探討燃料電池型和混合型汽車電子設(shè)計的挑戰(zhàn)

世界各地的工程師正在努力設(shè)計混合型和燃料電池汽車，這兩種汽車都需要很多嵌入式系統(tǒng)。這些系統(tǒng)向設(shè)計者提出了哪些挑戰(zhàn)呢，在這些系統(tǒng)中，雖然其中有些系統(tǒng)依靠簡單的微控制器并通過基礎(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)一起放在單獨的產(chǎn)品中并保證它們滿足汽車的許多苛刻要求卻是一個挑戰(zhàn)。

在本文中，我們將討論混合型和燃料電池型車輛嵌入式系統(tǒng)設(shè)計所固有的各種挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，2005年全球擁有50萬個固定的(靜止式)燃料電池裝置，到2010年，將有250萬戶家庭使用燃料電池，同時全球擁有60萬臺燃料電池汽車，占世界汽車生產(chǎn)量的1%.2005年，從事燃料電池開發(fā)的公司總投資額已超過10億美元。

燃料電池型系統(tǒng)

燃料電池汽車的動力系統(tǒng)是燃料電池汽車區(qū)別于其他類型車輛(內(nèi)燃機汽車、蓄電池電動汽車以及油-電混合動力汽車)的主要標志。使用燃料電池系統(tǒng)作為動力源是燃料電池汽車動力系統(tǒng)的標志性特點。而通常情況下，燃料電池卻并非該系統(tǒng)唯一的動力源，由于燃料電池在峰值功率輸出能力以及功率輸出的動態(tài)響應等性能方、面欠佳，因此往往需要一些輔助的動力源裝置來在功率輸出能力等方面對它加以補充和改善，從而構(gòu)成燃料電池混合動力系統(tǒng)，車用燃料電池的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。除了內(nèi)燃機用燃料電池組替換之外，這個結(jié)構(gòu)與串聯(lián)混合架構(gòu)類似。

盡管燃料電池技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)很長時間，但在汽車所處的不受控制的環(huán)境中它依然是一種新技術(shù)。在燃料電池車大量上市以前，耐久性、可靠性和成本等問題必須得到解決。而且燃料電池汽車的混合動力系統(tǒng)有多種結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)型式的不同往往帶來整車動力性和經(jīng)濟性的顯著差別，因此對燃料電池混合動力系統(tǒng)的各種構(gòu)型進行試驗研究以得到合理的、實用的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式是成功開發(fā)燃料電池汽車的關(guān)鍵一環(huán)。

燃料電池本身是一個復雜系統(tǒng)。它需要準確控制進入電池的燃料(氫氣)和空氣的溫度和濕度。例如，進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，電池組將會受到損害。控制燃料電池組的嵌入式系統(tǒng)必須到滿足各種要求。

圖1:串聯(lián)混合型系統(tǒng)

混合型系統(tǒng)

與字面意義相同，混合型推進系統(tǒng)結(jié)合了至少兩種不同的推進方法。在汽車應用中，典型的混合型系統(tǒng)包含一個內(nèi)燃發(fā)動機(汽油或柴油)和一個或幾個電池供電的電動機。這種系統(tǒng)的一個優(yōu)點是可以把內(nèi)燃機設(shè)計成一直以最高效率工作的設(shè)備而電動機用于在高需求期間提供基本或附加推力。

內(nèi)燃機是一種動力機械，它是通過使燃料在機器內(nèi)部燃燒，并將其放出的熱能直接轉(zhuǎn)換為動力的熱力發(fā)動機，廣義上的內(nèi)燃機不僅包括往復活塞式內(nèi)燃機、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機和自由活塞式發(fā)動機，也包括旋轉(zhuǎn)葉輪式的燃氣輪機、噴氣式發(fā)動機等，內(nèi)燃機以往復活塞式最為普遍?；钊絻?nèi)燃機將燃料和空氣混合，在其氣缸內(nèi)燃燒，釋放出的熱能使氣缸內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的燃氣。燃氣膨脹推動活塞作功，再通過曲柄連桿機構(gòu)或其他機構(gòu)將機械功輸出，驅(qū)動從動機械工作。

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)在機械方面。在并聯(lián)混合型系統(tǒng)中，內(nèi)燃機采用與提供電功率的電動機相并聯(lián)的方式向車輪提供機械功率。在串聯(lián)混合型系統(tǒng)中，內(nèi)燃機必須首先產(chǎn)生電力，然后通過電動機轉(zhuǎn)換成功率。

每種混合型架構(gòu)都有數(shù)十種具體的設(shè)計。圖2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2:并聯(lián)混合型系統(tǒng)

圖2實質(zhì)上顯示了目前已經(jīng)上市的本田Civic混合型汽車的布局，在這個布局中，電動機的目的是在加速期間協(xié)助內(nèi)燃機工作(從而可以使用更小更高效的發(fā)動機)，并在減速和剎車期間回收能量以及啟動發(fā)動機。

Civic混合型發(fā)動機以三種方式來減少排放和降低燃料消耗。首先，把通常在汽車減速和剎車過程中被浪費的能量用于向電池再充電。第二，當汽車空閑時，通過關(guān)閉內(nèi)燃機來節(jié)省能量。電動機的功率大到足以重新啟動發(fā)動機并開始同步驅(qū)動汽車。最后，由于電動機可以在高需求(如快速加速)期間提供幫助，在這款轎車中使用了一種較小的發(fā)動機而不是標準的Civic發(fā)動機。

圖1顯示的串聯(lián)混合系統(tǒng)在每個輪上使用了一個電動機。這種串聯(lián)設(shè)計能以與并聯(lián)設(shè)計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優(yōu)點。首先，牽引和能量回收可以在車輪之間切換，因而可以實現(xiàn)快速牽引控制和通過電動機實現(xiàn)防抱死剎車。這種串聯(lián)架構(gòu)也提供對所有車輪進行驅(qū)動的能力，而且無需昂貴的傳輸箱和微分齒輪。這個架構(gòu)的第二個優(yōu)點是具有自然地擴展到任何數(shù)目車輪的能力，這個優(yōu)點對軍事應用尤為重要。最后，當發(fā)動機/發(fā)電機用于提供外部功率時，把發(fā)動機同車輪的解耦可能具有更高的效率。

正如兩個圖中所示，要使混合型汽車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時協(xié)調(diào)。這要求設(shè)計和開發(fā)許多新的控制算法和軟件，甚至對發(fā)動機、傳輸和防抱死剎車系統(tǒng)(ABS)等成熟的控制系統(tǒng)也是如此。

電子挑戰(zhàn)

沒有嵌入式系統(tǒng)所提供的智能，就沒有混合型和燃料電池型車輛。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(汽油型和柴油型)和車輛傳動目前都是由嵌入式系統(tǒng)控制的。電動機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。

在現(xiàn)有電動車輛系統(tǒng)的設(shè)計中所做的許多假設(shè)不適于混合架構(gòu)和燃料電池架構(gòu)。比如，許多車輛系統(tǒng)假定在執(zhí)行任何任務之前內(nèi)燃機必須已經(jīng)在運行。如果發(fā)動機沒有運行就沒有能量，這種說法對嗎?不對。只要電池有充足的電量，串聯(lián)混合系統(tǒng)就可以在發(fā)動機關(guān)閉的情況下運行且性能不變。電子(包括硬件和軟件)部分的成本可能還不到最終推進系統(tǒng)總成本的25%,但為這些元件開發(fā)算法和軟件所需要的工程付出可能超過總開發(fā)成本的75%.

要把新的電子元件加入到汽車或其它機動車中必須克服許多挑戰(zhàn)。主要的挑戰(zhàn)涉及成本、功耗、運行環(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)項目中，但在混合型和燃料電池型車輛中它們表現(xiàn)在不同的方面。以下將討論這些挑戰(zhàn)并對如何應對這些挑戰(zhàn)提出一些建議。

成本和功耗

汽車是成本敏感型產(chǎn)品，其價格壓力一直延伸到各個部件的設(shè)計。因為混合型車輛包括傳統(tǒng)的功率供給系統(tǒng)和電力系統(tǒng)(電動機和電池)，消費者實際需要購買兩個功率供給系統(tǒng)。盡管降低燃料消耗所帶來的成本節(jié)省在某種程度上可以抵消這個高昂的附加費用，但市場將依然要求能保持較低的初始成本。

功率管理面臨兩個重大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)汽車所面臨的挑戰(zhàn)依然沒有改變：降低每個控制器的功耗并把過多的熱量排放出去。由于需要驅(qū)動外部執(zhí)行器，驅(qū)動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，把電動機加到車輛中意味著有更多的能量必須被耗散。

這個新的挑戰(zhàn)源于汽車的設(shè)計目標--提高燃料效率。車輛中的嵌入式系統(tǒng)必須具有非常高的效率且只需很少能量就可以運行。如果通過關(guān)閉發(fā)動機來節(jié)省的能量隨后又在保持控制器或執(zhí)行器運行的過程中被浪費掉(特別是在不需要執(zhí)行器的情況)，這樣做就毫無意義了。

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)時使用各種算法進入低功率模式。在混合型或燃料電池型車輛中，即使這個少量的能量節(jié)省也不能放棄，尤其當處理器總數(shù)已經(jīng)給定的時候。通過在軟件等待任務時進入低功率狀態(tài)，嵌入式控制系統(tǒng)可對提高整個系統(tǒng)的能量效率做出貢獻.

圖3:燃料電池供電系統(tǒng)。

運行環(huán)境

控制汽車的電子部分必須在高/低溫和強震動的嚴酷環(huán)境中工作。傳統(tǒng)汽車電子設(shè)備的供應商熟悉這個環(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.在許多情況下這個溫度被錯誤地看成是罩內(nèi)環(huán)境溫度，實際電子元件的額定溫度。在非常嚴酷的條件下完成的測試表明，實際的罩內(nèi)最高溫度只有110°C,但此溫度依然足以讓水沸騰。

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

安全性

許多原告和律師正在核查是否某個有缺陷的設(shè)計導致了事故的發(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險迫使汽車工程師度過了許多不眠之夜。為保證設(shè)計在所有條件下(甚至當某個部件失效時)都是安全的，他們必須花費數(shù)萬工程小時進行故障模式/后果分析(FMEA)和故障樹分析(FTA)。

另一個安全特性是車輛不執(zhí)行駕駛員無意做出的任何動作。隨著把司機同設(shè)備分離開來的線控(by-wire)系統(tǒng)的出現(xiàn)，安全性已經(jīng)成為一個更受關(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、線控剎車和線控駕駛的系統(tǒng)。在許多情況下，這將需要容錯系統(tǒng)設(shè)計和冗余設(shè)計。

可靠性和耐久性

汽車電子設(shè)備需要在各種條件下可靠地運行，一般汽車要求10年/10萬英里，卡車要求15年/15萬英里(這些是典型數(shù)值，不同OEM廠商之間稍有差別)。

一些控制器實際上從不關(guān)閉，它們在節(jié)能狀態(tài)繼續(xù)運行，甚至當汽車停止使用時也是如此。

設(shè)計工具

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

為了在實際車輛上進行測試，許多已經(jīng)公布的早期概念車設(shè)計已經(jīng)使用了Matlab/Simulink并在快速原型系統(tǒng)上使用了自動代碼生成。主要的障礙將是把這個知識產(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)。

依靠預先在設(shè)計層所做的系統(tǒng)仿真，當各種部件到位后，我們就可以在多種環(huán)境和多種出錯情況下測試系統(tǒng)的功能。當軟件進入最終的汽車產(chǎn)品時，我們已經(jīng)完成了廣泛的測試和開發(fā)并可以使用該車輛來驗證這個模型而不是開發(fā)控制系統(tǒng)。這并不意味著不需要進行車輛級驗證，但這樣做將可以降低風險并改善最終系統(tǒng)的質(zhì)量。

因為仿真軟件將直接在建模環(huán)境下運行很多次，因此仿真和建?？梢院芎脜f(xié)同工作。這里所面臨的最大的挑戰(zhàn)是建立確實代表所仿真的設(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間內(nèi)完成仿真。

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