解析混合型和燃料電池型汽車(chē)在電子設(shè)計(jì)面臨挑戰(zhàn)

世界各地的工程師正在努力設(shè)計(jì)混合型和燃料電池汽車(chē)，這兩種汽車(chē)都需要很多嵌入式系統(tǒng)。這些系統(tǒng)向設(shè)計(jì)者提出了哪些挑戰(zhàn)呢，在這些系統(tǒng)中，雖然其中有些系統(tǒng)依靠簡(jiǎn)單的微控制器并通過(guò)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)同其它系統(tǒng)通訊，但人們也在引入帶有更大內(nèi)存且更加復(fù)雜的微控制器。雖然許多控制算法及其所控制的子系統(tǒng)不是新的，但把所有這些子系統(tǒng)一起放在單獨(dú)的產(chǎn)品中并保證它們滿足汽車(chē)的許多苛刻要求卻是一個(gè)挑戰(zhàn)。在本文中，我們將討論混合型和燃料電池型車(chē)輛嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)所固有的各種挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年全球擁有50萬(wàn)個(gè)固定的（靜止式）燃料電池裝置，到2010年，將有250萬(wàn)戶家庭使用燃料電池，同時(shí)全球擁有60萬(wàn)臺(tái)燃料電池汽車(chē)，占世界汽車(chē)生產(chǎn)量的1%.2005年，從事燃料電池開(kāi)發(fā)的公司總投資額已超過(guò)10億美元。

混合型系統(tǒng)

與字面意義相同，混合型推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)合了至少兩種不同的推進(jìn)方法。在汽車(chē)應(yīng)用中，典型的混合型系統(tǒng)包含一個(gè)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)（汽油或柴油）和一個(gè)或幾個(gè)電池供電的電動(dòng)機(jī)。這種系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以把內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)成一直以最高效率工作的設(shè)備而電動(dòng)機(jī)用于在高需求期間提供基本或附加推力。內(nèi)燃機(jī)是一種動(dòng)力機(jī)械，它是通過(guò)使燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒，并將其放出的熱能直接轉(zhuǎn)換為動(dòng)力的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，廣義上的內(nèi)燃機(jī)不僅包括往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和自由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，也包括旋轉(zhuǎn)葉輪式的燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等，內(nèi)燃機(jī)以往復(fù)活塞式最為普遍?；钊絻?nèi)燃機(jī)將燃料和空氣混合，在其氣缸內(nèi)燃燒，釋放出的熱能使氣缸內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)?。燃?xì)馀蛎浲苿?dòng)活塞作功，再通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)或其他機(jī)構(gòu)將機(jī)械功輸出，驅(qū)動(dòng)從動(dòng)機(jī)械工作。

混合型系統(tǒng)的架構(gòu)主要有并聯(lián)和串聯(lián)兩種，它們的差別體現(xiàn)在機(jī)械方面。在并聯(lián)混合型系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)采用與提供電功率的電動(dòng)機(jī)相并聯(lián)的方式向車(chē)輪提供機(jī)械功率。在串聯(lián)混合型系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)必須首先產(chǎn)生電力，然后通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成車(chē)輪功率。

每種混合型架構(gòu)都有數(shù)十種具體的設(shè)計(jì)。圖1顯示了一種并聯(lián)混合型系統(tǒng)的電氣原理圖。圖2顯示了一種串聯(lián)混合型系統(tǒng)的電氣原理圖。兩個(gè)圖都顯示了完整的電氣系統(tǒng)以及各種嵌入式控制系統(tǒng)。

圖1:并聯(lián)混合型系統(tǒng)

圖1實(shí)質(zhì)上顯示了目前已經(jīng)上市的本田Civic混合型汽車(chē)的布局，在這個(gè)布局中，電動(dòng)機(jī)的目的是在加速期間協(xié)助內(nèi)燃機(jī)工作（從而可以使用更小更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)），并在減速和剎車(chē)期間回收能量以及啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

Civic混合型發(fā)動(dòng)機(jī)以三種方式來(lái)減少排放和降低燃料消耗。首先，把通常在汽車(chē)減速和剎車(chē)過(guò)程中被浪費(fèi)的能量用于向電池再充電。第二，當(dāng)汽車(chē)空閑時(shí)，通過(guò)關(guān)閉內(nèi)燃機(jī)來(lái)節(jié)省能量。電動(dòng)機(jī)的功率大到足以重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并開(kāi)始同步驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。最后，由于電動(dòng)機(jī)可以在高需求（如快速加速）期間提供幫助，在這款轎車(chē)中使用了一種較小的發(fā)動(dòng)機(jī)而不是標(biāo)準(zhǔn)的Civic發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2顯示的串聯(lián)混合系統(tǒng)在每個(gè)輪上使用了一個(gè)電動(dòng)機(jī)。這種串聯(lián)設(shè)計(jì)能以與并聯(lián)設(shè)計(jì)相同的方式減少排放和降低燃料消耗，但除此之外還有其它幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，牽引和能量回收可以在車(chē)輪之間切換，因而可以實(shí)現(xiàn)快速牽引控制和通過(guò)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)防抱死剎車(chē)。這種串聯(lián)架構(gòu)也提供對(duì)所有車(chē)輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的能力，而且無(wú)需昂貴的傳輸箱和微分齒輪。這個(gè)架構(gòu)的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有自然地?cái)U(kuò)展到任何數(shù)目車(chē)輪的能力，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)軍事應(yīng)用尤為重要。最后，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)用于提供外部功率時(shí)，把發(fā)動(dòng)機(jī)同車(chē)輪的解耦可能具有更高的效率。

正如兩個(gè)圖中所示，要使混合型汽車(chē)良好工作需要使用許多嵌入式控制器。這些控制器都是相互連接的，通常采用高速的控制器局域網(wǎng)（CAN）總線來(lái)互連。這些控制器中的固件必須控制系統(tǒng)中各自的部分并同其它控制器實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)。這要求設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)許多新的控制算法和軟件，甚至對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳輸和防抱死剎車(chē)系統(tǒng)（ABS）等成熟的控制系統(tǒng)也是如此。

燃料電池型系統(tǒng)

燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)是燃料電池汽車(chē)區(qū)別于其他類(lèi)型車(chē)輛（內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)、蓄電池電動(dòng)汽車(chē)以及油-電混合動(dòng)力汽車(chē)）的主要標(biāo)志。使用燃料電池系統(tǒng)作為動(dòng)力源是燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的標(biāo)志性特點(diǎn)。而通常情況下，燃料電池卻并非該系統(tǒng)唯一的動(dòng)力源，由于燃料電池在峰值功率輸出能力以及功率輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等性能方、面欠佳，因此往往需要一些輔助的動(dòng)力源裝置來(lái)在功率輸出能力等方面對(duì)它加以補(bǔ)充和改善，從而構(gòu)成燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)，車(chē)用燃料電池的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。除了內(nèi)燃機(jī)用燃料電池組替換之外，這個(gè)結(jié)構(gòu)與串聯(lián)混合架構(gòu)類(lèi)似。

盡管燃料電池技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)很長(zhǎng)時(shí)間，但在汽車(chē)所處的不受控制的環(huán)境中它依然是一種新技術(shù)。在燃料電池車(chē)大量上市以前，耐久性、可靠性和成本等問(wèn)題必須得到解決。而且燃料電池汽車(chē)的混合動(dòng)力系統(tǒng)有多種結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)型式的不同往往帶來(lái)整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的顯著差別，因此對(duì)燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的各種構(gòu)型進(jìn)行試驗(yàn)研究以得到合理的、實(shí)用的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式是成功開(kāi)發(fā)燃料電池汽車(chē)的關(guān)鍵一環(huán)。

燃料電池本身是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。它需要準(zhǔn)確控制進(jìn)入電池的燃料（氫氣）和空氣的溫度和濕度。例如，進(jìn)入燃料電池的空氣必須滿足：與電池組中薄膜的溫差在2℃之內(nèi)，相對(duì)濕度在70-90%范圍內(nèi)。如果這些要求不能得到滿足，電池組將會(huì)受到損害?？刂迫剂想姵亟M的嵌入式系統(tǒng)必須到滿足各種要求。

圖2:串聯(lián)混合型系統(tǒng)

電子挑戰(zhàn)

沒(méi)有嵌入式系統(tǒng)所提供的智能，就沒(méi)有混合型和燃料電池型車(chē)輛。這些嵌入式系統(tǒng)目前有很多元件處于相互隔離狀態(tài)。內(nèi)燃機(jī)（汽油型和柴油型）和車(chē)輛傳動(dòng)目前都是由嵌入式系統(tǒng)控制的。電動(dòng)機(jī)控制和電池充電管理也已經(jīng)在其它行業(yè)中發(fā)展成熟。燃料電池在幾十年以前就也已經(jīng)被用于空間探測(cè)。

在現(xiàn)有電動(dòng)車(chē)輛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中所做的許多假設(shè)不適于混合架構(gòu)和燃料電池架構(gòu)。比如，許多車(chē)輛系統(tǒng)假定在執(zhí)行任何任務(wù)之前內(nèi)燃機(jī)必須已經(jīng)在運(yùn)行。如果發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有運(yùn)行就沒(méi)有能量，這種說(shuō)法對(duì)嗎？不對(duì)。只要電池有充足的電量，串聯(lián)混合系統(tǒng)就可以在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉的情況下運(yùn)行且性能不變。電子（包括硬件和軟件） 部分的成本可能還不到最終推進(jìn)系統(tǒng)總成本的25%,但為這些元件開(kāi)發(fā)算法和軟件所需要的工程付出可能超過(guò)總開(kāi)發(fā)成本的75%.

要把新的電子元件加入到汽車(chē)或其它機(jī)動(dòng)車(chē)中必須克服許多挑戰(zhàn)。主要的挑戰(zhàn)涉及成本、功耗、運(yùn)行環(huán)境、可靠性和耐久性、安全性和符合法規(guī)等方面。這些眾所周知的約束存在于所有的嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目中，但在混合型和燃料電池型車(chē)輛中它們表現(xiàn)在不同的方面。以下將討論這些挑戰(zhàn)并對(duì)如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)提出一些建議。

成本和功耗

汽車(chē)是成本敏感型產(chǎn)品，其價(jià)格壓力一直延伸到各個(gè)部件的設(shè)計(jì)。因?yàn)榛旌闲蛙?chē)輛包括傳統(tǒng)的功率供給系統(tǒng)和電力系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)和電池），消費(fèi)者實(shí)際需要購(gòu)買(mǎi)兩個(gè)功率供給系統(tǒng)。盡管降低燃料消耗所帶來(lái)的成本節(jié)省在某種程度上可以抵消這個(gè)高昂的附加費(fèi)用，但市場(chǎng)將依然要求能保持較低的初始成本。

功率管理面臨兩個(gè)重大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)汽車(chē)所面臨的挑戰(zhàn)依然沒(méi)有改變：降低每個(gè)控制器的功耗并把過(guò)多的熱量排放出去。由于需要驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行器，驅(qū)動(dòng)器電路是有名的高功率部分，而且為避免損壞電子線路，必須把它所產(chǎn)生的熱量散掉。此外，把電動(dòng)機(jī)加到車(chē)輛中意味著有更多的能量必須被耗散。

這個(gè)新的挑戰(zhàn)源于汽車(chē)的設(shè)計(jì)目標(biāo)--提高燃料效率。車(chē)輛中的嵌入式系統(tǒng)必須具有非常高的效率且只需很少能量就可以運(yùn)行。如果通過(guò)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)節(jié)省的能量隨后又在保持控制器或執(zhí)行器運(yùn)行的過(guò)程中被浪費(fèi)掉（特別是在不需要執(zhí)行器的情況），這樣做就毫無(wú)意義了。

為提高電池的使用壽命，許多電池供電的嵌入式設(shè)備在處于空閑狀態(tài)時(shí)使用各種算法進(jìn)入低功率模式。在混合型或燃料電池型車(chē)輛中，即使這個(gè)少量的能量節(jié)省也不能放棄，尤其當(dāng)處理器總數(shù)已經(jīng)給定的時(shí)候。通過(guò)在軟件等待任務(wù)時(shí)進(jìn)入低功率狀態(tài)，嵌入式控制系統(tǒng)可對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的能量效率做出貢獻(xiàn).

圖3:燃料電池供電系統(tǒng)。

運(yùn)行環(huán)境

控制汽車(chē)的電子部分必須在高/低溫和強(qiáng)震動(dòng)的嚴(yán)酷環(huán)境中工作。傳統(tǒng)汽車(chē)電子設(shè)備的供應(yīng)商熟悉這個(gè)環(huán)境。如罩內(nèi)（underhood）電子設(shè)備（包括基于微控制器的系統(tǒng)）的溫度范圍規(guī)定為-40到125°C.在許多情況下這個(gè)溫度被錯(cuò)誤地看成是罩內(nèi)環(huán)境溫度，實(shí)際電子元件的額定溫度。在非常嚴(yán)酷的條件下完成的測(cè)試表明，實(shí)際的罩內(nèi)最高溫度只有110°C,但此溫度依然足以讓水沸騰。

震動(dòng)也是一個(gè)關(guān)鍵條件。以混合方式和燃料電池提供能量的車(chē)輛將第一次把電動(dòng)機(jī)、電池和燃料電池的供應(yīng)商帶到汽車(chē)工業(yè)。這些新的供應(yīng)商將不得不設(shè)計(jì)滿足在許多情況下甚至可以同航空工業(yè)的要求相近的震動(dòng)指標(biāo)。

可靠性和耐久性

汽車(chē)電子設(shè)備需要在各種條件下可靠地運(yùn)行，一般汽車(chē)要求10年/10萬(wàn)英里，卡車(chē)要求15年/15萬(wàn)英里（這些是典型數(shù)值，不同OEM廠商之間稍有差別）。

一些控制器實(shí)際上從不關(guān)閉，它們?cè)诠?jié)能狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行，甚至當(dāng)汽車(chē)停止使用時(shí)也是如此。

安全性

許多原告和律師正在核查是否某個(gè)有缺陷的設(shè)計(jì)導(dǎo)致了事故的發(fā)生并希望能夠起訴工程師的雇主以獲得賠償金。這種核查和法律訴訟的風(fēng)險(xiǎn)迫使汽車(chē)工程師度過(guò)了許多不眠之夜。為保證設(shè)計(jì)在所有條件下（甚至當(dāng)某個(gè)部件失效時(shí)）都是安全的，他們必須花費(fèi)數(shù)萬(wàn)工程小時(shí)進(jìn)行故障模式/后果分析（FMEA）和故障樹(shù)分析（FTA）。

另一個(gè)安全特性是車(chē)輛不執(zhí)行駕駛員無(wú)意做出的任何動(dòng)作。隨著把司機(jī)同設(shè)備分離開(kāi)來(lái)的線控（by-wire）系統(tǒng)的出現(xiàn)，安全性已經(jīng)成為一個(gè)更受關(guān)注的課題?；旌闲秃腿剂想姵匦拖到y(tǒng)天生就是線控驅(qū)動(dòng)、線控剎車(chē)和線控駕駛的系統(tǒng)。在許多情況下，這將需要容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和冗余設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)工具

借助于UML、Matlab/Simulink和AscetSD等建模工具，你可以開(kāi)發(fā)出具有功能強(qiáng)大的產(chǎn)品。特別值得一提的是，這種方法有一個(gè)重大優(yōu)點(diǎn)：可以在工作站上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行離線仿真。通過(guò)建模，我們可以通過(guò)在項(xiàng)目的早期進(jìn)行可靠性、安全性分析來(lái)保證系統(tǒng)在所有條件下正常工作，而不必等到在進(jìn)行最終產(chǎn)品測(cè)試時(shí)才發(fā)現(xiàn)缺陷。

為了在實(shí)際車(chē)輛上進(jìn)行測(cè)試，許多已經(jīng)公布的早期概念車(chē)設(shè)計(jì)已經(jīng)使用了Matlab/Simulink并在快速原型系統(tǒng)上使用了自動(dòng)代碼生成。主要的障礙將是把這個(gè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)全部轉(zhuǎn)換成滿足所有前述挑戰(zhàn)的可生產(chǎn)代碼（productiON-ready code）。

依靠預(yù)先在設(shè)計(jì)層所做的系統(tǒng)仿真，當(dāng)各種部件到位后，我們就可以在多種環(huán)境和多種出錯(cuò)情況下測(cè)試系統(tǒng)的功能。當(dāng)軟件進(jìn)入最終的汽車(chē)產(chǎn)品時(shí)，我們已經(jīng)完成了廣泛的測(cè)試和開(kāi)發(fā)并可以使用該車(chē)輛來(lái)驗(yàn)證這個(gè)模型而不是開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)。這并不意味著不需要進(jìn)行車(chē)輛級(jí)驗(yàn)證，但這樣做將可以降低風(fēng)險(xiǎn)并改善最終系統(tǒng)的質(zhì)量。

因?yàn)榉抡孳浖⒅苯釉诮－h(huán)境下運(yùn)行很多次，因此仿真和建模可以很好協(xié)同工作。這里所面臨的最大的挑戰(zhàn)是建立確實(shí)代表所仿真的設(shè)備而且具有足夠高的仿真效率的仿真模型，以至于可以在合理的時(shí)間內(nèi)完成仿真。

當(dāng)然，還需要察看混合型或燃料電池型汽車(chē)設(shè)計(jì)的所有挑戰(zhàn)是否都可以在這些產(chǎn)品中得到滿足，從而使得用戶樂(lè)于擁有和駕駛這些產(chǎn)品。