基于仿真的设计集成提高混合动力车辆的可靠性

   人们过去开发电动汽车是为了解决较高的燃油成本和日益增加的尾气排放问题，然而，它们的发展因行驶距离有限且缺乏支持基础设施(即充电站)而受害不浅。混合动力汽车的先进性在于内燃机引擎和电动车之间的转换桥。混合动力汽车的燃油效率高，电动汽车能够降低排放，从而使行驶距离更远，并便于利用内燃机引擎的基础设施获得能源支持。 

   在混合动力汽车中，动力总成包括来自内燃机引擎和电动车的组件。系统组件的清单包括：一个电池包、一台电动机/发电机和一台内燃机引擎。内燃机引擎向系统提供电力和机械力。混合动力汽车的动力总成采用三种配置：串联配置、并联配置和串并联组合配置。无论采用何种配置，汽车的可靠工作都取决于对动力总成组件的成功集成。 

机电系统 

   标准和混合动力汽车都依赖于电力、机械和软件技术的集成，人们越来越多地采用汽车电子和软件来控制或取代机械的工作。这三个设计学科的交集就成为机械电子学。混合动力汽车就是机械电子设计的核心。 

    把这些技术结合到一辆标准的汽车中将面临复杂的设计挑战，其中，电子和软件控制被用于非动力源的应用。在集成非动力汽车电子源系统的过程中，混合动力汽车的设计面临相同的挑战，并且汽车动力系统的电子和软件控制更为复杂。因为这种集成要求，混合动力汽车是有待设计、制造和维护的最为复杂的系统之一。 

    随着汽车复杂性的增加，人们开始关心可靠性问题。因此，设计混合动力汽车系统需要一种系统的、有组织的开发方法。为了确保系统可靠性，该组织方法需要从设计之初就把可靠性问题作为设计过程的组成部分加以考虑。鲁棒的设计方法提供设计可靠的混合动力汽车系统所需要的有组织的架构。 

    鲁棒设计(Robust Design)方法是一种有组织和经过验证的开发哲学，其设计目的就是提供系统的可靠性。鲁棒性的设计原则让设计团队能够以可重复的过程来处理复杂的系统集成问题。如下图所示，基于鲁棒设计的系统概念输入信号并处理一个合适的响应。然而，在典型的环境中，设计变更可能影响系统的性能。设计团队必须实现控制技术以补偿设计的变化。 

    鲁棒设计流程的重点是降低设计变更对系统性能和可靠性的影响，这些变更可能来自设计的源内部或外部，包括元器件容差、制造过程、用户模式、环境和因系统老化等因素引起的变化。尽管这些变化种类繁多，每一种因素都可能对系统的可靠性产生大的影响。鲁棒性设计流程的主要目标是：在解决这些变化引起的问题同时，要从性能、可靠性和成本等方面优化系统设计。 

     在典型的设计流程中，解决多种变化引起的问题需要广泛的测试。这意味着一旦系统设计完成，必须做出原型并进行测试。鲁棒的设计流程需要测试多种变量，这意味着要构建新的原型并测试每一种变量。显然，采用这种设计-原型-测试流程来实现鲁棒设计的方法太费时间且实际上很昂贵。 

     解决方法是把设计-原型-测试操作转移到虚拟世界做仿真和分析。这就是常说的虚拟原型。采用像Saber这样的现代设计工具，设计团队能设计和构建其系统的虚拟原型，并在分配给传统的设计-原型-测试流程的时间和预算之内运行多次测试。因此，仿真和建模是实现鲁棒设计流程的关键要求。

图1 混合动力乘用车的主要传动总成系统包括：电动机/发电机(前)、控制器(中)和电池包(后）

图2 混合动力汽车依赖于对机械、电力和软件技术的有效集成

图3 通用的鲁棒性设计系统框图是以Taguchi方法为基础的

设计流程 

基于建模和仿真的鲁棒设计流程必须紧跟着系统过程。这个过程的关键是确定： 

-系统的关键性能衡量标准； 
-以能够突出这些衡量标准的方式对系统进行建模； 
-在系统开发过程的每一个阶段验证衡量标准； 
鲁棒设计流程具有基本的开发进程，需要采用此处显示的仿真能力。 

图4有效的鲁棒设计过程取决于系统开发流程，并需要先进的仿真能力

   这种鲁棒设计流程可以采用混合动力汽车系统的开发过程方便地加以描述。性能衡量标准由设计规范导出。典型的混合动力汽车设计规范将包含若干性能要求。举一个例子，汽车通常都要满足排放、性能和燃油经济性的要求。这些要求中的每一种都成为了在设计过程中必须被分析的性能衡量标准。对于现在的讨论而言，燃油经济性将被用作关键的性能衡量标准。 

   采用所选的燃油经济性衡量标准，设计团队必须选择或开发仿真模型以便突出影响该标准的设计变量。因为鲁棒设计流程可能是密集仿真，模型的选择要优化仿真精度和仿真性能。 

    当开发用于鲁棒设计流程的开发模型的时候，设计团队应该采用硬件描述语言(HDL)来创建模型，利用HDL就让设计团队能够更好地控制模型精度和性能，包括在不同的设计抽象级创建模型的能力。新思公司的MAST语言是汽车行业用于对混合动力系统建模的事实标准；VHDL-AMS是另一种可选的建模语言，最近已由IEEE标准化。这两种语言都得到Saber仿真器的支持。 

验证额定系统的工作
 
    一旦对系统的建模完成，重点就可以转向分析燃油经济性，下一步是验证混合动力汽车的额定燃油经济性性能。额定分析显示在理想条件下设计的最佳情形的燃油经济性。要采用标准的工作点、时域和频域分析对设计进行分析。从额定分析得到的燃油经济性结果成为鲁棒设计流程中其它步骤的性能基准。 

识别影响性能的参数 

     混合动力汽车模型应该包含影响燃油经济性的关键变量。这些变量由设计团队根据其对汽车系统的知识来选择。一旦选择好变量，设计团队就要识别那些对汽车的燃油经济性影响最大的变量。 

    灵敏度分析是分析对系统影响最大的参数的最有效的办法。利用灵敏度分析，可以分析汽车的燃油经济性随各系统参数变化而变化的情况。这些参数以及它们对混合动力汽车性能的影响，成为其它设计过程的焦点。 

根据变量分析系统的性能 

    识别了关键参数之后，下一步就是考察这些参数的变化对混合动力汽车燃油经济性的影响。根据对该系统的了解，设计团队建立了关键参数的数值范围，并为扫描整个数值范围设定了仿真指令。 

     扫描参数的变化范围是一种重要的能力。设计团队必须设置仿真器，使之以一系列循环的方式自动执行，来扫描设计参数的变化范围。这就让仿真器能够覆盖每一个可能的参数组合，让设计团队完全掌握燃油经济性受影响的情况。参数分析的目标就是建立每一个关键系统参数的数值范围。这种数值范围然后被转换为用于统计分析的额定数值加上容差。 

优化系统性能 

     在这个阶段，设计团队要很好地掌握系统参数变化对燃油经济性的影响，要实现提高燃油经济性的补偿技术，并确定选择哪一个组来获得最佳的系统性能。下一步就是根据所有可能的设计参数数值的组合，来验证汽车的燃油经济性。 

     这是利用统计分析实现的。根据参数分析的结果，设计团队把容差分配给系统中已识别的关键参数。关键参数的列表应该包括那些在灵敏度分析中发现的参数。其目标是验证燃油经济性，因为设计参数在容差范围内是随机变化的，并且与其它参数在设计中组合在一起。最终结果应该是在整个系统变量的宽变化范围内燃油经济性都得到优化的一台混合动力汽车。 

评估系统的压力和故障模式 

     确保系统可靠性的最终步骤是分析对系统组件的压力，然后，考察系统中关键组件失效后所发生的现象。 

     压力分析被用于分析压力对混合动力汽车组件的影响，设计团队把最大的压力额定值作用在这些组件上，并在需要的地方降低定额值。该仿真器利用这个信息来确定正在工作的组件距离“最大”或“降低定额值”有多远？设计团队然后就可以在需要的地方采取正确的行动。 

    故障模式分析的作用是验证系统的性能，因为关键的组件开始就设置为故障模式。设计团队必须首先选择燃油经济性测量的可接受范围。然后，选择关键组件，使其在分析期间失效，并定义组件的故障机制。 

    故障模式分析然后运行一系列造成所选组件失效的分析。燃油经济性在分析过程中受到监测以观测系统—即使出现故障之后—是否在指标内继续执行。最终结果是一份详细描述组件失效以及是否通过燃油经济性衡量标准的分析报告。 

本文小结 

   混合动力汽车是一种新型且不断演变的、复杂的交通系统，它全面利用了机械、电气和软件技术，从而使系统集成更具有挑战性，其且设计过程比传统的汽车要复杂得多。混合动力汽车系统的高度复杂性引发了越来越多的可靠性问题。设计团队需要一种有组织的设计方法来解决这些系统的复杂性问题，并确保满足可靠性目标。 

   鲁棒设计方法提供了解决复杂系统设计问题的系统设计方法。把鲁棒设计原则与虚拟原型实践相结合，包括建模和仿真，就赋予设计团队优化混合动力汽车的性能、可靠性和成本的有力工具。为了在混合动力汽车开发项目中建立鲁棒设计工作流程，设计团队要采用像新思公司Saber这样的先进仿真工具。利用这些工具，设计团队就能分析和验证复杂的混合动力汽车系统的性能。