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EcoCAR:下一个挑战是追求“绿色”

新一代汽车工程师可开发可持续移动技术

发布时间: 2009 年 2 月出刊的 dSPACE 杂志,2009 年 7 月

在 EcoCAR 挑战赛中,美国能源部 (DOE) 向来自各个大学的 200 名学生分派了一个为期三年的试验项目。各个团队必须开发出一辆产品级原型车,并演示其“绿色”车辆架构的实施过程。

一些世界上最具原创性的发明来自于大学校园和学术社区的研究实验室。
在这种环境中,学生和教师可以自由来往和交换想法,这就是技术创新得以诞生的土壤。

探索和开发可持续车辆解决方案

自 1987 年以来,能源部已赞助了 45 次北美大学高级车辆技术竞赛。在能源部研发机构的阿贡国家实验室负责组织和管理下,这些竞赛获得了很大的成功。以往的竞赛活动中,学生已开发出可提高耗热率、减少石油使用、减少温室气体 (GHG) 排放、减少 NOx 排放等技术。所有这些技术都是能源部的基本目标,其初衷是追求可持续移动。

绿色动力,更强性能

2008 年 5 月,能源部及赞助商通用汽车 (GM) 公司宣布启动最新竞赛 – EcoCAR:下一个挑战。来自北美 17 所大学将近 200 名学生经选拔参加了这项为期三年的竞赛,比赛时间始于 2008 年 8 月,截止于 2011 年 6 月。每个参赛团队面临的挑战是重新设计一辆 2009 款 Saturn VUE 紧凑型跨界 SUV(由通用汽车公司捐助),以实现以下目标:

  • 根据总燃油循环油井至车轮 (WTW) 分析减少石油能源的消耗
  • 提高车辆的能效
  • 减少规定的气体和 WTW 排放
  • 在性能、实用性和安全方面保持客户认可度

为了支持 EcoCAR 挑战赛的“绿色”主题,学生们必须努力使车辆的设计符合加州空气资源局 (CARB) 零排放车辆 (ZEV) 法规的要求。鼓励参赛团队使用轻质材料、改进空气动力学并采用替代燃料,如乙醇、生物柴油和氢气。

专心学习

滑铁卢大学的研究生 Alex Koch 表示,他肯定会赢得 EcoCAR 挑战赛。去年取得学士学位后,他便获得一个诱人的工作机会,但是他放弃了这次机会,转而攻读大学研究生课程,并以队长身份参加了 EcoCAR 竞赛。“这次挑战赛能让您无限接近最先进的车辆开发过程,”Koch 说道。“无数次的早起晚睡都是因为隐约有一种感觉在激励着我们,那就是我们(学生)正在做一件大事,一件有价值、有意义的事。”

密西西比州立大学计算机工程研究生 John Robbins 也认为 EcoCAR 竞赛对学生而言很有价值。“我非常享受投入到 EcoCAR 项目中的每一分钟,”Robbins 说道。“比赛为我们提供了许多工程师都梦寐以求的工具、技术和培训,并且这将为毕业生提供许多机会。”

体验真实工程

EcoCAR 挑战赛由 30 位赞助商共同提供资助和支持,包括资金、硬件、软件、培训和支持。学生们不仅有机会使用最新的工具和设备,还能直接接触赞助商,从而获得实践性技术支持和行业见解。由于项目赞助商使学生与行业之间建立了合作关系,所以 EcoCAR 挑战赛促进了技术交流并激发了技术创新。此外,为了让学生获得实际经验,参赛团队需将其车辆设计建模到通用汽车公司的“全球车辆开发流程”中,其中包括工程实践、资源分配及可交付成果方面的规定。EcoCAR 挑战赛的另一个方面是培养青年人在工程方面的职业规划。挑战赛鼓励参赛团队规划全年的外展活动,以便让所有级别(小学、中学、高中和大学)的学生深入了解工程领域及其在开发创新技术中的重要角色。外展活动还致力于为一般大众讲解 EcoCAR 挑战赛和支持可持续移动的技术。甚至连政界人士也了解了竞赛情况。加州州长 Arnold Schwarzenegger 突访了通用汽车公司在 SAE World Congress 汽车展上的展位,并详细了解了 EcoCAR 挑战赛。他认真倾听了 EcoCAR 动力系统执行领导和通用汽车公司动力传动系软件工程总监 Kent Helfrich 的讲解,同时讨论了 EcoCAR 项目。

让环保车辆整装待发

作为白金级赞助商,dSPACE 捐助了一系列工具,以支持学生开发和部署高级控制策略、仿真、车辆集成及测试活动。此外,dSPACE 还组建了一支工程师团队作为 EcoCAR 团队的专用技术导师,以便在其应用项目中提供 dSPACE 设备使用的指导。dSPACE 捐助的工具包括:

  • 装有 ControlDesk(图形实验管理软件程序)的 MicroAutoBox/快速原型系统。这些工具将会用作管理控制器。
  • 用于测试新的控制算法的中型硬件在环 (HIL) 仿真器。
  • 用于测量和校准 dSPACE 和非 dSPACE 控制器的 CalDesk。
  • 用于规划、实施和集成复杂系统架构及分布式软件系统的 SystemDesk。
  • 用于自动生成产品级代码的 TargetLink。

通过 dSPACE MicroAutoBox 进行通信和控制

“dSPACE 能够帮助 EcoCAR 团队,这确实令我感到高兴,他们捐助了中型仿真器及其他工具,简化了我们的控件开发过程,”Koch 说道。“dSPACE 仿真器将帮助我们发现许多问题,否则有些问题只能等到车辆测试阶段才能发现。HIL 将会为我们节省很多时间,我们便少了许多令人头疼的问题。”Koch 说他的团队正在其平台车辆中使用 MicroAutoBox 作为主要的车辆控制器。“它能让我们连通和控制所有新的混合动力传动系部件,这些部件将在第二年进行部署。”他说。“随 MicroAutoBox 一起使用的 ControlDesk 软件无疑将会简化我们的故障排除和校准过程,而且它极其容易使用。”Robbins 说 dSPACE HIL 和 MicroAutoBox 让他的团队能够自由尝试任何的车辆控制和仿真方法。“dSPACE 工具让我们能够把我们的想法付诸实验。这正是我们所需。”他说。“此外,dSPACE 的培训也很棒,并且他们的工具位列业内最佳工具行列。”

开发绿色车辆架构

在为期三年的 EcoCAR 挑战赛中,参赛团队必须完全设计和开发出一款产品级原型车,并能成功地演示所选“绿色”车辆架构的实施过程。在 2009 年 2 月华盛顿特区举办的华盛顿汽车展的新闻发布会上,参赛团队宣布了各自选择的车辆架构。他们追求的架构包括扩展行程电动车 (EREV)、插电式混合动力车 (PHEV)、全功能电动车 (FFEV) 以及燃料电池插电式混合动力车 (FCPHV)。尽管这些架构代表着不同的技术解决方案,但是每种车辆设计必须:

  • 具有插电能力。
  • 使用最新的锂离子电池技术,以便车辆可以储存更多电能。
  • 降低能耗。
  • 使用可再生能源替代石油消耗,这会显著减少车辆尾管排放的温室气体。
  • 其产品级车辆的架构满足消费者所需的安全性和实际性能要求。

关键所在

开发控制算法时,特别强调使用最佳实践方法学和工具。学生们将会采用基于模型的开发、快速控制原型开发 (RCP)、软件在环 (SIL) 仿真以及硬件在环 (HIL) 仿真。这种环境能使学生们快速实施复杂的控制设计,并能在将其引入实际车辆之前通过实时仿真尽早对其进行测试。“在过去的二十年中,我们见证了汽车技术精密性和复杂性的显著进化。”阿贡国家实验室运输研究中心高级车辆技术竞赛总监 Kristen De La Rosa 说道。“为了与汽车行业保持相关性,竞赛项目也发生了巨大变化,它采用了最新的前沿技术和工程实践。例如,dSPACE 工具能让参赛团队对其车辆进行 HIL 仿真,以便在组装实际的车辆设计之前测试和验证高级车载混合动力系统控制器。”在 1 月份举行的 EcoCAR 冬季研讨会上,学生们获得了相关的工具和设备并接受了培训,从而提高了在性能建模、控制系统设计及仿真方面的能力。

让环保交通成为现实

在第一年的活动结束时,2009 年 6 月 7-13 日在加拿大多伦多举行了 EcoCAR 决赛。评委会评估了每个团队对基于模型的设计工具的使用情况,以确保车辆部件与原型车合理匹配,并确保电气、机械和软件系统功能正常。评委会还评判了参赛团队使用 SIL 和 HIL 仿真来开发控制系统和子系统的效率,并评判了他们的教育外展工作。总冠军是俄亥俄州立大学,亚军和季军分别是维多利亚大学和密西西比州立大学。这三个获奖团队都使用了 dSPACE 的硬件在环工具和快速原型工具。其他奖项包括最佳设计奖、最佳技术报告奖、最佳展示奖等。dSPACE 还将其“嵌入式成功奖”颁给了使用 dSPACE 设备设计其车辆的三个团队。在 EcoCAR 挑战赛的第 2 年和第 3 年,参赛团队将会制造出一辆有效的原型车以实现其车辆设计。

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