基于仿真的設計集成提高混合動力車輛的可靠性

基于仿真的設計集成提高混合動力車輛的可靠性

　由于存在集成要求，混合動力汽車成為一種設計、制造和維護都最為復雜的系統(tǒng)，魯棒的設計方法為設計可靠的混合動力車輛系統(tǒng)提供了架構。

　　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設施(即充電站)而受害不淺?；旌蟿恿ζ嚨南冗M性在于內燃機引擎和電動車之間的轉換橋?；旌蟿恿ζ嚨娜加托矢撸妱悠嚹軌蚪档团欧?，從而使行駛距離更遠，并便于利用內燃機引擎的基礎設施獲得能源支持。

　　在混合動力汽車中，動力總成包括來自內燃機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/發(fā)電機和一臺內燃機引擎。內燃機引擎向系統(tǒng)提供電力和機械力?；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。

　　機電系統(tǒng)

　　標準和混合動力汽車都依賴于電力、機械和軟件技術的集成，人們越來越多地采用汽車電子和軟件來控制或取代機械的工作。這三個設計學科的交集就成為機械電子學?；旌蟿恿ζ嚲褪菣C械電子設計的核心。

　　把這些技術結合到一輛標準的汽車中將面臨復雜的設計挑戰(zhàn)，其中，電子和軟件控制被用于非動力源的應用。在集成非動力汽車電子源系統(tǒng)的過程中，混合動力汽車的設計面臨相同的挑戰(zhàn)，并且汽車動力系統(tǒng)的電子和軟件控制更為復雜。因為這種集成要求，混合動力汽車是有待設計、制造和維護的最為復雜的系統(tǒng)之一。

　　隨著汽車復雜性的增加，人們開始關心可靠性問題。因此，設計混合動力汽車系統(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計之初就把可靠性問題作為設計過程的組成部分加以考慮。魯棒的設計方法提供設計可靠的混合動力汽車系統(tǒng)所需要的有組織的架構。

　　魯棒設計(RobustDesign)方法是一種有組織和經(jīng)過驗證的開發(fā)哲學，其設計目的就是提供系統(tǒng)的可靠性。魯棒性的設計原則讓設計團隊能夠以可重復的過程來處理復雜的系統(tǒng)集成問題。如下圖所示，基于魯棒設計的系統(tǒng)概念輸入信號并處理一個合適的響應。然而，在典型的環(huán)境中，設計變更可能影響系統(tǒng)的性能。設計團隊必須實現(xiàn)控制技術以補償設計的變化。

　　魯棒設計流程的重點是降低設計變更對系統(tǒng)性能和可靠性的影響，這些變更可能來自設計的源內部或外部，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。魯棒性設計流程的主要目標是：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)設計。

　　在典型的設計流程中，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)設計完成，必須做出原型并進行測試。魯棒的設計流程需要測試多種變量，這意味著要構建新的原型并測試每一種變量。顯然，采用這種設計-原型-測試流程來實現(xiàn)魯棒設計的方法太費時間且實際上很昂貴。

　　解決方法是把設計-原型-測試操作轉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)代設計工具，設計團隊能設計和構建其系統(tǒng)的虛擬原型，并在分配給傳統(tǒng)的設計-原型-測試流程的時間和預算之內運行多次測試。因此，仿真和建模是實現(xiàn)魯棒設計流程的關鍵要求。

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