中心議題：

• 混合型係統介紹
• 燃料電池型係統分析
• 混合型和燃料電池型汽車的電子設計挑戰
• 混合型和燃料電池型汽車的電子設計工具介紹

世shi界jie各ge地di的de工gong程cheng師shi正zheng在zai努nu力li設she計ji混hun合he型xing和he燃ran料liao電dian池chi汽qi車che，這zhe兩liang種zhong汽qi車che都dou需xu要yao很hen多duo嵌qian入ru式shi係xi統tong。這zhe些xie係xi統tong向xiang設she計ji者zhe提ti出chu了le哪na些xie挑tiao戰zhan呢ne
，在zai這zhe些xie係xi統tong中zhong，雖sui然ran其qi中zhong有you些xie係xi統tong依yi靠kao簡jian單dan的de微wei控kong製zhi器qi並bing通tong過guo基ji礎chu網wang絡luo同tong其qi它ta係xi統tong通tong訊xun，但dan人ren們men也ye在zai引yin入ru帶dai有you更geng大da內nei存cun且qie更geng加jia複fu雜za的de微wei控kong製zhi器qi。雖sui然ran許xu多duo控kong製zhi算suan法fa及ji其qi所suo控kong製zhi的de子zi係xi統tong不bu是shi新xin的de，但dan把ba所suo有you這zhe些xie子zi係xi統tong一yi起qi放fang在zai單dan獨du的de產chan品pin中zhong並bing保bao證zheng它ta們men滿man足zu汽qi車che的de許xu多duo苛ke刻ke要yao求qiu卻que是shi一yi個ge挑tiao戰zhan。在zai本ben文wen中zhong，我wo們men將jiang討tao論lun混hun合he型xing和he燃ran料liao電dian池chi型xing車che輛liang嵌qian入ru式shi係xi統tong設she計ji所suo固gu有you的de各ge種zhong挑tiao戰zhan。據ju統tong計ji，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60萬台燃料電池汽車，占世界汽車生產量的1%.2005年，從事燃料電池開發的公司總投資額已超過10億美元。

混合型係統

與字麵意義相同
，混合型推進係統結合了至少兩種不同的推進方法。在汽車應用中，典型的混合型係統包含一個內燃發動機（汽油或柴油）和(he)一(yi)個(ge)或(huo)幾(ji)個(ge)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)電(dian)動(dong)機(ji)。這(zhe)種(zhong)係(xi)統(tong)的(de)一(yi)個(ge)優(you)點(dian)是(shi)可(ke)以(yi)把(ba)內(nei)燃(ran)機(ji)設(she)計(ji)成(cheng)一(yi)直(zhi)以(yi)最(zui)高(gao)效(xiao)率(lv)工(gong)作(zuo)的(de)設(she)備(bei)而(er)電(dian)動(dong)機(ji)用(yong)於(yu)在(zai)高(gao)需(xu)求(qiu)期(qi)間(jian)提(ti)供(gong)基(ji)本(ben)或(huo)附(fu)加(jia)推(tui)力(li)。內(nei)燃(ran)機(ji)是(shi)一(yi)種(zhong)動(dong)力(li)機(ji)械(xie)，它(ta)是(shi)通(tong)過(guo)使(shi)燃(ran)料(liao)在(zai)機(ji)器(qi)內(nei)部(bu)燃(ran)燒(shao)

，並(bing)將(jiang)其(qi)放(fang)出(chu)的(de)熱(re)能(neng)直(zhi)接(jie)轉(zhuan)換(huan)為(wei)動(dong)力(li)的(de)熱(re)力(li)發(fa)動(dong)機(ji)，廣(guang)義(yi)上(shang)的(de)內(nei)燃(ran)機(ji)不(bu)僅(jin)包(bao)括(kuo)往(wang)複(fu)活(huo)塞(sai)式(shi)內(nei)燃(ran)機(ji)、旋轉活塞式發動機和自由活塞式發動機
，也包括旋轉葉輪式的燃氣輪機
、噴pen氣qi式shi發fa動dong機ji等deng，內nei燃ran機ji以yi往wang複fu活huo塞sai式shi最zui為wei普pu遍bian。活huo塞sai式shi內nei燃ran機ji將jiang燃ran料liao和he空kong氣qi混hun合he
，在zai其qi氣qi缸gang內nei燃ran燒shao
，釋shi放fang出chu的de熱re能neng使shi氣qi缸gang內nei產chan生sheng高gao溫wen高gao壓ya的de燃ran氣qi。燃ran氣qi膨peng脹zhang推tui動dong活huo塞sai作zuo功gong
，再zai通tong過guo曲qu柄bing連lian杆gan機ji構gou或huo其qi他ta機ji構gou將jiang機ji械xie功gong輸shu出chu，驅qu動dong從cong動dong機ji械xie工gong作zuo。

混hun合he型xing係xi統tong的de架jia構gou主zhu要yao有you並bing聯lian和he串chuan聯lian兩liang種zhong，它ta們men的de差cha別bie體ti現xian在zai機ji械xie方fang麵mian。在zai並bing聯lian混hun合he型xing係xi統tong中zhong，內nei燃ran機ji采cai用yong與yu提ti供gong電dian功gong率lv的de電dian動dong機ji相xiang並bing聯lian的de方fang式shi向xiang車che輪lun提ti供gong機ji械xie功gong率lv。在zai串chuan聯lian混hun合he型xing係xi統tong中zhong，內nei燃ran機ji必bi須xu首shou先xian產chan生sheng電dian力li，然ran後hou通tong過guo電dian動dong機ji轉zhuan換huan成cheng功gong率lv。

每種混合型架構都有數十種具體的設計。圖1顯示了一種並聯混合型係統的電氣原理圖。圖2顯示了一種串聯混合型係統的電氣原理圖。兩個圖都顯示了完整的電氣係統以及各種嵌入式控製係統。
 

圖1:並聯混合型係統

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），並在減速和刹車期間回收能量以及啟動發動機。

Civic混hun合he型xing發fa動dong機ji以yi三san種zhong方fang式shi來lai減jian少shao排pai放fang和he降jiang低di燃ran料liao消xiao耗hao。首shou先xian，把ba通tong常chang在zai汽qi車che減jian速su和he刹sha車che過guo程cheng中zhong被bei浪lang費fei的de能neng量liang用yong於yu向xiang電dian池chi再zai充chong電dian。第di二er，當dang汽qi車che空kong閑xian時shi，通tong過guo關guan閉bi內nei燃ran機ji來lai節jie省sheng能neng量liang。電dian動dong機ji的de功gong率lv大da到dao足zu以yi重zhong新xin啟qi動dong發fa動dong機ji並bing開kai始shi同tong步bu驅qu動dong汽qi車che。最zui後hou，由you於yu電dian動dong機ji可ke以yi在zai高gao需xu求qiu（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xian示shi的de串chuan聯lian混hun合he係xi統tong在zai每mei個ge輪lun上shang使shi用yong了le一yi個ge電dian動dong機ji。這zhe種zhong串chuan聯lian設she計ji能neng以yi與yu並bing聯lian設she計ji相xiang同tong的de方fang式shi減jian少shao排pai放fang和he降jiang低di燃ran料liao消xiao耗hao
，但dan除chu此ci之zhi外wai還hai有you其qi它ta幾ji個ge優you點dian。首shou先xian，牽qian引yin和he能neng量liang回hui收shou可ke以yi在zai車che輪lun之zhi間jian切qie換huan，因yin而er可ke以yi實shi現xian快kuai速su牽qian引yin控kong製zhi和he通tong過guo電dian動dong機ji實shi現xian防fang抱bao死si刹sha車che。這zhe種zhong串chuan聯lian架jia構gou也ye提ti供gong對dui所suo有you車che輪lun進jin行xing驅qu動dong的de能neng力li，而er且qie無wu需xu昂ang貴gui的de傳chuan輸shu箱xiang和he微wei分fen齒chi輪lun。這zhe個ge架jia構gou的de第di二er個ge優you點dian是shi具ju有you自zi然ran地di擴kuo展zhan到dao任ren何he數shu目mu車che輪lun的de能neng力li，這zhe個ge優you點dian對dui軍jun事shi應ying用yong尤you為wei重zhong要yao。最zui後hou，當dang發fa動dong機ji/發電機用於提供外部功率時，把發動機同車輪的解耦可能具有更高的效率。

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製器。這些控製器都是相互連接的，通常采用高速的控製器局域網（CAN）總zong線xian來lai互hu連lian。這zhe些xie控kong製zhi器qi中zhong的de固gu件jian必bi須xu控kong製zhi係xi統tong中zhong各ge自zi的de部bu分fen並bing同tong其qi它ta控kong製zhi器qi實shi時shi協xie調tiao。這zhe要yao求qiu設she計ji和he開kai發fa許xu多duo新xin的de控kong製zhi算suan法fa和he軟ruan件jian
，甚shen至zhi對dui發fa動dong機ji、傳輸和防抱死刹車係統（ABS）等成熟的控製係統也是如此。

燃料電池型係統

燃料電池汽車的動力係統是燃料電池汽車區別於其他類型車輛（內燃機汽車、蓄電池電動汽車以及油-電混合動力汽車）的(de)主(zhu)要(yao)標(biao)誌(zhi)。使(shi)用(yong)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)係(xi)統(tong)作(zuo)為(wei)動(dong)力(li)源(yuan)是(shi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)動(dong)力(li)係(xi)統(tong)的(de)標(biao)誌(zhi)性(xing)特(te)點(dian)。而(er)通(tong)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)卻(que)並(bing)非(fei)該(gai)係(xi)統(tong)唯(wei)一(yi)的(de)動(dong)力(li)源(yuan)，由(you)於(yu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)在(zai)峰(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)能(neng)力(li)以(yi)及(ji)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)的(de)動(dong)態(tai)響(xiang)應(ying)等(deng)性(xing)能(neng)方(fang)、麵mian欠qian佳jia，因yin此ci往wang往wang需xu要yao一yi些xie輔fu助zhu的de動dong力li源yuan裝zhuang置zhi來lai在zai功gong率lv輸shu出chu能neng力li等deng方fang麵mian對dui它ta加jia以yi補bu充chong和he改gai善shan，從cong而er構gou成cheng燃ran料liao電dian池chi混hun合he動dong力li係xi統tong
，車che用yong燃ran料liao電dian池chi的de基ji本ben結jie構gou如ru圖tu3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製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(ke)靠(kao)性(xing)和(he)成(cheng)本(ben)等(deng)問(wen)題(ti)必(bi)須(xu)得(de)到(dao)解(jie)決(jue)。而(er)且(qie)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)的(de)混(hun)合(he)動(dong)力(li)係(xi)統(tong)有(you)多(duo)種(zhong)結(jie)構(gou)型(xing)式(shi)，結(jie)構(gou)型(xing)式(shi)的(de)不(bu)同(tong)往(wang)往(wang)帶(dai)來(lai)整(zheng)車(che)動(dong)力(li)性(xing)和(he)經(jing)濟(ji)性(xing)的(de)顯(xian)著(zhe)差(cha)別(bie)，因(yin)此(ci)對(dui)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)混(hun)合(he)動(dong)力(li)係(xi)統(tong)的(de)各(ge)種(zhong)構(gou)型(xing)進(jin)行(xing)試(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu)以(yi)得(de)到(dao)合(he)理(li)的(de)、實用的動力係統結構型式是成功開發燃料電池汽車的關鍵一環。

燃料電池本身是一個複雜係統。它需要準確控製進入電池的燃料（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%範圍內。如果這些要求不能得到滿足
，電池組將會受到損害。控製燃料電池組的嵌入式係統必須到滿足各種要求。
[page]

圖2:串聯混合型係統

電子挑戰

沒有嵌入式係統所提供的智能，就沒有混合型和燃料電池型車輛。這些嵌入式係統目前有很多元件處於相互隔離狀態。內燃機（汽油型和柴油型）hecheliangchuandongmuqiandoushiyouqianrushixitongkongzhide。diandongjikongzhihedianchichongdianguanliyeyijingzaiqitaxingyezhongfazhanchengshu。ranliaodianchizaijishinianyiqianjiuyeyijingbeiyongyukongjiantance。

zaixianyoudiandongcheliangxitongdeshejizhongsuozuodexuduojiashebushiyuhunhejiagouheranliaodianchijiagou。biru，xuduocheliangxitongjiadingzaizhixingrenherenwuzhiqianneiranjibixuyijingzaiyunxing。ruguofadongjimeiyouyunxingjiumeiyounengliang
，zhezhongshuofaduima？budui。zhiyaodianchiyouchongzudedianliang，chuanlianhunhexitongjiukeyizaifadongjiguanbideqingkuangxiayunxingqiexingnengbubian。dianzi（包括硬件和軟件）部分的成本可能還不到最終推進係統總成本的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
、anquanxinghefuhefaguidengfangmian。zhexiezhongsuozhouzhideyueshucunzaiyusuoyoudeqianrushixitongxiangmuzhong，danzaihunhexingheranliaodianchixingcheliangzhongtamenbiaoxianzaibutongdefangmian。yixiajiangtaolunzhexietiaozhanbingduiruheyingduizhexietiaozhantichuyixiejianyi。

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係統和電力係統（電動機和電池），xiaofeizheshijixuyaogoumailianggegonglvgonggeixitong。jinguanjiangdiranliaoxiaohaosuodailaidechengbenjieshengzaimouzhongchengdushangkeyidixiaozhegegaoangdefujiafeiyong
，danshichangjiangyiranyaoqiunengbaochijiaodidechushichengben。

功率管理麵臨兩個重大的挑戰。傳統汽車所麵臨的挑戰依然沒有改變：降(jiang)低(di)每(mei)個(ge)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)功(gong)耗(hao)並(bing)把(ba)過(guo)多(duo)的(de)熱(re)量(liang)排(pai)放(fang)出(chu)去(qu)。由(you)於(yu)需(xu)要(yao)驅(qu)動(dong)外(wai)部(bu)執(zhi)行(xing)器(qi)，驅(qu)動(dong)器(qi)電(dian)路(lu)是(shi)有(you)名(ming)的(de)高(gao)功(gong)率(lv)部(bu)分(fen)
，而(er)且(qie)為(wei)避(bi)免(mian)損(sun)壞(huai)電(dian)子(zi)線(xian)路(lu)，必(bi)須(xu)把(ba)它(ta)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)量(liang)散(san)掉(diao)。此(ci)外(wai)，把(ba)電(dian)動(dong)機(ji)加(jia)到(dao)車(che)輛(liang)中(zhong)意(yi)味(wei)著(zhe)有(you)更(geng)多(duo)的(de)能(neng)量(liang)必(bi)須(xu)被(bei)耗(hao)散(san)。

這個新的挑戰源於汽車的設計目標--提ti高gao燃ran料liao效xiao率lv。車che輛liang中zhong的de嵌qian入ru式shi係xi統tong必bi須xu具ju有you非fei常chang高gao的de效xiao率lv且qie隻zhi需xu很hen少shao能neng量liang就jiu可ke以yi運yun行xing。如ru果guo通tong過guo關guan閉bi發fa動dong機ji來lai節jie省sheng的de能neng量liang隨sui後hou又you在zai保bao持chi控kong製zhi器qi或huo執zhi行xing器qi運yun行xing的de過guo程cheng中zhong被bei浪lang費fei掉diao（特別是在不需要執行器的情況），這樣做就毫無意義了。

weitigaodianchideshiyongshouming，xuduodianchigongdiandeqianrushishebeizaichuyukongxianzhuangtaishishiyonggezhongsuanfajinrudigonglvmoshi。zaihunhexinghuoranliaodianchixingcheliangzhong，jishizhegeshaoliangdenengliangjieshengyebunengfangqi，youqidangchuliqizongshuyijinggeidingdeshihou。tongguozairuanjiandengdairenwushijinrudigonglvzhuangtai，qianrushikongzhixitongkeduitigaozhenggexitongdenengliangxiaolvzuochugongxian.
 

圖3:燃料電池供電係統。

運行環境

控製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（包括基於微控製器的係統）的溫度範圍規定為-40到125°C.zaixuduoqingkuangxiazhegewendubeicuowudikanchengshizhaoneihuanjingwendu，shijidianziyuanjiandeedingwendu。zaifeichangyankudetiaojianxiawanchengdeceshibiaoming
，shijidezhaoneizuigaowenduzhiyou110°C,但此溫度依然足以讓水沸騰。

震動也是一個關鍵條件。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。這些新的供應商將不得不設計滿足在許多情況下甚至可以同航空工業的要求相近的震動指標。

可靠性和耐久性

汽車電子設備需要在各種條件下可靠地運行

，一般汽車要求10年/10萬英裏
，卡車要求15年/15萬英裏（這些是典型數值，不同OEM廠商之間稍有差別）。

一些控製器實際上從不關閉，它們在節能狀態繼續運行，甚至當汽車停止使用時也是如此。
[page]
安全性

xuduoyuangaohelvshizhengzaihezhashifoumougeyouquexiandeshejidaozhileshigudefashengbingxiwangnenggouqisugongchengshideguzhuyihuodepeichangjin。zhezhonghezhahefalvsusongdefengxianposhiqichegongchengshiduguolexuduobumianzhiye。weibaozhengshejizaisuoyoutiaojianxia（甚至當某個部件失效時）都是安全的
，他們必須花費數萬工程小時進行故障模式/後果分析（FMEA）和故障樹分析（FTA）。

另一個安全特性是車輛不執行駕駛員無意做出的任何動作。隨著把司機同設備分離開來的"線控（by-wire）"係統的出現，安全性已經成為一個更受關注的課題。混合型和燃料電池型係統天生就是線控驅動、線控刹車和線控駕駛的係統。在許多情況下，這將需要容錯係統設計和冗餘設計。

設計工具

借助於UML、Matlab/Simulink和AscetSD等建模工具
，你可以開發出具有功能強大的產品。特別值得一提的是，這種方法有一個重大優點：可以在工作站上對係統進行離線仿真。通過建模，我們可以通過在項目的早期進行可靠性、安全性分析來保證係統在所有條件下正常工作，而不必等到在進行最終產品測試時才發現缺陷。

為了在實際車輛上進行測試，許多已經公布的早期概念車設計已經使用了Matlab/Simulink並在快速原型係統上使用了自動代碼生成。主要的障礙將是把這個知識產權全部轉換成滿足所有前述挑戰的可生產代碼（productiON-ready code）。

依(yi)靠(kao)預(yu)先(xian)在(zai)設(she)計(ji)層(ceng)所(suo)做(zuo)的(de)係(xi)統(tong)仿(fang)真(zhen)，當(dang)各(ge)種(zhong)部(bu)件(jian)到(dao)位(wei)後(hou)，我(wo)們(men)就(jiu)可(ke)以(yi)在(zai)多(duo)種(zhong)環(huan)境(jing)和(he)多(duo)種(zhong)出(chu)錯(cuo)情(qing)況(kuang)下(xia)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)的(de)功(gong)能(neng)。當(dang)軟(ruan)件(jian)進(jin)入(ru)最(zui)終(zhong)的(de)汽(qi)車(che)產(chan)品(pin)時(shi)，我(wo)們(men)已(yi)經(jing)完(wan)成(cheng)了(le)廣(guang)泛(fan)的(de)測(ce)試(shi)和(he)開(kai)發(fa)並(bing)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)該(gai)車(che)輛(liang)來(lai)驗(yan)證(zheng)這(zhe)個(ge)模(mo)型(xing)而(er)不(bu)是(shi)開(kai)發(fa)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)。這(zhe)並(bing)不(bu)意(yi)味(wei)著(zhe)不(bu)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)車(che)輛(liang)級(ji)驗(yan)證(zheng)，但(dan)這(zhe)樣(yang)做(zuo)將(jiang)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)風(feng)險(xian)並(bing)改(gai)善(shan)最(zui)終(zhong)係(xi)統(tong)的(de)質(zhi)量(liang)。

yinweifangzhenruanjianjiangzhijiezaijianmohuanjingxiayunxinghenduoci，yincifangzhenhejianmokeyihenhaoxietonggongzuo。zhelisuomianlindezuidadetiaozhanshijianliqueshidaibiaosuofangzhendeshebeierqiejuyouzugougaodefangzhenxiaolvdefangzhenmoxing，yizhiyukeyizaihelideshijianneiwanchengfangzhen。

dangran，haixuyaochakanhunhexinghuoranliaodianchixingqicheshejidesuoyoutiaozhanshifoudoukeyizaizhexiechanpinzhongdedaomanzu，congershideyonghuleyuyongyouhejiashizhexiechanpin。