底特律和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)。
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。
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)換成車輪功率。
每種混合型架構(gòu)都有數(shù)十種具體的設(shè)計。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2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 (沒有傳輸產(chǎn)生的殘留負載)。
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。
燃料電池型系統(tǒng)
燃料電池車是由電池和燃料電池提供動力的電力車輛。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。
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2：串聯(lián)混合型系統(tǒng)。
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?；旌闲秃腿剂想姵匦推嚦晒Φ年P(guān)鍵是如何把各種嵌入式系統(tǒng)組合在單一車輛中。
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。
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。
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。混合型和燃料電池型系統(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。
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。
（轉(zhuǎn)載）
