基于仿真的设计集成提高混合动力车辆的可靠性

基于仿真的设计集成提高混合动力车辆的可靠性

　由于存在集成要求，混合动力汽车成为一种设计、制造和维护都最为复杂的系统，鲁棒的设计方法为设计可靠的混合动力车辆系统提供了架构。

　　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(RobustDesign)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)