据外媒报道，保时捷工程公司（Porsche Engineering）开发出电动汽车“交流电池（AC battery）”概念，将多个部件集成在一个组件中。它通过标准化控制单元概念进行控制，具有特别强大的实时性计算平台。该系统是可行性研究的一部分，在试验台上进行了测试，并在车辆上进行了演示。

（图片来源：保时捷）

电动汽车中的驱动系统通常采用单独的部件，包括高压电池（带有电池管理系统）、电力电子设备（用于控制电机），以及车载充电器（使用交流电进行充电）。这些电力电子设备利用脉冲逆变器，将高压电池的直流电压转换为牵引电机的正弦三相交流电压。

这种结构已在现有车辆中证明了其实用性，但未来可能会进一步改进。保时捷工程公司专业项目经理Thomas Wenka表示：“汽车行业的趋势是向高度集成组件发展，这在外壳尺寸、降低重量和成本、可靠性和效率方面开辟了新的可能性。”

作为可行性研究的一部分，保时捷工程公司开发团队利用高集成度组件开发出交流电池系统。该系统将通常独立的功能集成到一个组件中，包括电池管理系统、脉冲逆变器、低压DCDC和车载充电器。

为了进行这项研究，保时捷工程公司的开发人员将电驱动系统中的高压电池分成18个单独的电池模块，分布在三个相位上。它们可以通过功率半导体开关单独进行控制。各个模块灵活地互连成模块化多级串并联转换器（MMSPC），作为分布式实时系统，可以对电压曲线进行动态建模。这样利用电池模块的直流电压，可以直接产生电机的正弦三相交流电压。保时捷工程公司专业项目经理Daniel Simon表示：“借助MMSPC，既可以在行驶过程中直接控制电动驱动电机，也可以直接连接到交流电网为电池充电。”

诸多技术优势

其他优势包括更易于扩展至各种动力传动系统的不同型号，以及在维修或发生事故时更安全地处理载流部件。Wenka表示：“然后关闭MMSPC，该系统可以有效地恢复至其单个模块，这意味着只能测量模块电压。”此外，当单个电池电芯可能出现故障，故障保护也会提升，因为智能控制系统会绕过受影响的电池模块。这可能实现所谓的跛行回家（limp-home）功能，以较低的功率到达最近的维修厂。如果使用传统电池，这会导致车辆故障。该交流电池概念还具有通过脉冲充电实现快速充电能力的技术潜力。

（图片来源：保时捷）

实现交流电池概念的主要挑战在于开发强大、快速的中央控制单元，以精确控制单个电池模块。Simon表示：“正弦波建模中电池模块的动态重构是由基础分布式系统实现的，这必须满足所有情况下的实时需求。毕竟，模块开关所产生的延迟会导致电池包和相关电力电子设备出现缺陷。”

可实时运行的计算平台

在提出交流电池概念的同时，保时捷工程公司的电子专家还开发了一种控制单元，具有特别强大的实时、统一且高度集成的计算平台。该交流电池的各个功能（如电机和电池管理，以及充电功能）都在其上并行运行。该控制单元平台由两个元素组成，一个是特定项目基板，另一个是独立于项目的计算单元，以系统化模块的形式，与基板具有统一的接口。

Simon表示：“该处理单元相当于一个异构多处理器平台，并作为单个片上系统运行。它结合现场可编程门阵列（FPGA），这种带有可编程硬件的集成电路可用于控制和监控系统的实时能力；以及强大的多核处理器，用于在单个组件中处理大量数据。

“FPGA可以接管复杂的计算，以减轻处理器的负担，并补充缺失的外围设备。与通常的纯微控制器解决方案相比，这在可扩展性和灵活性方面具有明显优势。通过选择片上系统系列中的衍生产品，其性能可以从基本的电子控制单元（ECU）要求，例如I/O驱动、通信网关或电力电子设备，扩展至具有额外图形处理单元（GPU）和视频编解码器要求的复杂先进驾驶辅助（ADAS）系统。”

该方法的一个特点是以软件为中心实现控制单元功能。Simon表示：“其中一部分在处理器上运行，利用FPGA实现快速控制和最佳开关策略，最终同步控制所有模块。这可以通过软件进行动态重构。然而，为了实现这一目标，模块上的电力电子设备必须实施这种开关策略，通过使用带有中央处理器（CPU）和可编程增益放大器（PGA）的片上系统方法，我们实现了普通微控制器无法实现的硬实时能力。”

保时捷工程公司结合新的控制单元平台，将该交流电池概念应用于各种原型，并在测试台上成功进行了测试。该系统还被集成至测试车辆中，以展示其基本功能。Wenka表示：“对于交流电池来说，开发新的控制单元平台十分有必要。但是，由于它可以灵活调整，已成为一个将继续进行的独立项目。”新项目可以重复使用该系统化模块和一些相关软件，并且可以轻松地升级基板功能，以包括所需的硬件功能和接口。

该控制单元可以灵活地适应新的要求，因此适用于需要高计算能力和实时能力的所有应用，并且在项目进行过程中这些要求仍可能发生变化。Simon表示：“这有助于实现控制单元系统化模块上的片上系统的项目独立组合，也可以很好地处理其他复杂的任务，由此成为用于原型开发的功能性原型平台的良好选项。”

与传统ECU原型相比，其优点包括加快功能开发，例如硬件可以提供高计算储量，而基本软件和现有软件块可以作为开发控制单元的良好起点。Wenka表示：“目前，保时捷工程公司计划将新控制单元平台用于原型开发。原则上，该概念也适用于稍加修改的系列应用。”