车辆系统集成

软件正日益成为一款车型的决定性要素，因为软件能够实现创新功能、为车辆带来越来越大的附加值。然而，客户体验并不完全取决于程序员— —让软件与车辆硬件完美契合、协调运作，以实现最佳性能，同样至关重要。这一点尤其适用于对驾驶体验有重大影响的驱动系统和底盘。因此，保时捷工程公司全新组建了“驾驶系统”部门，让底盘和驱动领域的硬件和软件专家密切协作。该团队能够开发并集成完整的系统——从研判需求，到开发功能、软件和执行器，再到应用、测试和验证。

“我们的核心任务之一是系统集成，”驾驶系统部门主管伊娃-维瑞娜·齐根 (Eva-Verena Ziegahn) 说，“包括在控制单元上实施代码，以及应用和验证新功能。”在保时捷 Cayenne 的开发过程中，保时捷工程公司承担了大量开发任务；从一开始，硬件和软件的无缝集成就是驱动系统和底盘的关键所在。齐根解释说：“Cayenne 的特点是驾驶舒适性和运动性能兼备。以主动式侧倾稳定功能为例，它是通过创新软件和参数设置，以及与整个底盘的集成来实现的。我们必须考虑到底盘中复杂的相互作用，四轮驱动系统、前后桥转向系统、制动系统和电驱动系统都会影响驾驶体验。”

齐根以底盘一大创新技术的开发和应用为例，说明了硬件与软件之间的协调互动：这款豪华 SUV 首次采用了回弹阻尼和压缩阻尼可分别调节的双阀减震器。这项技术由保时捷工程公司与一家供应商共同开发，让运动型和舒适型驾驶体验之间的区别更加显著，并优化了各种驾驶状况下的性能表现。创新硬件也对软件开发提出了前所未有的要求：保时捷负责电子底盘平台 (ECP) 的开发工程师法比安·海特坎普 (Fabian Heitkamp) 表示：“由于该车采用了新型双阀减震器，我们必须更改控制器组件，并开发新的基础软件接口。此外，能够从之前的控制单元和基础软件中沿用的代码少之又少。简而言之：我们几乎要从零开始。”

保时捷工程公司负责新控制单元的组件，并与保时捷共同协调供应商开发新的基础软件。保时捷工程公司负责集成管理的开发工程师马库斯·施密特 (Marcus Schmid) 说：“我们还负责整套功能软件。一方面，新型双腔空气弹簧/双阀减震器系统的复杂程度比以往的系统高得多；另一方面，我们还要同步推进其他系列的开发工作。因此，我们需要实现 17 种功能，而不是以往的 10 种。其中一些由我们开发，另一些则由 CARIAD 负责。

为了在紧迫的时间内克服复杂挑战、圆满完成任务，在新的控制单元和基础软件完成之前很长时间，就已经开始测试新软件。齐根解释说：“我们尝试尽早通过硬件在环 (HiL) 手段，或在测试台架上测试各种功能之间的通信和交互。”保时捷公司 Cayenne 底盘项目经理迈克尔·贝克 (Michael Becker) 也强调了这些方法的重要性：“在保时捷工程公司，我们成立了一个跨越各个分支机构的国际化团队，以便从功能开发和 HiL 测试的早期阶段开始便能有效提供支持。否则，我们将无法完成任务，因为我们不可能将某个软件版本直接安装到车上，随即开始试驾。而通过 HiL 测试，我们可以检查各个软件组件能否协同工作。此外也必须牢记，底盘上有很多地方都事关法律法规。”

创新性能
保时捷工程公司与一家供应商共同开发了创新型双阀减震器系统。创新硬件还需要对控制单元软件进行大幅更改：由于组件复杂程度更高，还要同步推进其他系列的开发工作，需要实现 17 种功能，而不是以往的 10 种。为了在紧迫的时间内克服复杂挑战、圆满完成任务，在新的控制单元和基础软件完成之前很长时间，就已经开始测试新软件。

得益于虚拟方法，开发人员在开发早期阶段就能实现诸多优化。这样一来，到了开发后期，团队就可以集中精力进行微调收尾。随着系统和组件的复杂程度不断提高，这一模式在未来也至关重要。首先进行模型在环 (MiL) 测试，以研究 Matlab/Simulink 模型的行为，然后根据这些模型生成代码。随后，需要通过软件在环 (SiL) 测试证明其符合要求。接下来是处理器在环 (PiL) 测试：在微处理器上运行代码，而该微处理器与之后在控制单元中所用的微处理器极其相似。一旦完成新的控制单元和基础软件，就可以在硬件在环测试台架上接受测试。

海特坎普强调说：“保时捷工程公司的专业能力贯穿整个流程链— —从开发功能、在基础软件中实施功能，直到测试和集成到车辆中。”这得益于我们拥有具有所有必要专业知识的国际团队。来自德国、捷克和罗马尼亚的专家组成紧密协作的团队，负责生成代码和开发功能、使用 SiL 和 HiL 测试等手段对其进行测试和验证，并致力于实现测试自动化。“保时捷工程公司总是能准确无误地提供所需资源。”海特坎普表示，“这使我们能够顺利克服挑战，按时完成项目。”

开发人员还重点研究了新款 Cayenne 制动系统中硬件和软件的协调互动。开发人员的任务是：为驾驶员带来尽可能舒适的踏板感受，尤其是应当让驾驶员感觉不到车辆减速效果中有多少来自液压摩擦制动器、有多少来自电机的能量回收。这种液压摩擦制动与能量回收制动之间的“融合”由能量回收功能负责实现。具体组合方式取决于诸多影响因素。保时捷工程公司制动和转向系统开发工程师丽莎·海尔比希 (Lisa Helbig) 解释说：“从根本上来说，我们的目标是尽可能多地使用能量回收制动，以尽可能减少车辆的平均能量需求，从而延长其电动续航里程。例如，如果电机的减速效能不足，或者后桥能量回收有可能影响车辆稳定性，那么液压摩擦制动器就会开始发挥作用。”

制动系统软件还有助于对摩擦制动器不断变化的特性进行补偿，实现最佳制动效能。软件会综合考量制动器在运行过程中的温度和磨损情况。一大特殊挑战在于，各项算法需要在不同的控制单元上运行，因此制动系统软件只能在控制单元网络中发挥作用。eBKV 的软件由供应商提供，保时捷工程公司负责参数设置和功能测试。最后一步是与保时捷共同验收车辆。

难以察觉的过渡
制动系统由两部分组成：液压摩擦制动器和电机。由能量回收功能负责两者之间的过渡（“融合”）。它还能补偿因温度波动或磨损等原因而变化的摩擦制动特性。一大特殊挑战在于，各项计算需要在不同的控制单元上运行。因此，制动系统软件只能在控制单元网络中发挥作用。

“我们已经实现了目标：在能量回收制动与液压制动之间的转换过程中，驾驶员不会感觉到任何突兀的段落感。”保时捷负责许可的亚历山德罗斯·阿塔纳西亚迪斯 (Alexandros Athanasiadis) 总结道，“与上一代产品相比，我们进一步优化了融合效果。归根结底，制动体验的好坏是以踏板感受来衡量的，我们在软件的加持下对此进行了有效优化。”他以全新提出的摩擦制动器“冷特性曲线”为例说明了这一点。在制动器温度较低的情况下起步时，车辆将根据特性曲线大幅提升制动力，从而确保踏板感受始终如一。除了改善舒适性之外，全新设计的能量回收功能还提高了 Cayenne 的效率：新款 Cayenne 能量回收系统的减速性能最高可达 88 千瓦，比之前的车型提升了约 30%。此外，该车还开创了又一先河——即使在接近静止的极低速度下也能实现制动能量回收；在此之前，这一最低速度为 14 公里/小时。

除了新型减震器系统和混合式制动系统之外，保时捷工程公司还全程参与了新款 Cayenne 脉冲逆变器 (PWR) 的开发、测试和验证工作。主要目标是让驾驶员感觉不到从内燃机到电机的转换，同时提高车辆性能。新开发的 PWR 具有可变开关频率和多种调制方法，可根据当前运行点进行优化。保时捷脉冲逆变器软件和应用主管帕斯卡尔·哈斯勒 (Pascal Heusler) 解释说：“降低时钟频率使脉冲逆变器的效率得以提高，仅通过软件的智能控制，我们便可将电机功率提升 10%。不过，从声学角度来看，这种方式也有弊端——会产生令人不悦的噪声。解决办法是生成与载波频率相近的人工噪声，从而掩盖这种电机噪声。

然而，这种解决方案并不适用于所有运行点。想法是这样的：控制器必须在几毫秒内做出反应，根据需要及时调整开关频率。哈斯勒说：“这是一套高度创新的解决方案。我们在提高系统效率的同时，还通过复杂精巧的声音调制确保驾驶员听不到任何噪声。”

低噪声、高效率

生成训练数据
脉冲逆变器根据驾驶员的动力需求为电机供电。为此，高压电池的直流电压会高频通断。接通和断开的时间比例决定了电机的功率。降低这一频率可以提高电子元器件的效率，但同时也会产生干扰噪声。车辆会产生随机噪声加以掩盖，确保驾驶员不会察觉到任何频率的噪声。

全新 Cayenne 的 PWR 成为了一套模块化系统，在整个大众集团范围内得到广泛应用——同一控制单元被用于近 100 种衍生车型，搭配五种电机和三种变速箱。它们还基于不同平台——全新推出的大众电子电气架构 E3 或 MLBevo。因此，系统集成也意味着：跨越不同品牌和不同级别的车辆实现集成。而开发人员已经成功做到了这一点。保时捷工程公司脉冲逆变器集成项目经理弗兰克·德克特 (Frank Deckert) 表示：“从外观上看，这些衍生型号的区别只有接口不同，其内部工作原理始终是相同的。我们只需要一套硬件，就能完全兼容所有差异。”

为了减少应用阶段的工作量，开发人员组成了 11 个小组，每组负责约 100 辆在性能和发动机配置等方面相近的车辆。同一组中所有车辆的参数设置都相同，这给工作带来了严峻挑战。例如，转子和定子的热模型对扭矩精度和组件保护措施有重大影响，但热模型本身又在很大程度上取决于电机在车辆中的安装位置。因此，参数设置必须在不同车型之间取得平衡。应用的标准化为后续更新带来了巨大优势：限制差异有助于降低软件维护成本（从概念阶段就考虑成本效益）。哈斯勒表示：“总的来说，我们已经开发出了具有最先进控制手段的顶级系统。这一成就离不开我们与保时捷工程公司的紧密合作，以及诸位同事的出色工作。”

新款 Cayenne 已于 2023 年 7 月上市。目前，保时捷正与保时捷工程公司密切协作，为这款豪华 SUV 的衍生车型进行系统集成。另一个重要的成功因素是承包商与客户之间的高度互信。保时捷项目经理贝克说道：“在这样一个大项目的开始阶段，并不是每个细节都能完全落实——经常会出现突如其来的需求，而现有团队不足以解决所有问题，需要临时寻求专家的帮助。”事实证明，在早期阶段就让硬件和软件专家协同工作效果很好。齐根表示：“Cayenne 项目充分体现了系统集成的重要性，以及仿真在开发工作中的重要作用。我们可以通过仿真手段为车辆之外的许多方面做好准备，然后再集中精力进行最后的微调收尾工作。近年来，车辆开发工作的复杂程度迅速提高，唯有这样，我们才能从容应对越发严峻的挑战。”

本文首次发表于《保时捷工程杂志》2024年第1期。

文本：Christian Buck

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Cayenne E-Hybrid:
油耗（加权综合）：2.0–1.4 l/100 km; 二氧化碳排放量（综合）：46-31 g/km; 耗电量（加权综合）：31.8-28.6 kWh/100 km; 电动续航里程 WLTP（EAER）：66-78 km; 电动续航里程 WLTP 城市（EAER city）：76-90 km; 全部 WLTP 消耗数据；更新于：2023/11。