基于仿真的設(shè)計集成提高混合動力車輛的可靠性

基于仿真的設(shè)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(shè)計、制造和維護都最為復(fù)雜的系統(tǒng)，魯棒的設(shè)計方法為設(shè)計可靠的混合動力車輛系統(tǒng)提供了架構(gòu)。

　　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。混合動力汽車的先進性在于內(nèi)燃機引擎和電動車之間的轉(zhuǎn)換橋。混合動力汽車的燃油效率高，電動汽車能夠降低排放，從而使行駛距離更遠，并便于利用內(nèi)燃機引擎的基礎(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(nèi)燃機引擎。內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)和混合動力汽車都依賴于電力、機械和軟件技術(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械的工作。這三個設(shè)計學(xué)科的交集就成為機械電子學(xué)?；旌蟿恿ζ嚲褪菣C械電子設(shè)計的核心。

　　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。因為這種集成要求，混合動力汽車是有待設(shè)計、制造和維護的最為復(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)計之初就把可靠性問題作為設(shè)計過程的組成部分加以考慮。魯棒的設(shè)計方法提供設(shè)計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(RobustDesign)方法是一種有組織和經(jīng)過驗證的開發(fā)哲學(xué)，其設(shè)計目的就是提供系統(tǒng)的可靠性。魯棒性的設(shè)計原則讓設(shè)計團隊能夠以可重復(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)計變更可能影響系統(tǒng)的性能。設(shè)計團隊必須實現(xiàn)控制技術(shù)以補償設(shè)計的變化。

　　魯棒設(shè)計流程的重點是降低設(shè)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(shè)計的源內(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。

　　在典型的設(shè)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(shè)計完成，必須做出原型并進行測試。魯棒的設(shè)計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-原型-測試流程來實現(xiàn)魯棒設(shè)計的方法太費時間且實際上很昂貴。

　　解決方法是把設(shè)計-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)計工具，設(shè)計團隊能設(shè)計和構(gòu)建其系統(tǒng)的虛擬原型，并在分配給傳統(tǒng)的設(shè)計-原型-測試流程的時間和預(yù)算之內(nèi)運行多次測試。因此，仿真和建模是實現(xiàn)魯棒設(shè)計流程的關(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/發(fā)電機(前)、控制器(中)和電池包(后)