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(tǒng)。這些系統(tǒng)向設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網絡同其它系統(tǒng)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(tǒng)不是新的，但把所有這些子系統(tǒng)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(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(tǒng)的架構主要有并聯(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(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(xié)助內燃機工作(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，通過關閉內燃機來節(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(yōu)點是具有自然地擴展到任何數目車輪的能力，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(tǒng)中各自的部分并同其它控制器實時協(xié)調。這要求設計和開發(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(lián)混合架構類似。

    盡管燃料電池技術已經出現(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。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，相對濕度在70-90%