挑戰(zhàn)
美國國家儀器公司(NI)為汽車燃料電池系統(tǒng)開發(fā)的電子控制設備(ECU)，極大地改善了燃料電池系統(tǒng)。使其較之于傳統(tǒng)的基于內燃機的傳動系統(tǒng)更具競爭力，同時在商業(yè)上切實可行，這是NI目前面臨的挑戰(zhàn)。
福特公司(Ford))專注于對燃料電池系統(tǒng)(FCS)的研究，并由此催生了一系列汽車的發(fā)展，如全球第一輛全性能燃料電池汽車(P2000)和全球第一輛燃料電池充電式、油電混合動力車(帶有HySeries驅動系統(tǒng)的Ford Edge汽車)。
解決方案
采用NI LabVIEW Real-Time、LabVIEW FPGA模塊及NI CompactRIO控制器為汽車燃料電池系統(tǒng)開發(fā)了實時嵌入式控制系統(tǒng)，并通過LabVIEW和實時PXI機箱硬件在環(huán)（HIL）系統(tǒng)進行系統(tǒng)驗證。
Ford公司產品經理表示：“Ford與NI有很長的合作歷史，采用LabVIEW模塊對生產的每一款燃料電池電動車進行了全面的開發(fā)，為汽車燃料電池系統(tǒng)成功設計、開發(fā)了實時嵌入式控制系統(tǒng)”。
屹立創(chuàng)新前沿
自1992年以來，F(xiàn)ord Motor公司就開始專注于研發(fā)燃料電池系統(tǒng)。雖然燃料電池系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的基于內燃機傳動系統(tǒng)更具競爭力，但依然存在的缺陷妨礙了燃料電池系統(tǒng)成為商業(yè)可行的技術。因此，NI不斷地在系統(tǒng)壽命、防凍啟動等方面進行重大改進，努力達到理想的控制效果。
在開發(fā)突破性的燃料電池系統(tǒng)的同時，NI使用快速原型技術開發(fā)了新型控制系統(tǒng)。在開發(fā)過程中，設計團隊通過系統(tǒng)工程V模型不斷驗證、改良設計，盡管在車輛生產方面ECU已經取得了廣泛的成功，但設計上的改變往往會影響子系統(tǒng)部件之間的接口(如空氣壓縮機控制模塊和燃料電池控制模塊之間的接口)，不能滿足實現(xiàn)快速原型控制系統(tǒng)的方法。而采用CompactRIO進行FCU的快速原型開發(fā)，可以完全適應設計上的改變，并應用于新型設計方案的傳感器和制動器。
NI開發(fā)了HIL系統(tǒng)，它由NI PXI-1010混合PXI/SCXI機箱中的NI PXI-8186控制器以及相關的PXI和SCXI I/O卡組成。其中包括1個控制器區(qū)域網絡（CAN）板卡，用于對CompactRIO控制器中嵌入的控制策略功能進行驗證。采用LabVIEW Real-Time實現(xiàn)的HIL系統(tǒng)具有圖形化用戶界面（GUI），可向ECU提供手動、自動輸入，以驗證控制策略的執(zhí)行，同時在硬件在環(huán)監(jiān)視器上顯示CompactRIO I/O反饋。通過驗證表明，硬件在環(huán)系統(tǒng)是成功的。在CompactRIO開始控制燃料電池系統(tǒng)設備后，只需對策略進行鏡像更改即可。
性能優(yōu)良
汽車動力傳動需要能夠實時控制。為達到實時所需的確定性，LabVIEW Real-Time Module（實時模塊）為所選控制器提供了商業(yè)化的實時操作系統(tǒng)（RTOS）。當提升性能從使用NI cRIO-9002轉為NI cRIO-9012嵌入式實時控制器時，LabVIEW Real-Time模塊會自動從Pharlap實時操作系統(tǒng)(RTOS)轉為VxWorks RTOS。通過NI產品實現(xiàn)RTOS，使得研發(fā)團隊能夠集中精力開發(fā)燃料電池控制系統(tǒng)，而無需為實時操作系統(tǒng)這一細節(jié)分心。
燃料電池系統(tǒng)控制器從車輛中的傳感器、制動器、控制器及系統(tǒng)中接收不同類型的輸入信號。目前，汽車設計普遍采用CAN總線設備，用來傳送、接收燃料電池系統(tǒng)內外的I/O信號。在實驗室測試時，通過基于LabVIEW的擴展測試平臺模擬了主車輛控制器，它通過CAN總線與燃料電池系統(tǒng)從控制器進行通信。對于汽車燃料電池系統(tǒng)應用來說，CompactRIO CAN的支持至關重要。為了支持CAN總線，NI公司開發(fā)了支持快速、基于VxWorks的平臺（如cRIO-9012）上的CAN總線的新方法。除了能夠應用CAN通道API，新的CAN架構通道轉換庫也比以前速度更快，從而縮短了開發(fā)時間。
NI的產品一直以來都以支持開放式系統(tǒng)架構而備受贊譽。使用NI Measurement & Automation Explorer(MAX)軟件可以導入使用其他CAN生產商工具開發(fā)的CAN信息數(shù)據(jù)庫。方便生產商交換數(shù)據(jù)庫，而無需轉化或記錄CAN信息數(shù)據(jù)庫。
技術無縫集成
對于汽車燃料電池系統(tǒng)項目來說，使用LabVIEW Professional Development System開發(fā)系統(tǒng)和2個附加模塊即可實現(xiàn)控制策略。首先，使用了LabVIEW Real-Time模塊，對實時控制器編寫了實時控制軟件；其次，使用LabVIEW FPGA模塊，通過基于FPGA的軟件傳輸，包括CAN在內的所有I/O。這2個附加LabVIEW模塊都可以無縫集成到LabVIEW開發(fā)環(huán)境中，而圖形化差分是LabVIEW主要的特性之一。
NI Real-Time Execution Trace Toolkit工具包在需要解決精密計時問題時，將是一個重要的工具。使用此款工具包，可以發(fā)現(xiàn)一些沒有預期執(zhí)行功能的實時嵌入式代碼區(qū)域，然后對代碼進行優(yōu)化以確保實時性能。如果沒有NI Real-Time Execution Trace Toolkit工具包這種高性能、低成本的產品，就只能依靠諸如在線仿真器和邏輯分析儀這樣昂貴的外部測試設備。
開發(fā)者經常會在版本控制方面遇到困難，而LabVIEW和Microsoft Visual SourceSafe版本控制程序能夠完美集成，在軟件開發(fā)中可以充分利用此特點，成功、無縫地集成版本控制。只需在LabVIEW項目窗口中的源VI圖標上右擊，即可顯示諸如文件check-in或check-out等功能列表。
LabVIEW無處不在
使用LabVIEW開發(fā)內部設計燃料電池系統(tǒng)不僅效率高、成本低，還有其他原因：(1)一些工程師已有使用LabVIEW的經驗，還有一些也已經進行過培訓，因此通過使用LabVIEW，相當于獲得了更多的資源；(2)為快速原型控制器開發(fā)的軟件與之前使用LabVIEW開發(fā)的測試平臺之間本來就可以相互配合、VI可以共享，開發(fā)環(huán)境、硬件亦是如此；(3)由于模塊化LabVIEW VI能夠與之前的系統(tǒng)兼容，即可以重用10年前開發(fā)的VI作為HIL系統(tǒng)的基礎；(4)基于NI硬件和LabVIEW的實驗室測試系統(tǒng)，可以很容易地使用技術數(shù)據(jù)管理流（TDMS）文件格式儲存測試數(shù)據(jù)，以備NI DIAdem數(shù)據(jù)管理軟件進行分析。與普通的數(shù)據(jù)可視化方案一樣，使用DIAdem快速并自動地搜索多個數(shù)據(jù)文件，找出性能異常并使用注解將它們圖形化。
NI LabVIEW為汽車燃料電池系統(tǒng)開發(fā)的電子控制設備，再次驗證了——NI技術支持是值得信賴的。