基于仿真的設計集成提高混合動(dòng)力車(chē)輛的可靠性

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

　　人們過(guò)去開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)是為了解決較高的燃油成本和日益增加的尾氣排放問(wèn)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。混合動(dòng)力汽車(chē)的先進(jìn)性在于內燃機引擎和電動(dòng)車(chē)之間的轉換橋?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)的燃油效率高，電動(dòng)汽車(chē)能夠降低排放，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(dòng)力汽車(chē)中，動(dòng)力總成包括來(lái)自?xún)热紮C引擎和電動(dòng)車(chē)的組件。系統組件的清單包括：一個(gè)電池包、一臺電動(dòng)機/發(fā)電機和一臺內燃機引擎。內燃機引擎向系統提供電力和機械力?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)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(wú)論采用何種配置，汽車(chē)的可靠工作都取決于對動(dòng)力總成組件的成功集成。

　　機電系統

　　標準和混合動(dòng)力汽車(chē)都依賴(lài)于電力、機械和軟件技術(shù)的集成，人們越來(lái)越多地采用汽車(chē)電子和軟件來(lái)控制或取代機械的工作。這三個(gè)設計學(xué)科的交集就成為機械電子學(xué)?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)就是機械電子設計的核心。

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

　　隨著(zhù)汽車(chē)復雜性的增加，人們開(kāi)始關(guān)心可靠性問(wèn)題。因此，設計混合動(dòng)力汽車(chē)系統需要一種系統的、有組織的開(kāi)發(fā)方法。為了確保系統可靠性，該組織方法需要從設計之初就把可靠性問(wèn)題作為設計過(guò)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(dòng)力汽車(chē)系統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(guò)驗證的開(kāi)發(fā)哲學(xué)，其設計目的就是提供系統的可靠性。魯棒性的設計原則讓設計團隊能夠以可重復的過(guò)程來(lái)處理復雜的系統集成問(wèn)題。如下圖所示，基于魯棒設計的系統概念輸入信號并處理一個(gè)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的性能。設計團隊必須實(shí)現控制技術(shù)以補償設計的變化。

　　魯棒設計流程的重點(diǎn)是降低設計變更對系統性能和可靠性的影響，這些變更可能來(lái)自設計的源內部或外部，包括元器件容差、制造過(guò)程、用戶(hù)模式、環(huán)境和因系統老化等因素引起的變化。盡管這些變化種類(lèi)繁多，每一種因素都可能對系統的可靠性產(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(wèn)題同時(shí)，要從性能、可靠性和成本等方面優(yōu)化系統設計。

　　在典型的設計流程中，解決多種變化引起的問(wèn)題需要廣泛的測試。這意味著(zhù)一旦系統設計完成，必須做出原型并進(jìn)行測試。魯棒的設計流程需要測試多種變量，這意味著(zhù)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(lái)實(shí)現魯棒設計的方法太費時(shí)間且實(shí)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(shuō)的虛擬原型。采用像Saber這樣的現代設計工具，設計團隊能設計和構建其系統的虛擬原型，并在分配給傳統的設計-原型-測試流程的時(shí)間和預算之內運行多次測試。因此，仿真和建模是實(shí)現魯棒設計流程的關(guān)鍵要求。

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