ANSOFT產(chǎn)品在汽車電子及系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展和中國汽車制造業(yè)的強(qiáng)勁增長，現(xiàn)代電子技術(shù)、信息技術(shù)已經(jīng)成為汽車制造技術(shù)中不可或缺的一個主要分支。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，汽車電子產(chǎn)品的平均費用已占整車的30%左右。隨著燃油價格的飛漲和公眾對安全、節(jié)能和環(huán)保問題的高度關(guān)注，同時，消費者對汽車智能化、電子化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化提出的更高要求，使得汽車電子產(chǎn)品已經(jīng)廣泛而深入地應(yīng)用到汽車的各個子系統(tǒng)中。比如發(fā)動機(jī)和燃油控制系統(tǒng)、ABS和汽車穩(wěn)定控制系統(tǒng)、燈光和照明系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、舒適便利裝備以及安全防護(hù)等各個方面。

現(xiàn)在，汽車已經(jīng)成為高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，汽車電子產(chǎn)品的設(shè)計會涉及到機(jī)械、動力、電子、電磁、控制等多個領(lǐng)域，使汽車電子及系統(tǒng)的設(shè)計變得更加復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性，從而采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法已無法應(yīng)對，而需要更加先進(jìn)的設(shè)計方法。作為業(yè)界領(lǐng)先的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計軟件商，Ansoft公司以其強(qiáng)大的設(shè)計平臺，幫助工程師們應(yīng)對汽車電子設(shè)計的各種挑戰(zhàn)，并高效率地實現(xiàn)高性能的設(shè)計，以在激烈的市場競爭中占得先機(jī)。

基于Ansoft虛擬設(shè)計平臺的ABS設(shè)計與分析

傳統(tǒng)的機(jī)械式防抱死制動系統(tǒng)(ABS)由于沒有電控單元(ECU)，只能通過一些傳動裝置來模仿電子式ABS的功能，這就要求駕駛者在剎車時要由輕到重地踩剎車踏板，才能使其制動效能發(fā)揮最好，而駕駛者在遇到緊急情況時的本能反映都是猛踩剎車踏板，因而汽車很容易“甩尾”或轉(zhuǎn)向失靈，從而造成交通事故。

針對傳統(tǒng)機(jī)械式ABS存在的問題，汽車生產(chǎn)商開發(fā)了電子式ABS，因為電子式ABS不需要駕駛者刻意去配合，而要求一腳到底踩剎車，因此，電子式ABS遠(yuǎn)比機(jī)械式ABS安全。但是，電子式ABS的設(shè)計將涉及到速度傳感器、電磁閥等電磁部件及整個系統(tǒng)的精確設(shè)計問題，傳統(tǒng)的方法是反復(fù)試制原型樣機(jī)，不僅造成人力、物力和時間的巨大浪費，而且在性能穩(wěn)定性方面將會面臨巨大挑戰(zhàn)。

針對這一技術(shù)挑戰(zhàn)，Ansoft公司為ABS廠商提供了一個綜合的虛擬設(shè)計平臺，不僅可以解決速度傳感器、電磁閥等電磁部件的精確設(shè)計問題，而且還可以實現(xiàn)ABS從行為級到設(shè)備級的多層次建模、設(shè)計與分析。

為使ABS模型不用進(jìn)行數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換和簡化就可在不同組織和仿真產(chǎn)品之間方便地交互，在Ansoft機(jī)電系統(tǒng)仿真分析平臺Simplorer中建立一個車輪的ABS模型時，采用了國際標(biāo)準(zhǔn)的VHDL-AMS建模語言，其模型如圖1所示。

圖1中，ECU通過輪速感應(yīng)器監(jiān)測車輪的轉(zhuǎn)速，當(dāng)車輪快要抱死時，ECU會發(fā)出指令給電磁閥，通過調(diào)節(jié)進(jìn)油閥和出油閥的開關(guān)信號，調(diào)節(jié)輸入車輪制動分泵的油量，以“一放一收”的形式來控制剎車，使車輪處于一種臨界抱死的間歇滾動狀態(tài)，避免車輪抱死現(xiàn)象的發(fā)生，防止側(cè)滑和跑偏。

圖1：采用VHDL-AMS建模的ABS行為級設(shè)計模型。

圖1雖然建立了車輪的動態(tài)模型，但由于速度傳感器和電磁閥采用的是行為級模型，不能精確地模擬其電磁特性，因此仿真的模型和實際的系統(tǒng)之間具有一定的差距。為此，采用了Maxwell 2D/3D分別對電磁閥和速度傳感器進(jìn)行基于物理原型的精確建模和有限元分析，并通過參數(shù)化設(shè)計提取其Simplorer系統(tǒng)仿真模型，從而在Simplorer中建立了基于物理原型的設(shè)備級ABS仿真分析模型，使仿真的結(jié)果更逼近真實系統(tǒng)的測試結(jié)果。

由上述內(nèi)容可知：行為級ABS模型可快速測試和分析ABS的工作特性、驗證控制原理，并預(yù)測車輪和車輛速度降為零的時間，但由于其不能精確地考慮速度傳感器和電磁閥實際的電磁特性，因而仿真的結(jié)果和設(shè)備級模型相比，具有一定的差距，而這一差距就可能釀成車禍。由于基于物理原型的仿真結(jié)果可無限精度地逼近真實的測試結(jié)果，因此Ansoft公司可針對ABS的設(shè)計，提供從部件到系統(tǒng)、從行為級到設(shè)備級的多層次設(shè)計解決方案。

圖2：行為級和基于物理原型的電磁閥設(shè)計模型及控制信號對比。

圖3：基于物理原型的設(shè)備級ABS仿真分析模型

圖4：行為級ABS和基于物理原型的設(shè)備級ABS仿真分析結(jié)果對比

基于Ansoft虛擬設(shè)計平臺的其它汽車電子及系統(tǒng)設(shè)計

在汽車點火系統(tǒng)中，由于點火器所需要的高壓電弧特性(電壓高低、能量大小、電弧延續(xù)時間長短等)對發(fā)動機(jī)點火過程和運行性能有很大影響，因此需要對點火線圈進(jìn)行了精確的建模和有限元分析。為了加速仿真分析和研發(fā)的進(jìn)程，在前期研發(fā)階段，可采用Maxwell 2D對點火線圈進(jìn)行了建模和有限元分析(此時暫不考慮三維邊緣效應(yīng)、副邊繞組的感性耦合、鐵心損耗和繞組的渦流損耗等)，并通過參數(shù)化設(shè)計，獲得點火線圈最優(yōu)的電磁特性。
   
此外，為分析和測試整個點火系統(tǒng)的性能，采用了Simplorer來實現(xiàn)電子控制，建立基于物理原型的點火系統(tǒng)仿真分析模型。仿真結(jié)果表明：點火系統(tǒng)上輸出的電壓能達(dá)到設(shè)計要求，且和實際測試結(jié)果波形基本吻合(為減小誤差，使仿真分析的結(jié)果無限精度地逼近測試結(jié)果，需要進(jìn)行一些后續(xù)工作，包括：建立Maxwell和Simplorer協(xié)同仿真分析模型進(jìn)行測試、建立點火線圈的三維模型并基于三維有限元分析來計算電容和鐵耗、采用設(shè)備級的IGBT做系統(tǒng)仿真等)。

Ansoft虛擬的設(shè)計平臺還可方便地實現(xiàn)EV/HEV的電機(jī)從部件到系統(tǒng)的精確設(shè)計，包括：基于RMxprt的磁路法快速設(shè)計和方案優(yōu)選、基于Maxwell 2D/3D的有限元精確設(shè)計和各種正常及故障工況測試、基于Simplorer的電機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計和分析、以及汽車系統(tǒng)的EMI/EMC分析等。例如：火花塞在工作時會對汽車造成很大的電磁干擾，從而使其它設(shè)備誤動作或控制失常。為精確分析其電磁特性及所造成的干擾，可采用Maxwell 3D進(jìn)行精確建模，并通過Maxwell和HFSS之間的場耦合，將火花塞在正常工作時產(chǎn)生的電磁干擾耦合到HFSS,進(jìn)而分析該干擾對整個汽車造成的影響，如圖9所示。

圖5：基于Maxwell 2D有限元分析的點火線圈磁密及磁力線分布

圖6：基于物理原型的Simplorer點火系統(tǒng)仿真分析模型

圖7：基于物理原型的Simplorer點火系統(tǒng)輸出電壓及設(shè)計指標(biāo)與實測電壓的對比。

圖8：基于物理原型的Simplorer EISG系統(tǒng)仿真模型

圖9：基于Maxwell和HFSS場耦合的火花塞EMI/EMC分析

本文小結(jié)

針對傳統(tǒng)汽車電子部件及系統(tǒng)設(shè)計存在的諸多問題，本文提出采用EDA工程軟件來加速汽車從部件到系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程，并結(jié)合一些汽車電子及系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用實例，展示了基于物理原型的Ansoft虛擬設(shè)計平臺在汽車產(chǎn)品設(shè)計中的諸多技術(shù)優(yōu)勢。事實證明，利用Ansoft的設(shè)計平臺，可加速汽車生產(chǎn)商的研發(fā)進(jìn)度，降低研發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，確保汽車生產(chǎn)商以更低的成本并以更短的周期開發(fā)出更好的產(chǎn)品，從而能夠使汽車生產(chǎn)商處于最具有競爭力的技術(shù)前沿。