都可以馈送至人工智能（AI）系统，然后，该系统可以利用传感器融合技术为车辆提供更全面的态势感知能力。
• 执行器：随着时间的推移，汽车制造商用执行器替换了众多机械联动装置。这类设备（如电磁执行器和电机）可将电信号转化为推动机械部件的力。其可以像打开和关闭空调系统的通风口一样简单，也可以像变速箱的换档那样复杂。
• ECU：ECU负责收集和处理传感器及操作人员的输入数据，以控制车辆的不同功能。与计算机类似，ECU依靠软件和固件来实现对车辆的运行控制。
• 功率电子：功率电子是指用于承载高电压的控制模块、电源、电力转换装置以及线束等部件。它为高能耗系统（如起动机、电加热器或电机）提供电力，并管理电池充电状态。
• 通信网络：所有这些模块及其子系统，都通过有线网络进行通信，采用CAN总线、LIN、FlexRay和以太网等协议。此外，通信网络还可提供无线车联网（V2X）连接，实现与智能手机、互联网、GPS、基础设施或其他车辆的连接。这类组件，有时被称为“车载远程信息处理系统（Telematics）”。
• 用户界面组件：驾驶员和乘员通过用户界面组件与车辆进行交互，这些组件包括按钮、信息娱乐系统、抬头显示器、仪表板组件和显示屏。

行业管理和梳理车辆中不断增加的电子系统的一种方式，是根据其功能将其划分为不同的类别。

以下是标准分类及各个类别中最常见的组件：

动力总成包括车辆中负责向车轮输出扭矩的所有系统。从燃油箱和排气管到电动汽车的电池与电机，动力总成消耗的能量最多，因此该类别中的大多数电子设备都主要用于实现燃油效率、车辆性能提升或减排。

ICE动力总成中一些较常见的电子模块包括：

• 电子燃油控制
• 排放控制
• 发动机控制单元
• 发动机管理
• 发动机传感器
• 变速箱控制

除上述组件外，混合动力和电动汽车还采用功率电子模块，包括：

• 电池管理系统
• 电池温度控制
• 驱动电机
• 充电电子设备
• 逆变器和稳压器

安全系统

设计团队可以利用ECU中传感能力和边缘计算能力的提升，来增强车辆安全性并提升模块复杂度。

一些较常见的安全系统包括：

• 安全气囊
• 防抱死制动系统
• 防滑调节系统（ASR）
• 倒车摄像头
• 盲点传感器
• 碰撞检测与避免
• 紧急制动
• 陡坡起步辅助（HSA）
• 车道偏离警告
• 胎压监测
• 牵引力控制系统（TCS）

信息娱乐系统

为乘员提供信息或娱乐的电子设备，被归类为信息娱乐系统，包括：

• 宽带连接
• 娱乐系统
• 仪表盘
• 导航系统
• 智能手机连接
• 扬声器和麦克风
• 用户界面设备
• 车辆诊断
• 车辆功能设置

底盘电子系统

不属于上述各类别的汽车电子系统被称为底盘电子系统。然而，随着自动化和集成度的提升，安全系统与底盘电子系统之间的界限逐渐模糊。

底盘电子模块包括：

• 自适应前照灯
• 高级驾驶辅助系统（ADAS）
• 座舱照明
• 空调控制
• 电子动力制动
• 电子动力转向
• 无钥匙进入
• 照明系统
• 悬架控制

工程师可以在整个设计流程中运用仿真工具，以应对日益增长的汽车电子复杂性与挑战。团队需要在原型阶段之前就对设计理念进行验证，以及验证电子系统在热、结构和电磁载荷下的可靠性。

原始设备制造商（OEM）及其供应商将仿真应用于车辆电气系统中的每个组件、模块和总成。这种虚拟原型设计方法，可提高性能、减少保修索赔、验证安全性、降低成本，并加速新设计上市进程。

大多数仿真任务都可以归入以下四个领域：

1.功能性

仿真最初用于帮助工程师设计汽车，验证其组件的功能。在组件、子系统和系统级创建设计时，可对每个模块的响应进行虚拟设计与测试。工程师可使用Ansys Maxwell高级电磁场求解器等工具，来设计电机和执行器等机电设备，或变压器和稳压器等功率电子系统。光学系统设计师可通过Ansys Zemax OpticStudio光学系统设计与分析软件等光学仿真平台，满足光传感器对透镜的要求。内饰设计师则可以使用Ansys Speos CAD集成型光学及照明仿真软件等产品，探索座舱照明的视觉效果。

2.优化

在满足汽车应用电子设备的功能要求后，工程师需要对设计进行优化，以提升效率、减少排放并最大限度地提高性能。

他们可以使用Ansys SCADE Suite基于模型的关键嵌入式软件开发环境等工具，修改ECU固件。或者，他们可能还会使用Ansys HFSS 高频电磁仿真软件，设计和优化GPS应用的天线。随后，可将该天线与Ansys系统工具套件（STK）数字任务工程软件等数字任务仿真平台进行耦合，从而确保信息娱乐系统中的GPS天线在各种驾驶情况下接收尽可能强的信号。

各模块优化完成后，工程师可以部署Ansys optiSLang流程集成与设计优化软件等综合优化平台，以快速高效地实现目标。

3.可靠性

可靠性是汽车设计最重要的方面之一。车主希望他们的车辆在长距离行驶后仍能正常运行。但汽车中的热量、振动、冲击和电磁噪声使得实现这些稳健性目标充满了挑战性，因此工程团队会利用结构、热和电磁仿真工具对其汽车电子系统进行严格的虚拟测试。

他们可能会部署Ansys Mechanical结构有限元分析软件，以进行热、结构和振动评估，确保所有组件以及物理和电气连接都符合车辆寿命要求，并长期稳定运行。对于ECU中的印刷电路板（PCB）和集成电路封装，他们可能会依靠专业电子仿真工具，例如Ansys Icepak 电子冷却仿真软件和Ansys Sherlock电子可靠性预测软件。

4.干扰

电磁干扰和电磁兼容性（EMI/EMC）正对汽车电子构成日益严峻的挑战，尤其是当汽车（例如电动汽车）引入高压系统时。传输的高频组件和模块间高速数字信号数量不断增加，电池系统的工作电压不断提高，天线的应用也日益增多。工程师使用Ansys SIwave PCB和封装电磁仿真软件等工具来解决ECU中PCB的信号和电源完整性问题，或利用Ansys EMC Plus电磁建模与仿真软件研究高频电磁波在线缆与导线之间的相互作用。该软件还可用于对雷击如何影响汽车电子系统进行建模。

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