汽車電子是車體汽車電子控制裝置和車載汽車電子控制裝置的總稱。車體汽車電子控制裝置，包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)和車身電子控制系統(tǒng)(車身電子ECU)。汽車電子化被認(rèn)為是汽車技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中的一次革命。汽車電子化的程度被看作是衡量現(xiàn)代汽車水平的重要標(biāo)志，是用來開發(fā)新車型，改進(jìn)汽車性能最重要的技術(shù)措施。汽車制造商認(rèn)為增加汽車電子設(shè)備的數(shù)量、促進(jìn)汽車電子化是奪取未來汽車市場的重要的有效手段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1989年至2000年，平均每輛車上電子裝置在整個(gè)汽車制造成本中所占的比例由16%增至23%以上。一些豪華轎車上，使用單片微型計(jì)算機(jī)的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到48個(gè)，電子產(chǎn)品占到整車成本的50%以上。按照對汽車行駛性能作用的影響劃分，可以把汽車電子產(chǎn)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(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行配合使用，即所謂“機(jī)電結(jié)合”的汽車電子裝置;它們包括發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身電子控制。例如電子燃油噴射系統(tǒng)、制動(dòng)防抱死控制、防滑控制、牽引力控制、電子控制懸架、電子控制自動(dòng)變速器、電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向等，另一類是車載汽車電子裝置，車載汽車電子裝置是在汽車環(huán)境下能夠獨(dú)立使用的電子裝置，它和汽車本身的性能并無直接關(guān)系。它們包括汽車信息系統(tǒng)(行車電腦)、導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車音響及電視娛樂系統(tǒng)、車載通信系統(tǒng)、上網(wǎng)設(shè)備等。

從發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)(燃油噴射率、排放控制、冷卻系統(tǒng))和自動(dòng)駕駛控制(車道、速度、泊車輔助、自適應(yīng)巡航控制)到信息娛樂系統(tǒng)和舒適系統(tǒng)(空調(diào)控制、座椅調(diào)節(jié)、自動(dòng)雨刮等)，現(xiàn)代燃油汽車和電動(dòng)汽車擁有比以往任何時(shí)候都要更多的電子設(shè)備。事實(shí)上，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代汽車的微處理器和芯片如此普遍，它們實(shí)際上已經(jīng)成為了和鋼鋁結(jié)構(gòu)一樣的汽車制造必備材料。根據(jù)德勤的一項(xiàng)研究表明，電子產(chǎn)品占新車總成本的40%，預(yù)計(jì)該值將在未來幾年內(nèi)增長到45%。所以確保汽車電子可靠性，是設(shè)計(jì)人員和制造商在向市場投放新車型時(shí)必須考慮的首要事項(xiàng)。Ansys仿真軟件可幫助原始設(shè)備制造商(OEM)和供應(yīng)商從項(xiàng)目一開始就實(shí)施可靠性設(shè)計(jì)(DfR)——從集成電路(IC)一直到印刷電路板(PCB)和外殼。

汽車電子的四大類別

汽車電子通?？煞譃樗膫€(gè)不同類別：功能電子(對車輛運(yùn)行至關(guān)重要)：防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)、自動(dòng)變速器控制、起動(dòng)器、燃油噴射、前燈和機(jī)電泊車制動(dòng)。合規(guī)電子(由NHTSA或DOT規(guī)定)：安全氣囊、排放控制、倒車攝像頭和碰撞檢測雷達(dá)。差異化電子(獨(dú)特的、面向客戶的技術(shù))：信息娛樂、自適應(yīng)巡航控制、Wi-Fi連接和高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)。增長類電子(面向各類車輛)：碰撞檢測、儀表板顯示器、平視顯示器(HUD)、增強(qiáng)型信息娛樂系統(tǒng)、車與車通信(V2V)和改進(jìn)型Wi-Fi。

由于面向汽車應(yīng)用環(huán)境的電子產(chǎn)品的數(shù)量和種類繁多，包括自動(dòng)駕駛車輛潛在更長的工作周期，以及消費(fèi)者需求帶來的更長使用壽命要求，汽車電子設(shè)計(jì)人員和制造商必須考慮虛擬驗(yàn)證和物理測試，以便將成本保持在合理水平并滿足不斷縮減的開發(fā)時(shí)限。故障測試電子應(yīng)用已非新鮮事物，消費(fèi)類電子、高科技等其它行業(yè)的電子應(yīng)用也必須滿足眾多要求，包括：不動(dòng)/有限振動(dòng)沒有或者很少的機(jī)械沖擊低濕度/受控制的辦公環(huán)境溫度可預(yù)測的工作周期雖然這些條件非常適合家用電子產(chǎn)品，但汽車電子產(chǎn)品所面臨的壓力源要極端得多，包括：

大幅溫度波動(dòng)，持續(xù)的振動(dòng)周期——在發(fā)生事故情況下，還會(huì)涉及突然沖擊更長的使用壽命，與手機(jī)或筆記本電腦不同，汽車預(yù)計(jì)使用壽命為10年除此之外，還要加上不斷縮小的特征尺寸，包括環(huán)境和運(yùn)動(dòng)傳感器、車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)以及車輛控制執(zhí)行器。于是，突然間最佳性能的可預(yù)測性在一年、五年甚至十年的駕駛中不斷下降，而性能下降會(huì)造成嚴(yán)重后果。汽車電子需滿足-40℃至125℃的寬溫域工作條件，且需承受振動(dòng)、沖擊等機(jī)械應(yīng)力。共模電感的磁芯材料需選用高穩(wěn)定性鐵氧體或合金粉芯，避免溫度漂移導(dǎo)致電感量偏移。同時(shí)，繞組需采用耐高溫漆包線，并通過AEC-Q200車規(guī)認(rèn)證，確保在復(fù)雜環(huán)境下長期可靠運(yùn)行。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車中，CAN總線、以太網(wǎng)等通信頻率可達(dá)百兆赫茲以上，共模電感需在高頻段保持高阻抗特性，有效抑制共模噪聲。為此，設(shè)計(jì)中需通過調(diào)整磁芯損耗、繞組緊密度等參數(shù)，優(yōu)化其高頻響應(yīng)能力，避免信號失真。在電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)(BMS)、電機(jī)控制器等空間受限場景中，共模電感需兼顧低剖面設(shè)計(jì)與高飽和電流能力。通過多層繞線、一體成型工藝等技術(shù)，可在縮小體積的同時(shí)提升耐受電流，避免磁飽和導(dǎo)致的失效風(fēng)險(xiǎn)。普通鐵氧體磁芯雖成本低，但易受溫度變化影響;而非晶合金材料雖高頻性能優(yōu)異，卻面臨成本高、加工難度大的問題。車企通常根據(jù)具體應(yīng)用場景，在兩者間權(quán)衡取舍。例如，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傾向使用非晶材料，而車身控制模塊則多采用高性價(jià)比錳鋅鐵氧體。

繞線工藝的精細(xì)化汽車級共模電感需采用自動(dòng)化繞線設(shè)備，確保繞組對稱性，避免因偏心導(dǎo)致電感量偏差。同時(shí)，繞線層間需增加絕緣膠帶或樹脂涂層，防止匝間短路，滿足IP67防護(hù)等級要求。車規(guī)級共模電感必須通過CISPR 25、ISO 11452等電磁兼容測試。設(shè)計(jì)時(shí)需結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)優(yōu)化磁芯尺寸與匝數(shù)，例如通過增加氣隙降低磁導(dǎo)率，從而抑制高頻諧振現(xiàn)象。

溫度適應(yīng)性是關(guān)鍵一環(huán)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度極高，在夏季或長時(shí)間行駛后，局部溫度甚至能超過 100℃，而車身外部的電子部件，如傳感器，又要經(jīng)受嚴(yán)寒酷暑、晝夜溫差的考驗(yàn)。這就要求汽車電子 PCB 的基板材料具備卓越的耐高溫與耐低溫性能。例如，選用具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的特殊 FR-4 板材或高溫尼龍材料，它們在高溫下不會(huì)軟化、變形，確保電路連接穩(wěn)定;在低溫環(huán)境下，如零下 40℃的極寒條件，也不會(huì)變脆、開裂，保證電子元件正常工作。同時(shí)，對于發(fā)熱量大的元器件，如功率模塊，在 PCB 布局時(shí)要充分考慮散熱路徑，通過大面積銅箔散熱、安裝散熱片甚至采用液冷散熱結(jié)構(gòu)與之配合，防止因過熱導(dǎo)致性能衰退或故障。

其次，可靠性與耐久性要求極高。汽車的使用壽命通常較長，一般要求電子系統(tǒng)在 10 年或 15 萬公里以上能穩(wěn)定運(yùn)行。汽車電子 PCB 設(shè)計(jì)因此必須采用冗余設(shè)計(jì)來提升可靠性。針對關(guān)鍵信號和供電線路，設(shè)置備份通道，一旦主線路出現(xiàn)問題，備份及時(shí)接替，避免系統(tǒng)崩潰。以發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的 PCB 為例，對控制燃油噴射和點(diǎn)火正時(shí)的關(guān)鍵電路，配備雙路冗余設(shè)計(jì)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于可控狀態(tài)。在元器件選型上，嚴(yán)格篩選符合 AEC-Q 系列標(biāo)準(zhǔn)的汽車級元器件，這些元器件經(jīng)過了嚴(yán)格的溫度循環(huán)、濕度測試、機(jī)械沖擊等多項(xiàng)耐久性驗(yàn)證，能在惡劣的汽車工況下長期堅(jiān)守崗位。

再者，電磁兼容性(EMC)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛。汽車內(nèi)部空間有限，各類電子設(shè)備密集，如發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)、車載充電器、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，相互之間極易產(chǎn)生電磁干擾。同時(shí)，汽車還要抵御外界復(fù)雜電磁環(huán)境的影響，如高壓線、通信基站等。在 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，一方面通過合理的布局分區(qū)，將模擬電路、數(shù)字電路、高頻電路等精細(xì)劃分，中間利用接地層或屏蔽線隔離。例如，在自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)的 PCB 上，把毫米波雷達(dá)的高頻電路與圖像處理的數(shù)字電路分開，防止相互干擾，確保雷達(dá)信號精準(zhǔn)捕捉與圖像數(shù)據(jù)快速處理。另一方面，對整車的接地系統(tǒng)科學(xué)規(guī)劃，采用多點(diǎn)接地、混合接地等方式，為干擾電流提供低阻抗泄放路徑，保障電磁環(huán)境穩(wěn)定，避免因電磁干擾引發(fā)的系統(tǒng)誤判、失控等危險(xiǎn)情況。