可靠的車輛電氣網(wǎng)絡設計分享

電氣網(wǎng)絡設計

隨著現(xiàn)代車輛中電氣部分的增加，車輛性能越來越依賴于電氣網(wǎng)絡。電氣網(wǎng)絡承擔著為整個車輛供電的重任。電氣網(wǎng)絡主要包括以下三部分：電源、負載、線纜。這些部件之間相互作用、相互依賴，使得電氣網(wǎng)絡的設計非常復雜。電氣網(wǎng)絡設計中的能量管理需考慮工況循環(huán)和負載切換，這兩部分對整個系統(tǒng)的性能和可靠性有重要的影響。典型的“設計-原型測試”設計方法已無法滿足準確的系統(tǒng)分析的要求。更好的方法是采用軟件工具設計和仿真系統(tǒng)的虛擬原型。Synopsys○R的Saber○R是汽車電氣系統(tǒng)仿真的實際標準，在全球的電氣網(wǎng)絡設計中都有應用。在Saber○R中分析電氣網(wǎng)絡的原理圖如圖1所示，包括了主要的高層系統(tǒng)模型。他用Saber○R后，設計人員可以把先進的仿真和數(shù)據(jù)分析與準確、靈活的器件建模結(jié)合起來。

設計過程的第一步是建立系統(tǒng)的基本設計，這包括通過仿真選擇大小合適的發(fā)電機和電池。當發(fā)電機和電池的大小確定后，下一步是負載平衡仿真，實現(xiàn)電能管理，分析負載效應．確保通常情況下系統(tǒng)功能正確。初步設計結(jié)束后，開始進行工況循環(huán)和負載切換的測試。

能量管理

能量管理技術是設計和測試的一部分，它負責匹配電氣網(wǎng)絡的發(fā)電能力和負載需求，包括調(diào)節(jié)發(fā)電機所發(fā)出的電量，控制從電池中吸取的電量及根據(jù)需求開、關負載，以保證車輛關鍵部件有足夠的能量運行。能量管理系統(tǒng)必須保證電池有足夠的剩余電量來啟動車輛。現(xiàn)代的能量管理通常用嵌入式軟件實現(xiàn)。有許多嵌入式軟件設計工具，但大都局限于軟件代碼。對于電氣網(wǎng)絡設計．代碼設計軟件和系統(tǒng)設計軟件需要協(xié)同仿真，比如Saber○R和Mathworks○R的Simulink的協(xié)同仿真。設計人員用Saber○R設計系統(tǒng)的硬件，用Simulink設計系統(tǒng)控制算法。Saber○R/Simulink協(xié)同仿真接口使工程師可以同時設計系統(tǒng)的軟件和硬件部分。

工況循環(huán)測試

系統(tǒng)設計過程中很重要的設計過程是工況循環(huán)測試，包括分析一系列駕駛情況下系統(tǒng)的性能。某些駕駛情況模擬城市，包含停車起步過程及其他些模擬高速公路的情況。工況循環(huán)直接影響電氣網(wǎng)絡的工作狀態(tài)。發(fā)動機轉(zhuǎn)速決定了發(fā)電機可以提供的用來驅(qū)動電氣負載和給蓄電池充電的電量。為了對系統(tǒng)性能有準確的理解，系統(tǒng)設計人員必須分析不同工況循環(huán)下電氣系統(tǒng)的負載需求。

工況循環(huán)可以分為兩類：暫態(tài)（Transient）和模態(tài)（Modal）。暫態(tài)模擬了停車起步的行駛狀況，發(fā)動機速率持續(xù)變化。在暫態(tài)工況循環(huán)中，發(fā)電機不可能滿足電氣系統(tǒng)的所有需求，這意味著系統(tǒng)總是依柏電池供給峰值電能。模態(tài)工況循環(huán)是持續(xù)恒定的發(fā)動機速度。在模態(tài)工況循壞中，發(fā)電機通常可以滿是所有電氣系統(tǒng)的能量需求。在不同的發(fā)動機速度和負載需求下．還可以有多余的電量給電池充電。有許多種工況循環(huán)可以選擇，Saber○R中已有了不少此類模型。圖2所示為Saber○R模型庫中的幾種工況循環(huán)的波形。

負載切換當基本設計完成后。建立了工況循環(huán)，剩下的就是整理工況循環(huán)有關的負載切換。工況循環(huán)不隨季節(jié)變化，而負載切換隨季節(jié)變化得非常明顯。例如，冷天的負載通常需包括幾個加熱模塊，天氣轉(zhuǎn)暖的負載只是電動窗或換氣扇，更熱的滅氣則需要空調(diào)。

負載切換狀態(tài)也需要考慮工況循環(huán)的長度。通常工況循環(huán)前期的電氣系統(tǒng)負載要大干工況循環(huán)后期的負載。工況循環(huán)時間越長，后期負載越輕。在正常情況下，工況循環(huán)初期的負載會超過2kW，隨著循壞進行，會降到IkW以下設計人員需控制負載切換使之符合工況循壞時間，也就是說在初期打開較多的負載．后期打開較少的負載。有些負載本身可能隨時間變化。例如，有些負載有3種工作狀態(tài)：開、關和休眠．不同的狀態(tài)消耗不同的電能。Saber○R允許設計人員在不同的工況循環(huán)下設置每個負載的狀態(tài)和負載開關文件。Saber○R還支持恒定負載、隨速度變化的負載和隨時間變化的負載。

通過了初始的工況循環(huán)和負載切換測試，電氣系統(tǒng)的基本設計就已經(jīng)建立好了，此后設計人員還需保證系統(tǒng)的可靠性。事實上，可靠性因素是電氣網(wǎng)絡設計過程中不可分割的一部分，應該從設計初期就開始考慮。為了處理好復雜系統(tǒng)，設計人員需采用有組織的設計方法。穩(wěn)健性設計方法正是這樣一個適用于電氣網(wǎng)絡設計的有組織的設計方法。

電氣網(wǎng)絡可靠性

為了保證電氣網(wǎng)絡的可靠性，設計人員需采用有組織的設計方法來設計系統(tǒng)。穩(wěn)健性設計方法是有組織的，經(jīng)過驗證可以提高系統(tǒng)可靠性。穩(wěn)健性設計原理給設計人員提供了處理復雜系統(tǒng)問題的可重復設計過程。如圖3所示，典型的穩(wěn)健性設計方法考慮了影響系統(tǒng)性能的3個因素。輸入信號顯示了需要系統(tǒng)做出響應的部分。這里不管是內(nèi)部的還是外部的變化，都會使得性能偏離基本設計。設計人員能夠通過實現(xiàn)控制方法來補償變化，從l而提高系統(tǒng)性能。

圖3顯示了影響系統(tǒng)性能的各種因素。穩(wěn)健性設計著重于減少變化對系統(tǒng)性能和可靠性的影響。引起變化的因素有器件參數(shù)的變化，包括生產(chǎn)引起的、使用引起的、環(huán)境引起的和老化引起的變化。每一項變化都會對系統(tǒng)的可靠性造成重大影響。穩(wěn)健性設計的關鍵目的是優(yōu)化系統(tǒng)設計，使之達到最佳的性能、可靠性和成本，同時考慮可能對系統(tǒng)性能有重大影響的變化因素。

虛擬原型對穩(wěn)健性設計是來說是很關鍵的。若沒有虛擬原型，測試每個變化就需要建立新的原型或修改已有的原型，這既耗時又昂貴，而且很難實現(xiàn)。通過采用虛擬原型技術，設計人員能夠在傳統(tǒng)的“設計-原型-測試”流程的時間和預算范圍內(nèi)完成更多的洲試。仿真和建模是完成一個有效的穩(wěn)健性設計流程的關鍵。