混合型和燃料電池型汽車的電子設計挑戰分析

作者：Joe Lemieux

　　底特律和世界各地的工程師正在努力設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。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單的微控制器并通過基礎網絡同其它系統通訊，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品中并保證它們滿足汽車的許多苛刻要求卻是一個挑戰。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設計所固有的各種挑戰。

混合型系統

　　與字面意義相同，混合型推進系統結合了至少兩種不同的推進方法。在汽車應用中，典型的混合型系統包含一個內燃發動機(汽油或柴油)和一個或幾個電池供電的電動機。這種系統的一個優點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機用于在高需求期間提供基本或附加推力。

　　混合型系統的架構主要有并聯和串聯兩種，它們的差別體現在機械方面。在并聯混合型系統中，內燃機采用與提供電功率的電動機相并聯的方式向車輪提供機械功率。在串聯混合型系統中，內燃機必須首先產生電力，然后通過電動機轉換成車輪功率。

　　每種混合型架構都有數十種具體的設計。圖1顯示了一種并聯混合型系統的電氣原理圖。圖2顯示了一種串聯混合型系統的電氣原理圖。兩個圖都顯示了完整的電氣系統以及各種嵌入式控制系統。

                        圖1：并聯混合型系統。

　　圖1實質上顯示了目前已經上市的本田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助內燃機工作(從而可以使用更小更高效的發動機)，并在減速和剎車期間回收能量以及啟動發動機。

　　Civic混合型發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，通過關閉內燃機來節省能量。電動機的功率大到足以重新啟動發動機并開始同步驅動汽車。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動機而不是標準的Civic發動機。

　　圖2顯示的串聯混合系統在每個輪上使用了一個電動機。這種串聯設計能以與并聯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優點。首先，牽引和能量回收可以在車輪之間切換，因而可以實現快速牽引控制和通過電動機實現防抱死剎車。這種串聯架構也提供對所有車輪進行驅動的能力，而且無需昂貴的傳輸箱和微分齒輪。這個架構的第二個優點是具有自然地擴展到任何數目車輪的能力，這個優點對軍事應用尤為重要。最后，當發動機/發電機用于提供外部功率時，把發動機同車輪的解耦可能具有更高的效率 (沒有傳輸產生的殘留負載)。

　　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(CAN)總線來互連。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時協調。這要求設計和開發許多新的控制算法和軟件，甚至對發動機、傳輸和防抱死剎車系統(ABS)等成熟的控制系統也是如此。

燃料電池型系統

　　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化成電能，它所產生的副產品只有水和熱。車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，這個結構與串聯混合架構類似。

　　盡管燃料電池技術已經出現很長時間，但在汽車所處的不受控制的環境中它依然是一種新技術。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。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，相對濕度在70-90%范圍內。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必須到滿足各種要求。

                          圖2：串聯混合型系統。

電子挑戰

　　沒有嵌入式系統所提供的智能，就沒有混合型和燃料電池型車輛。這些嵌入式系統目前有很多元件處于相互隔離狀態。內燃機(汽油型和柴油型)和車輛傳動目前都是由嵌入式系統控制的。電動機控制和電池充電管理也已經在其它行業中發展成熟。燃料電池在幾十年以前就也已經被用于空間探測。混合型和燃料電池型汽車成功的關鍵是如何把各種嵌入式系統組合在單一車輛中。

　　在現有電動車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，許多車輛系統假定在執行任何任務之前內燃機必須已經在運行。如果發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，串聯混合系統就可以在發動機關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總成本的25%，但為這些元件開發算法和軟件所需要的工程付出可能超過總開發成本的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。主要的挑戰涉及成本、功耗、運行環境、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

　　汽車是成本敏感型產品，其價格壓力一直延伸到各個部件的設計。因為混合型車輛包括傳統的功率供給系統和電力系統(電動機和電池)，消費者實際需要購買兩個功率供給系統。盡管降低燃料消耗所帶來的成本節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。傳統汽車所面臨的挑戰依然沒有改變：降低每個控制器的功耗并把過多的熱量排放出去。由于需要驅動外部執行器，驅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。

　　這個新的挑戰源于汽車的設計目標——提高燃料效率。車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。如果通過關閉發動機來節省的能量隨后又在保持控制器或執行器運行的過程中被浪費掉(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省也不能放棄，尤其當處理器總數已經給定的時候。通過在軟件等待任務時進入低功率狀態，嵌入式控制系統可對提高整個系統的能量效率做出貢獻。

                      圖3：燃料電池供電系統。

運行環境

　　控制汽車的電子部分必須在高/低溫和強震動的嚴酷環境中工作。傳統汽車電子設備的供應商熟悉這個環境。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