基于仿真的設(shè)計(jì)集成提高混合動力車輛的可靠性

   人們過去開發(fā)電動汽車是為了解決較高的燃油成本和日益增加的尾氣排放問題，然而，它們的發(fā)展因行駛距離有限且缺乏支持基礎(chǔ)設(shè)施(即充電站)而受害不淺?；旌蟿恿ζ嚨南冗M(jìn)性在于內(nèi)燃機(jī)引擎和電動車之間的轉(zhuǎn)換橋?；旌蟿恿ζ嚨娜加托矢?，電動汽車能夠降低排放，從而使行駛距離更遠(yuǎn)，并便于利用內(nèi)燃機(jī)引擎的基礎(chǔ)設(shè)施獲得能源支持。 

   在混合動力汽車中，動力總成包括來自內(nèi)燃機(jī)引擎和電動車的組件。系統(tǒng)組件的清單包括：一個電池包、一臺電動機(jī)/發(fā)電機(jī)和一臺內(nèi)燃機(jī)引擎。內(nèi)燃機(jī)引擎向系統(tǒng)提供電力和機(jī)械力?；旌蟿恿ζ嚨膭恿偝刹捎萌N配置：串聯(lián)配置、并聯(lián)配置和串并聯(lián)組合配置。無論采用何種配置，汽車的可靠工作都取決于對動力總成組件的成功集成。 

機(jī)電系統(tǒng) 

   標(biāo)準(zhǔn)和混合動力汽車都依賴于電力、機(jī)械和軟件技術(shù)的集成，人們越來越多地采用汽車電子和軟件來控制或取代機(jī)械的工作。這三個設(shè)計(jì)學(xué)科的交集就成為機(jī)械電子學(xué)?；旌蟿恿ζ嚲褪菣C(jī)械電子設(shè)計(jì)的核心。 

    把這些技術(shù)結(jié)合到一輛標(biāo)準(zhǔn)的汽車中將面臨復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，其中，電子和軟件控制被用于非動力源的應(yīng)用。在集成非動力汽車電子源系統(tǒng)的過程中，混合動力汽車的設(shè)計(jì)面臨相同的挑戰(zhàn)，并且汽車動力系統(tǒng)的電子和軟件控制更為復(fù)雜。因?yàn)檫@種集成要求，混合動力汽車是有待設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)的最為復(fù)雜的系統(tǒng)之一。 

    隨著汽車復(fù)雜性的增加，人們開始關(guān)心可靠性問題。因此，設(shè)計(jì)混合動力汽車系統(tǒng)需要一種系統(tǒng)的、有組織的開發(fā)方法。為了確保系統(tǒng)可靠性，該組織方法需要從設(shè)計(jì)之初就把可靠性問題作為設(shè)計(jì)過程的組成部分加以考慮。魯棒的設(shè)計(jì)方法提供設(shè)計(jì)可靠的混合動力汽車系統(tǒng)所需要的有組織的架構(gòu)。 

    魯棒設(shè)計(jì)(Robust Design)方法是一種有組織和經(jīng)過驗(yàn)證的開發(fā)哲學(xué)，其設(shè)計(jì)目的就是提供系統(tǒng)的可靠性。魯棒性的設(shè)計(jì)原則讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠以可重復(fù)的過程來處理復(fù)雜的系統(tǒng)集成問題。如下圖所示，基于魯棒設(shè)計(jì)的系統(tǒng)概念輸入信號并處理一個合適的響應(yīng)。然而，在典型的環(huán)境中，設(shè)計(jì)變更可能影響系統(tǒng)的性能。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須實(shí)現(xiàn)控制技術(shù)以補(bǔ)償設(shè)計(jì)的變化。 

    魯棒設(shè)計(jì)流程的重點(diǎn)是降低設(shè)計(jì)變更對系統(tǒng)性能和可靠性的影響，這些變更可能來自設(shè)計(jì)的源內(nèi)部或外部，包括元器件容差、制造過程、用戶模式、環(huán)境和因系統(tǒng)老化等因素引起的變化。盡管這些變化種類繁多，每一種因素都可能對系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生大的影響。魯棒性設(shè)計(jì)流程的主要目標(biāo)是：在解決這些變化引起的問題同時，要從性能、可靠性和成本等方面優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 

     在典型的設(shè)計(jì)流程中，解決多種變化引起的問題需要廣泛的測試。這意味著一旦系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成，必須做出原型并進(jìn)行測試。魯棒的設(shè)計(jì)流程需要測試多種變量，這意味著要構(gòu)建新的原型并測試每一種變量。顯然，采用這種設(shè)計(jì)-原型-測試流程來實(shí)現(xiàn)魯棒設(shè)計(jì)的方法太費(fèi)時間且實(shí)際上很昂貴。 

     解決方法是把設(shè)計(jì)-原型-測試操作轉(zhuǎn)移到虛擬世界做仿真和分析。這就是常說的虛擬原型。采用像Saber這樣的現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能設(shè)計(jì)和構(gòu)建其系統(tǒng)的虛擬原型，并在分配給傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)-原型-測試流程的時間和預(yù)算之內(nèi)運(yùn)行多次測試。因此，仿真和建模是實(shí)現(xiàn)魯棒設(shè)計(jì)流程的關(guān)鍵要求。

圖1 混合動力乘用車的主要傳動總成系統(tǒng)包括：電動機(jī)/發(fā)電機(jī)(前)、控制器(中)和電池包(后）

圖2 混合動力汽車依賴于對機(jī)械、電力和軟件技術(shù)的有效集成

圖3 通用的魯棒性設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖是以Taguchi方法為基礎(chǔ)的

設(shè)計(jì)流程 

基于建模和仿真的魯棒設(shè)計(jì)流程必須緊跟著系統(tǒng)過程。這個過程的關(guān)鍵是確定： 

-系統(tǒng)的關(guān)鍵性能衡量標(biāo)準(zhǔn)； 
-以能夠突出這些衡量標(biāo)準(zhǔn)的方式對系統(tǒng)進(jìn)行建模； 
-在系統(tǒng)開發(fā)過程的每一個階段驗(yàn)證衡量標(biāo)準(zhǔn)； 
魯棒設(shè)計(jì)流程具有基本的開發(fā)進(jìn)程，需要采用此處顯示的仿真能力。 

圖4有效的魯棒設(shè)計(jì)過程取決于系統(tǒng)開發(fā)流程，并需要先進(jìn)的仿真能力

   這種魯棒設(shè)計(jì)流程可以采用混合動力汽車系統(tǒng)的開發(fā)過程方便地加以描述。性能衡量標(biāo)準(zhǔn)由設(shè)計(jì)規(guī)范導(dǎo)出。典型的混合動力汽車設(shè)計(jì)規(guī)范將包含若干性能要求。舉一個例子，汽車通常都要滿足排放、性能和燃油經(jīng)濟(jì)性的要求。這些要求中的每一種都成為了在設(shè)計(jì)過程中必須被分析的性能衡量標(biāo)準(zhǔn)。對于現(xiàn)在的討論而言，燃油經(jīng)濟(jì)性將被用作關(guān)鍵的性能衡量標(biāo)準(zhǔn)。 

   采用所選的燃油經(jīng)濟(jì)性衡量標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須選擇或開發(fā)仿真模型以便突出影響該標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)變量。因?yàn)轸敯粼O(shè)計(jì)流程可能是密集仿真，模型的選擇要優(yōu)化仿真精度和仿真性能。 

    當(dāng)開發(fā)用于魯棒設(shè)計(jì)流程的開發(fā)模型的時候，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該采用硬件描述語言(HDL)來創(chuàng)建模型，利用HDL就讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠更好地控制模型精度和性能，包括在不同的設(shè)計(jì)抽象級創(chuàng)建模型的能力。新思公司的MAST語言是汽車行業(yè)用于對混合動力系統(tǒng)建模的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)；VHDL-AMS是另一種可選的建模語言，最近已由IEEE標(biāo)準(zhǔn)化。這兩種語言都得到Saber仿真器的支持。 

驗(yàn)證額定系統(tǒng)的工作
 
    一旦對系統(tǒng)的建模完成，重點(diǎn)就可以轉(zhuǎn)向分析燃油經(jīng)濟(jì)性，下一步是驗(yàn)證混合動力汽車的額定燃油經(jīng)濟(jì)性性能。額定分析顯示在理想條件下設(shè)計(jì)的最佳情形的燃油經(jīng)濟(jì)性。要采用標(biāo)準(zhǔn)的工作點(diǎn)、時域和頻域分析對設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。從額定分析得到的燃油經(jīng)濟(jì)性結(jié)果成為魯棒設(shè)計(jì)流程中其它步驟的性能基準(zhǔn)。 

識別影響性能的參數(shù) 

     混合動力汽車模型應(yīng)該包含影響燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵變量。這些變量由設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)根據(jù)其對汽車系統(tǒng)的知識來選擇。一旦選擇好變量，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就要識別那些對汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性影響最大的變量。 

    靈敏度分析是分析對系統(tǒng)影響最大的參數(shù)的最有效的辦法。利用靈敏度分析，可以分析汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性隨各系統(tǒng)參數(shù)變化而變化的情況。這些參數(shù)以及它們對混合動力汽車性能的影響，成為其它設(shè)計(jì)過程的焦點(diǎn)。 

根據(jù)變量分析系統(tǒng)的性能 

    識別了關(guān)鍵參數(shù)之后，下一步就是考察這些參數(shù)的變化對混合動力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。根據(jù)對該系統(tǒng)的了解，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)建立了關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)值范圍，并為掃描整個數(shù)值范圍設(shè)定了仿真指令。 

     掃描參數(shù)的變化范圍是一種重要的能力。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須設(shè)置仿真器，使之以一系列循環(huán)的方式自動執(zhí)行，來掃描設(shè)計(jì)參數(shù)的變化范圍。這就讓仿真器能夠覆蓋每一個可能的參數(shù)組合，讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完全掌握燃油經(jīng)濟(jì)性受影響的情況。參數(shù)分析的目標(biāo)就是建立每一個關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)的數(shù)值范圍。這種數(shù)值范圍然后被轉(zhuǎn)換為用于統(tǒng)計(jì)分析的額定數(shù)值加上容差。 

優(yōu)化系統(tǒng)性能 

     在這個階段，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)要很好地掌握系統(tǒng)參數(shù)變化對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，要實(shí)現(xiàn)提高燃油經(jīng)濟(jì)性的補(bǔ)償技術(shù)，并確定選擇哪一個組來獲得最佳的系統(tǒng)性能。下一步就是根據(jù)所有可能的設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)值的組合，來驗(yàn)證汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。 

     這是利用統(tǒng)計(jì)分析實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)參數(shù)分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)把容差分配給系統(tǒng)中已識別的關(guān)鍵參數(shù)。關(guān)鍵參數(shù)的列表應(yīng)該包括那些在靈敏度分析中發(fā)現(xiàn)的參數(shù)。其目標(biāo)是驗(yàn)證燃油經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)樵O(shè)計(jì)參數(shù)在容差范圍內(nèi)是隨機(jī)變化的，并且與其它參數(shù)在設(shè)計(jì)中組合在一起。最終結(jié)果應(yīng)該是在整個系統(tǒng)變量的寬變化范圍內(nèi)燃油經(jīng)濟(jì)性都得到優(yōu)化的一臺混合動力汽車。 

評估系統(tǒng)的壓力和故障模式 

     確保系統(tǒng)可靠性的最終步驟是分析對系統(tǒng)組件的壓力，然后，考察系統(tǒng)中關(guān)鍵組件失效后所發(fā)生的現(xiàn)象。 

     壓力分析被用于分析壓力對混合動力汽車組件的影響，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)把最大的壓力額定值作用在這些組件上，并在需要的地方降低定額值。該仿真器利用這個信息來確定正在工作的組件距離“最大”或“降低定額值”有多遠(yuǎn)？設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)然后就可以在需要的地方采取正確的行動。 

    故障模式分析的作用是驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，因?yàn)殛P(guān)鍵的組件開始就設(shè)置為故障模式。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須首先選擇燃油經(jīng)濟(jì)性測量的可接受范圍。然后，選擇關(guān)鍵組件，使其在分析期間失效，并定義組件的故障機(jī)制。 

    故障模式分析然后運(yùn)行一系列造成所選組件失效的分析。燃油經(jīng)濟(jì)性在分析過程中受到監(jiān)測以觀測系統(tǒng)—即使出現(xiàn)故障之后—是否在指標(biāo)內(nèi)繼續(xù)執(zhí)行。最終結(jié)果是一份詳細(xì)描述組件失效以及是否通過燃油經(jīng)濟(jì)性衡量標(biāo)準(zhǔn)的分析報告。 

本文小結(jié) 

   混合動力汽車是一種新型且不斷演變的、復(fù)雜的交通系統(tǒng)，它全面利用了機(jī)械、電氣和軟件技術(shù)，從而使系統(tǒng)集成更具有挑戰(zhàn)性，其且設(shè)計(jì)過程比傳統(tǒng)的汽車要復(fù)雜得多?；旌蟿恿ζ囅到y(tǒng)的高度復(fù)雜性引發(fā)了越來越多的可靠性問題。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要一種有組織的設(shè)計(jì)方法來解決這些系統(tǒng)的復(fù)雜性問題，并確保滿足可靠性目標(biāo)。 

   魯棒設(shè)計(jì)方法提供了解決復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。把魯棒設(shè)計(jì)原則與虛擬原型實(shí)踐相結(jié)合，包括建模和仿真，就賦予設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)優(yōu)化混合動力汽車的性能、可靠性和成本的有力工具。為了在混合動力汽車開發(fā)項(xiàng)目中建立魯棒設(shè)計(jì)工作流程，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)要采用像新思公司Saber這樣的先進(jìn)仿真工具。利用這些工具，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就能分析和驗(yàn)證復(fù)雜的混合動力汽車系統(tǒng)的性能。