混合型和燃料電池型汽車(chē)的電子設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)分析

作者：Joe Lemieux

　　底特律和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(mǎn)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)。

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。

　　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 (沒(méi)有傳輸產(chǎn)生的殘留負(fù)載)。

　　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)

　　燃料電池車(chē)是由電池和燃料電池提供動(dòng)力的電力車(chē)輛。燃料電池把氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化成電能，它所產(chǎn)生的副產(chǎn)品只有水和熱。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。

　　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(mǎn)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(mǎn)足，電池組將會(huì)受到損害。控制燃料電池組的嵌入式系統(tǒng)必須到滿(mǎn)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)。混合型和燃料電池型汽車(chē)成功的關(guān)鍵是如何把各種嵌入式系統(tǒng)組合在單一車(chē)輛中。

　　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