探討燃料電池型和混合型汽車(chē)電子設計的挑戰

世界各地的工程師正在努力設計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。這些系統向設計者提出了哪些挑戰呢，在這些系統中，雖然其中有些系統依靠簡(jiǎn)單的微控制器并通過(guò)基礎網(wǎng)絡(luò )同其它系統通訊，但人們也在引入帶有更大內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不是新的，但把所有這些子系統一起放在單獨的產(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。

在本文中，我們將討論混合型和燃料電池型車(chē)輛嵌入式系統設計所固有的各種挑戰。據統計，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(hù)家庭使用燃料電池，同時(shí)全球擁有60萬(wàn)臺燃料電池汽車(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。

燃料電池型系統

燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力系統是燃料電池汽車(chē)區別于其他類(lèi)型車(chē)輛(內燃機汽車(chē)、蓄電池電動(dòng)汽車(chē)以及油-電混合動(dòng)力汽車(chē))的主要標志。使用燃料電池系統作為動(dòng)力源是燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統的標志性特點(diǎn)。而通常情況下，燃料電池卻并非該系統唯一的動(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它加以補充和改善，從而構成燃料電池混合動(dòng)力系統，車(chē)用燃料電池的基本結構如圖3所示。除了內燃機用燃料電池組替換之外，這個(gè)結構與串聯(lián)混合架構類(lèi)似。

盡管燃料電池技術(shù)已經(jīng)出現很長(cháng)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)力系統有多種結構型式，結構型式的不同往往帶來(lái)整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟性的顯著(zhù)差別，因此對燃料電池混合動(dòng)力系統的各種構型進(jìn)行試驗研究以得到合理的、實(shí)用的動(dòng)力系統結構型式是成功開(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)復雜系統。它需要準確控制進(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，相對濕度在70-90%范圍內。如果這些要求不能得到滿(mǎn)足，電池組將會(huì )受到損害?？刂迫剂想姵亟M的嵌入式系統必須到滿(mǎn)足各種要求。

圖1:串聯(lián)混合型系統

混合型系統

與字面意義相同，混合型推進(jìn)系統結合了至少兩種不同的推進(jìn)方法。在汽車(chē)應用中，典型的混合型系統包含一個(gè)內燃發(fā)動(dòng)機(汽油或柴油)和一個(gè)或幾個(gè)電池供電的電動(dòng)機。這種系統的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以把內燃機設計成一直以最高效率工作的設備而電動(dòng)機用于在高需求期間提供基本或附加推力。

內燃機是一種動(dòng)力機械，它是通過(guò)使燃料在機器內部燃燒，并將其放出的熱能直接轉換為動(dòng)力的熱力發(fā)動(dòng)機，廣義上的內燃機不僅包括往復活塞式內燃機、旋轉活塞式發(fā)動(dòng)機和自由活塞式發(fā)動(dòng)機，也包括旋轉葉輪式的燃氣輪機、噴氣式發(fā)動(dòng)機等，內燃機以往復活塞式最為普遍?；钊絻热紮C將燃料和空氣混合，在其氣缸內燃燒，釋放出的熱能使氣缸內產(chǎn)生高溫高壓的燃氣。燃氣膨脹推動(dòng)活塞作功，再通過(guò)曲柄連桿機構或其他機構將機械功輸出，驅動(dòng)從動(dòng)機械工作。

混合型系統的架構主要有并聯(lián)和串聯(lián)兩種，它們的差別體現在機械方面。在并聯(lián)混合型系統中，內燃機采用與提供電功率的電動(dòng)機相并聯(lián)的方式向車(chē)輪提供機械功率。在串聯(lián)混合型系統中，內燃機必須首先產(chǎn)生電力，然后通過(guò)電動(dòng)機轉換成功率。

每種混合型架構都有數十種具體的設計。圖2顯示了一種并聯(lián)混合型系統的電氣原理圖。圖2顯示了一種串聯(lián)混合型系統的電氣原理圖。兩個(gè)圖都顯示了完整的電氣系統以及各種嵌入式控制系統。

圖2:并聯(lián)混合型系統

圖2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)機的目的是在加速期間協(xié)助內燃機工作(從而可以使用更小更高效的發(fā)動(dòng)機)，并在減速和剎車(chē)期間回收能量以及啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機。

Civic混合型發(fā)動(dòng)機以三種方式來(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)程中被浪費的能量用于向電池再充電。第二，當汽車(chē)空閑時(shí)，通過(guò)關(guān)閉內燃機來(lái)節省能量。電動(dòng)機的功率大到足以重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機并開(kāi)始同步驅動(dòng)汽車(chē)。最后，由于電動(dòng)機可以在高需求(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)機而不是標準的Civic發(fā)動(dòng)機。

圖1顯示的串聯(lián)混合系統在每個(gè)輪上使用了一個(gè)電動(dòng)機。這種串聯(lián)設計能以與并聯(lián)設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(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)現快速牽引控制和通過(guò)電動(dòng)機實(shí)現防抱死剎車(chē)。這種串聯(lián)架構也提供對所有車(chē)輪進(jìn)行驅動(dòng)的能力，而且無(wú)需昂貴的傳輸箱和微分齒輪。這個(gè)架構的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有自然地擴展到任何數目車(chē)輪的能力，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對軍事應用尤為重要。最后，當發(fā)動(dòng)機/發(fā)電機用于提供外部功率時(shí)，把發(fā)動(dòng)機同車(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(xiàn)來(lái)互連。這些控制器中的固件必須控制系統中各自的部分并同其它控制器實(shí)時(shí)協(xié)調。這要求設計和開(kāi)發(fā)許多新的控制算法和軟件，甚至對發(fā)動(dòng)機、傳輸和防抱死剎車(chē)系統(ABS)等成熟的控制系統也是如此。

電子挑戰

沒(méi)有嵌入式系統所提供的智能，就沒(méi)有混合型和燃料電池型車(chē)輛。這些嵌入式系統目前有很多元件處于相互隔離狀態(tài)。內燃機(汽油型和柴油型)和車(chē)輛傳動(dòng)目前都是由嵌入式系統控制的。電動(dòng)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。

在現有電動(dòng)車(chē)輛系統的設計中所做的許多假設不適于混合架構和燃料電池架構。比如，許多車(chē)輛系統假定在執行任何任務(wù)之前內燃機必須已經(jīng)在運行。如果發(fā)動(dòng)機沒(méi)有運行就沒(méi)有能量，這種說(shuō)法對嗎?不對。只要電池有充足的電量，串聯(lián)混合系統就可以在發(fā)動(dòng)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(jìn)系統總成本的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)或其它機動(dòng)車(chē)中必須克服許多挑戰。主要的挑戰涉及成本、功耗、運行環(huán)境、可靠性和耐久性、安全性和符合法規等方面。這些眾所周知的約束存在于所有的嵌入式系統項目中，但在混合型和燃料電池型車(chē)輛中它們表現在不同的方面。以下將討論這些挑戰并對如何應對這些挑戰提出一些建議。

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)部件的設計。因為混合型車(chē)輛包括傳統的功率供給系統和電力系統(電動(dòng)機和電池)，消費者實(shí)際需要購買(mǎi)兩個(gè)功率供給系統。盡管降低燃料消耗所帶來(lái)的成本節省在某種程度上可以抵消這個(gè)高昂的附加費用，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。傳統汽車(chē)所面臨的挑戰依然沒(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。由于需要驅動(dòng)外部執行器，驅動(dòng)器電路是有名的高功率部分，而且為避免損壞電子線(xiàn)路，必須把它所產(chǎn)生的熱量散掉。此外，把電動(dòng)機加到車(chē)輛中意味著(zhù)有更多的能量必須被耗散。

這個(gè)新的挑戰源于汽車(chē)的設計目標--提高燃料效率。車(chē)輛中的嵌入式系統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(guò)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機來(lái)節省的能量隨后又在保持控制器或執行器運行的過(guò)程中被浪費掉(特別是在不需要執行器的情況)，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)少量的能量節省也不能放棄，尤其當處理器總數已經(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)，嵌入式控制系統可對提高整個(gè)系統的能量效率做出貢獻.

圖3:燃料電池供電系統。

運行環(huán)境

控制汽車(chē)的電子部分必須在高/低溫和強震動(dòng)的嚴酷環(huán)境中工作。傳統汽車(chē)電子設備的供應商熟悉這個(gè)環(huán)境。如罩內(underhood)電子設備(包括基于微控制器的系統)的溫度范圍規定為-40到125°C.在許多情況下這個(gè)溫度被錯誤地看成是罩內環(huán)境溫度，實(shí)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(shí)際的罩內最高溫度只有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、電池和燃料電池的供應商帶到汽車(chē)工業(yè)。這些新的供應商將不得不設計滿(mǎn)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。

安全性

許多原告和律師正在核查是否某個(gè)有缺陷的設計導致了事故的發(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(fēng)險迫使汽車(chē)工程師度過(guò)了許多不眠之夜。為保證設計在所有條件下(甚至當某個(gè)部件失效時(shí))都是安全的，他們必須花費數萬(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)輛不執行駕駛員無(wú)意做出的任何動(dòng)作。隨著(zhù)把司機同設備分離開(kāi)來(lái)的線(xiàn)控(by-wire)系統的出現，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天生就是線(xiàn)控驅動(dòng)、線(xiàn)控剎車(chē)和線(xiàn)控駕駛的系統。在許多情況下，這將需要容錯系統設計和冗余設計。

可靠性和耐久性

汽車(chē)電子設備需要在各種條件下可靠地運行，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(這些是典型數值，不同OEM廠(chǎng)商之間稍有差別)。

一些控制器實(shí)際上從不關(guān)閉，它們在節能狀態(tài)繼續運行，甚至當汽車(chē)停止使用時(shí)也是如此。

設計工具

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)：可以在工作站上對系統進(jìn)行離線(xiàn)仿真。通過(guò)建模，我們可以通過(guò)在項目的早期進(jìn)行可靠性、安全性分析來(lái)保證系統在所有條件下正常工作，而不必等到在進(jìn)行最終產(chǎn)品測試時(shí)才發(fā)現缺陷。

為了在實(shí)際車(chē)輛上進(jìn)行測試，許多已經(jīng)公布的早期概念車(chē)設計已經(jīng)使用了Matlab/Simulink并在快速原型系統上使用了自動(dòng)代碼生成。主要的障礙將是把這個(gè)知識產(chǎn)權全部轉換成滿(mǎn)足所有前述挑戰的可生產(chǎn)代碼(productiON-ready code)。

依靠預先在設計層所做的系統仿真，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的功能。當軟件進(jìn)入最終的汽車(chē)產(chǎn)品時(shí)，我們已經(jīng)完成了廣泛的測試和開(kāi)發(fā)并可以使用該車(chē)輛來(lái)驗證這個(gè)模型而不是開(kāi)發(fā)控制系統。這并不意味著(zhù)不需要進(jìn)行車(chē)輛級驗證，但這樣做將可以降低風(fēng)險并改善最終系統的質(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是建立確實(shí)代表所仿真的設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)間內完成仿真。

當然，還需要察看混合型或燃料電池型汽車(chē)設計的所有挑戰是否都可以在這些產(chǎn)品中得到滿(mǎn)足，從而使得用戶(hù)樂(lè )于擁有和駕駛這些產(chǎn)品。