电动汽车和混合动力汽车悄然驶过，这曾经是仅存于科幻小说中的场景，如今已成为现实，不过也仍未得到广泛普及。随着温室气体排放导致气候变化以及化石燃料的日益枯竭，发展高效且可持续性的交通方式已成为当务之急。目前，推动创新技术发展，以改进电动汽车效率和实用性，成为电动汽车和混动汽车被日常通勤者广泛采用的关键。

据外媒报道，美国科罗拉多大学科泉分校（UCCS）教授Darshika G. Perera与该校博士Anne K. Madsen的研究恰好是这样一项创新技术。电动汽车的核心在于驱动其行进的电池。Perera和Madsen打造了一款新型硬件加速器，用于管理电池，特别是锂离子电池。该项新技术可提升电池的效率与输出功率，还已具备应用于汽车行业的条件。

硬件加速器（图片来源：科罗拉多大学科泉分校）

目前有两种控制这些电池充电和放电的模型，一种是模型预测控制器（MPC），即等效电路模型，另一种是基于物理的模型。然而，截至目前，基于物理的模型仍停留在理论阶段。与等效电路模型不同，基于物理的模型专注于电池内部的化学反应。利用基于物理的模型，控制系统能够针对电池退化的根本原因——即化学和物理过程，以进行精确操作。

Trimboli、Plett及其学生在之前的研究中曾提出一种理论方法，以在资源受限的系统中实现基于物理模型（PBM）的计算密集型算法。不过，由于基于PBM的模型预测控制（MPC）以及在此情况下必备的基于物理的观测器，即扩展型卡尔曼滤波器，计算复杂度较高，此类技术难以在资源受限的嵌入式设备上实现，从而限制了其在便携式电池组和电池管理系统中的应用。

因为基于物理的模型预测控制器（PB-MPC）在计算强度上高于目前使用的等效电路模型，尽管其效率高，但尚未在实际场景中得到应用。

在该项研究中，Perera和Madsen针对基于物理的控制计算复杂性问题，为电池管理单元中的PB-MPC智能传感器引入了一种新颖、独特且高效的基于现场可编程门阵列（FPGA）的嵌入式硬件加速器。

基于物理的模型直接确定了电池的化学反应，从而延长了其使用寿命，并提高了充电效率。Perera和Madsen研发的该款硬件加速器显著提升了电池的运行速度，减少了执行软件任务所需的时间以及在硬件中处理任务的时间。目前，它是市场上唯一此类模型。

同时，Perera和Madsen还研发了一种硬软件系统，以预测电池的充放电行为、充放电时间以及充放电容量。

Perera和Madsen利用基于FPGA的硬件，为计算复杂的PB-MPC提供支持，加速其处理速度，与软件版本相比，实现了显著的速度提升。借助速度提升，嵌入式的PB-MPC硬件智能传感器能够单独监控和控制多个电芯。此种速度提升结果也表明，FPGA能够适应计算更为密集的基于物理的模型版本和配置，并且仍能在规定的时间框架和安全范围内正常运行。

利用基于物理的模型能够更细致地观察、追踪和控制锂离子电池的化学老化机制，而利用等效电路模型时则会忽略这一点。

借助速度更快的FPGA，能够管理大量的电芯和电池组。理论上，单个FPGA能够管理每一个电芯，而无需在每个电芯或电池组上都配备一个微处理器，从而既节省空间，又可保证成本效益。该项研究拓展了在资源受限系统上使用更为精确，但计算密集型方法的可能性。FPGA的特性为打造更高效的智能系统提供了新机遇。

与同类嵌入式软件相比，研究人员提出的嵌入式PB-MPC硬件加速器在速度上提升了58倍，同时保持了便携式系统所需的紧凑尺寸。与基于嵌入式处理器的解决方案相比，此种速度的提升让单个芯片能够管理更多的电芯。

此种单芯片不仅占用空间小，功耗低且运行速度快。采用单个可编程芯片还具有通用性，无需新硬件就可重新编程，而且在不用于电池管理时，还可用于其他任务。与当前需要很多芯片的模型相比，采用单芯片未来具有更大的发展空间和效率增长空间。

此种基于FPGA的新型电池管理系统可提升驱动电动汽车和混动汽车的电池的效率。随着节能型交通工具在未来的汽车行业、个人消费需求以及环境方面的重要性日益凸显，提高电动汽车和混合动力汽车的可行性已变得至关重要，而对汽车行业的影响也会进而影响到全球。