Porsche Cayenne與其系統集成

Written by: Bear

軟體與車輛的集成對車輛性能和客戶體驗至關重要。全新中期改款Porsche Cayenne也是如此。Porsche Engineering工程公司與Porsche和多家供應商攜手合作，共同開發了該車的大部分驅動系統和底盤部件。得益於創新硬體和定製軟體，這款豪華SUV可提供經典的Porsche駕馭體驗。

軟體正日益成為一款車型的決定性要素，因為軟體能夠實現創新功能、為車輛帶來越來越大的附加值。然而，客戶體驗並不完全取決於程式工程師，軟體與車輛硬體完美契合、協調運作，以實現最佳性能，同樣至關重要。這一點尤其適用於對駕駛體驗有重大影響的驅動系統和底盤。因此，Porsche工程公司全新組建了「駕駛系統」部門，讓底盤和驅動領域的硬體和軟體專家密切協作。該團隊能夠開發並集成完整的系統：從研判需求，到開發功能、軟體和執行器，再到應用、測試和驗證。

注重系統集成

駕駛系統部門主管Eva-Verena Ziegahn說，「我們的核心任務之一是系統集成，包括在控制單元上實施代碼，以及應用和驗證新功能。」在Porsche Cayenne的開發過程中，Porsche工程公司承擔了大量開發任務。從一開始，硬體和軟體的無縫集成就是驅動系統和底盤的關鍵所在。

Ziegahn解釋說，「Cayenne的特點是駕駛舒適性和運動性能兼備。以主動式側傾穩定功能為例，它是透過創新軟體和參數設置，以及與整個底盤的集成來實現的。 我們必須考慮到底盤中複雜的相互作用，四輪驅動系統、前後軸轉向系統、制動系統和電驅動系統都會影響駕駛體驗。」

Ziegahn以底盤一大創新技術的開發和應用為例，說明了硬體與軟體之間的協調互動：這款豪華SUV首次採用了回彈阻尼和壓縮阻尼可分別調節的雙閥門減震器。這項技術由Porsche工程公司與一家供應商共同開發，讓運動型和舒適型駕駛體驗之間的區別更加顯著，並優化了各種駕駛狀況下的性能表現。創新硬體也對軟體開發提出了前所未有的要求。

Porsche負責電子底盤平台(ECP，Electric chassis platform)的開發工程師Fabian Heitkamp表示，「由於該車採用了新型雙閥門減震器，我們必須更改控制器元件，並開發新的基礎軟體介面。此外，能夠從之前的控制單元和基礎軟體中沿用的代碼少之又少。簡而言之：我們幾乎要從零開始。」

與CARIAD合作

Porsche工程公司負責新控制單元的元件，並與Porsche共同協調供應商開發新的基礎軟體。Porsche工程公司負責集成管理的開發工程師Marcus Schmid說，「我們還負責整套功能軟體。一方面，新型雙腔氣壓彈簧、雙閥門減震器系統的複雜程度比以往的系統高得多；另一方面，我們還要同步推進其他系列的開發工作。 因此，我們需要實現17種功能，而不是以往的10種。其中一些由我們開發，另一些則由CARIAD負責。」

為了在緊迫的時間內克服複雜挑戰、圓滿完成任務，在新的控制單元和基礎軟體完成之前很長時間，就已經開始測試新軟體。Ziegahn解釋說，「我們嘗試儘早透過硬體在環(HiL)手段，或在測試台架上測試各種功能之間的通信和交互。」

Porsche AG Cayenne底盤項目經理Michael Becker也強調了這些方法的重要性，「在Porsche工程公司，我們成立了一個跨越各個分支機構的國際化團隊，以便從功能開發和HiL測試的早期階段開始便能有效提供支援。否則，我們將無法完成任務，因為我們不可能將某個軟體版本直接安裝到車上，隨即開始試駕。而透過HiL測試，我們可以檢查各個軟體元件能否協同工作。此外，也必須牢記，底盤上有很多地方都事關法律法規。」

得益於虛擬方法，開發人員在開發早期階段就能實現諸多優化。這樣一來，到了開發後期，團隊就可以集中精力進行微調收尾。隨著系統和元件的複雜程度不斷提高，這一模式在未來也至關重要。首先進行模型在環(MiL)測試，以研究Matlab/Simulink模型的行為，然後根據這些模型生成代碼。隨後，需要透過軟體在環(SiL)測試證明其符合要求。接下來是處理器在環(PiL)測試：在微處理器上運行代碼，而該微處理器與之後在控制單元中所用的微處理器極其相似。一旦完成新的控制單元和基礎軟體，就可以在硬體在環測試台架上接受測試。

Porsche工程公司總是能準確無誤地提供所需資源。Heitkamp強調說，「Porsche工程公司的專業能力貫穿整個流程鏈，從開發功能、在基礎軟體中實施功能，直到測試和集成到車輛中。這得益於我們擁有具有所有必要專業知識的國際團隊。來自德國、捷克和羅馬尼亞的專家組成緊密協作的團隊，負責生成代碼和開發功能、使用SiL和HiL測試等手段對其進行測試和驗證，並致力於實現測試自動化。這使我們能夠順利克服挑戰，按時完成專案。」

讓摩擦制動與動能回收制動完美融合，實現無感過渡

開發人員還重點研究了新款Cayenne制動系統中硬體和軟體的協調互動。他們的任務是：為駕駛員帶來盡可能舒適的踏板感受，尤其是應當讓駕駛員感覺不到車輛減速效果中有多少來自液壓摩擦制動器、有多少來自電動馬達的動能回收。

這種液壓摩擦制動與動能回收制動之間的「融合」由動能回收功能負責實現。具體組合方式取決於諸多影響因素。 Porsche工程公司制動和轉向系統開發工程師 Lisa Helbig解釋說，「從根本上來說，我們的目標是盡可能多地使用動能回收制動，以盡可能減少車輛的平均能量需求，從而延長其電動續航里程。 例如，如果電動馬達的減速效能不足，或者後軸動能回收有可能影響車輛穩定性，那麼液壓摩擦制動器就會開始發揮作用。

制動系統軟體還有助於對摩擦制動器不斷變化的特性進行補償，實現最佳制動效能。 軟體會綜合考量制動器在運行過程中的溫度和磨損情況。 一大特殊挑戰在於，各項演算法需要在不同的控制單元上運行，因此制動系統軟體只能在控制單元網路中發揮作用。 eBKV 的軟體由供應商提供，Porsche工程公司負責參數設置和功能測試。 最後一步是與Porsche共同驗收車輛。

踏板感受得到顯著優化

Porsche負責最後許可的Alexandros Athanasiadis總結道，「我們已經實現了目標：在動能回收制動與液壓制動之間的轉換過程中，駕駛員不會感覺到任何突兀的段落感。與上一代產品相比，我們進一步優化了融合效果。歸根結底，制動體驗的好壞是以踏板感受來衡量的，我們在軟體的加持下對此進行了有效優化。」

他以全新提出的摩擦制動器「冷特性曲線」(Cold characteristic)為例說明了這一點。在制動器溫度較低的情況下起步時，車輛將根據特性曲線大幅提升制動力，從而確保踏板感受始終如一。

除了改善舒適性之外，全新設計的動能回收功能還提高了Cayenne的效率：新款Cayenne動能回收系統的減速性能最高可達88 kW，比之前的車型提升了約30%。此外，該車還開創了又一先河：即使在接近靜止的極低速度下也能實現制動動能回收；在此之前，這一最低速度的限制為14 km/h。

以噪抑噪

除了新型減震器系統和混合式制動系統之外，Porsche工程公司還全程參與了新款Cayenne脈衝逆變器(PWR，Pulse inverter)的開發、測試和驗證工作。主要目標是讓駕駛員感覺不到從內燃動力到電力驅動的轉換，同時提高車輛性能。新開發的PWR具有可變開關頻率和多種調製方法，可根據當前運行點進行優化。

Porsche脈衝逆變器軟體和應用主管Pascal Heusler解釋說，「降低脈衝頻率使脈衝逆變器的效率得以提高，僅透過軟體的智慧控制，我們便可將電動馬達功率提升10%。不過，從聲學角度來看，這種方式也有弊端：會產生令人不悅的雜訊。解決辦法是生成與載波頻率相近的人工雜訊，從而掩蓋這種電動馬達雜訊。」

然而，這種解決方案並不適用於所有運行點。想法是這樣的：控制器必須在幾毫秒內做出反應，根據需要及時調整開關頻率。Heusler說，「這是一套高度創新的解決方案。我們在提高系統效率的同時，還透過複雜精巧的聲音調製確保駕駛員聽不到任何雜訊。」

全新Cayenne的PWR成為了一套模組化系統，在整個Volkswagen集團範圍內得到廣泛應用，同一控制單元被用於近100種衍生車型，搭配五種電動馬達和三種變速箱。它們還基於不同平台，例如：全新推出的Volkswagen電子電氣架構E3或MLBevo。因此，系統集成也意味著：跨越不同品牌和不同級別的車輛實現集成。而開發人員已經成功做到了這一點。Porsche工程公司脈衝逆變器集成項目經理Frank Deckert表示，「從外觀上看，這些衍生型號的區別只有介面不同，其內部工作原理始終是相同的。我們只需要一套硬體，就能完全相容所有差異。」

在應用中取得平衡

為了減少應用階段的工作量，開發人員組成了11個小組，每組負責約100輛在性能和引擎配置等方面相近的車輛。同一組中所有車輛的參數設置都相同，這給工作帶來了嚴峻挑戰。例如：轉子和定子的熱模型對扭力輸出精度和元件保護措施有重大影響，但熱模型本身又在很大程度上取決於電動馬達在車輛中的安裝位置。因此，參數設置必須在不同車型之間取得平衡。應用的標準化為後續更新帶來了巨大優勢：限制差異有助於降低軟體維護成本，也就是從概念階段就考慮好成本效益。總的來說，Porsche開發出了具有最先進控制手段的頂級系統。

新款Cayenne已於2023年7月上市。目 前，Porsche正與Porsche工程公司密切協作，為這款豪華SUV的衍生車型進行系統集成。另一個重要的成功因素是承包商與客戶之間的高度互信。Porsche專案經理貝克說道，「在這樣一個大項目的開始階段，並不是每個細節都能完全落實，經常會出現突如其來的需求，而現有團隊不足以解決所有問題，需要臨時尋求專家的幫助。」

事實證明，在早期階段就讓硬體和軟體專家協同工作效果很好。Ziegahn 表示，「Cayenne專案充分體現了系統整合的重要性，以及模擬在開發工作中的重要作用。我們可以透過模擬手段為車輛之外的許多方面做好準備，然後再集中精力進行最後的微調收尾工作。近年來，車輛開發工作的複雜程度迅速提高，唯有這樣，我們才能從容應對越發嚴峻的挑戰。」

Porsche工程公司承擔了包括FAS/HAF在內的SE底盤團隊管理，以及新款Porsche Cayenne的大部分驅動系統和底盤開發工作。重點是提供經典的Porsche駕馭體驗，為此，硬體和軟體必須實現最佳協調互動。成功的關鍵在於將所有元件順利集成到系統之中。

雙閥門減震器系統

新款Porsche Cayenne採用回彈阻尼和壓縮阻尼可分別調節的雙閥門減震器，開創了全球先河。這項技術讓運動型和舒適型駕駛之間的區別比過去更加顯著，並優化了各種駕駛狀況下的性能表現。

制動系統

新款Porsche Cayenne在制動時會盡可能回收能量，以延長其電動續航里程。如果電動馬達的減速效能不足，液壓摩擦制動器等其他制動措施就會開始發揮作用。 電子制動助力器軟體可確保二者之間的過渡平順無感。

脈衝逆變器

降低頻率使脈衝逆變器的效率得以提高，電動馬達功率也提升了10%。透過產生與載波頻率相近的人工雜訊來掩蓋可能出現的干擾雜訊。

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