基于仿真的設(shè)計(jì)集成提高混合動(dòng)力車輛的可靠性

　　由于存在集成要求，混合動(dòng)力汽車成為一種設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)都最為復(fù)雜的系統(tǒng)，魯棒的設(shè)計(jì)方法為設(shè)計(jì)可靠的混合動(dòng)力車輛系統(tǒng)提供了架構(gòu)。

　　人們過去開發(fā)電動(dòng)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(dòng)力汽車的先進(jìn)性在于內(nèi)燃機(jī)引擎和電動(dòng)車之間的轉(zhuǎn)換橋?；旌蟿?dòng)力汽車的燃油效率高，電動(dòng)汽車能夠降低排放，從而使行駛距離更遠(yuǎn)，并便于利用內(nèi)燃機(jī)引擎的基礎(chǔ)設(shè)施獲得能源支持。

　　在混合動(dòng)力汽車中，動(dòng)力總成包括來自內(nèi)燃機(jī)引擎和電動(dòng)車的組件。系統(tǒng)組件的清單包括：一個(gè)電池包、一臺(tái)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)和一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)引擎。內(nèi)燃機(jī)引擎向系統(tǒng)提供電力和機(jī)械力。混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力總成采用三種配置：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(dòng)力總成組件的成功集成。

　　機(jī)電系統(tǒng)

　　標(biāo)準(zhǔn)和混合動(dòng)力汽車都依賴于電力、機(jī)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(jī)械的工作。這三個(gè)設(shè)計(jì)學(xué)科的交集就成為機(jī)械電子學(xué)?；旌蟿?dòng)力汽車就是機(jī)械電子設(shè)計(jì)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(jì)挑戰(zhàn)，其中，電子和軟件控制被用于非動(dòng)力源的應(yīng)用。在集成非動(dòng)力汽車電子源系統(tǒng)的過程中，混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)面臨相同的挑戰(zhàn)，并且汽車動(dòng)力系統(tǒng)的電子和軟件控制更為復(fù)雜。因?yàn)檫@種集成要求，混合動(dòng)力汽車是有待設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)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(jì)混合動(dòng)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(jì)之初就把可靠性問題作為設(shè)計(jì)過程的組成部分加以考慮。魯棒的設(shè)計(jì)方法提供設(shè)計(jì)可靠的混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)所需要的有組織的架構(gòu)。

　　魯棒設(shè)計(jì)(RobustDesign)方法是一種有組織和經(jīng)過驗(yàn)證的開發(fā)哲學(xué)，其設(shè)計(jì)目的就是提供系統(tǒng)的可靠性。魯棒性的設(shè)計(jì)原則讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(jì)的系統(tǒng)概念輸入信號(hào)并處理一個(gè)合適的響應(yīng)。然而，在典型的環(huán)境中，設(shè)計(jì)變更可能影響系統(tǒng)的性能。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須實(shí)現(xiàn)控制技術(shù)以補(bǔ)償設(shè)計(jì)的變化。

　　魯棒設(shè)計(jì)流程的重點(diǎn)是降低設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)流程的主要目標(biāo)是：在解決這些變化引起的問題同時(shí)，要從性能、可靠性和成本等方面優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　在典型的設(shè)計(jì)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(jì)完成，必須做出原型并進(jìn)行測試。魯棒的設(shè)計(jì)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(jì)-原型-測試流程來實(shí)現(xiàn)魯棒設(shè)計(jì)的方法太費(fèi)時(shí)間且實(shí)際上很昂貴。

　　解決方法是把設(shè)計(jì)-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(jì)工具，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能設(shè)計(jì)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(jì)-原型-測試流程的時(shí)間和預(yù)算之內(nèi)運(yùn)行多次測試。因此，仿真和建模是實(shí)現(xiàn)魯棒設(shè)計(jì)流程的關(guān)鍵要求。

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