ANSOFT產(chǎn)品在汽車(chē)電子及系統設計中的應用

隨著(zhù)現代電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展和中國汽車(chē)制造業(yè)的強勁增長(cháng)，現代電子技術(shù)、信息技術(shù)已經(jīng)成為汽車(chē)制造技術(shù)中不可或缺的一個(gè)主要分支。統計數據表明，汽車(chē)電子產(chǎn)品的平均費用已占整車(chē)的30%左右。隨著(zhù)燃油價(jià)格的飛漲和公眾對安全、節能和環(huán)保問(wèn)題的高度關(guān)注，同時(shí)，消費者對汽車(chē)智能化、電子化、信息化、網(wǎng)絡(luò )化提出的更高要求，使得汽車(chē)電子產(chǎn)品已經(jīng)廣泛而深入地應用到汽車(chē)的各個(gè)子系統中。比如發(fā)動(dòng)機和燃油控制系統、ABS和汽車(chē)穩定控制系統、燈光和照明系統、防盜系統、舒適便利裝備以及安全防護等各個(gè)方面。

現在，汽車(chē)已經(jīng)成為高度機電一體化的產(chǎn)品，汽車(chē)電子產(chǎn)品的設計會(huì )涉及到機械、動(dòng)力、電子、電磁、控制等多個(gè)領(lǐng)域，使汽車(chē)電子及系統的設計變得更加復雜和具有挑戰性，從而采用傳統的設計方法已無(wú)法應對，而需要更加先進(jìn)的設計方法。作為業(yè)界領(lǐng)先的機電系統設計軟件商，Ansoft公司以其強大的設計平臺，幫助工程師們應對汽車(chē)電子設計的各種挑戰，并高效率地實(shí)現高性能的設計，以在激烈的市場(chǎng)競爭中占得先機。

基于A(yíng)nsoft虛擬設計平臺的ABS設計與分析

傳統的機械式防抱死制動(dòng)系統(ABS)由于沒(méi)有電控單元(ECU)，只能通過(guò)一些傳動(dòng)裝置來(lái)模仿電子式ABS的功能，這就要求駕駛者在剎車(chē)時(shí)要由輕到重地踩剎車(chē)踏板，才能使其制動(dòng)效能發(fā)揮最好，而駕駛者在遇到緊急情況時(shí)的本能反映都是猛踩剎車(chē)踏板，因而汽車(chē)很容易“甩尾”或轉向失靈，從而造成交通事故。

針對傳統機械式ABS存在的問(wèn)題，汽車(chē)生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)了電子式ABS，因為電子式ABS不需要駕駛者刻意去配合，而要求一腳到底踩剎車(chē)，因此，電子式ABS遠比機械式ABS安全。但是，電子式ABS的設計將涉及到速度傳感器、電磁閥等電磁部件及整個(gè)系統的精確設計問(wèn)題，傳統的方法是反復試制原型樣機，不僅造成人力、物力和時(shí)間的巨大浪費，而且在性能穩定性方面將會(huì )面臨巨大挑戰。

針對這一技術(shù)挑戰，Ansoft公司為ABS廠(chǎng)商提供了一個(gè)綜合的虛擬設計平臺，不僅可以解決速度傳感器、電磁閥等電磁部件的精確設計問(wèn)題，而且還可以實(shí)現ABS從行為級到設備級的多層次建模、設計與分析。

為使ABS模型不用進(jìn)行數學(xué)模型轉換和簡(jiǎn)化就可在不同組織和仿真產(chǎn)品之間方便地交互，在A(yíng)nsoft機電系統仿真分析平臺Simplorer中建立一個(gè)車(chē)輪的ABS模型時(shí)，采用了國際標準的VHDL-AMS建模語(yǔ)言，其模型如圖1所示。

圖1中，ECU通過(guò)輪速感應器監測車(chē)輪的轉速，當車(chē)輪快要抱死時(shí)，ECU會(huì )發(fā)出指令給電磁閥，通過(guò)調節進(jìn)油閥和出油閥的開(kāi)關(guān)信號，調節輸入車(chē)輪制動(dòng)分泵的油量，以“一放一收”的形式來(lái)控制剎車(chē)，使車(chē)輪處于一種臨界抱死的間歇滾動(dòng)狀態(tài)，避免車(chē)輪抱死現象的發(fā)生，防止側滑和跑偏。

圖1：采用VHDL-AMS建模的ABS行為級設計模型。

圖1雖然建立了車(chē)輪的動(dòng)態(tài)模型，但由于速度傳感器和電磁閥采用的是行為級模型，不能精確地模擬其電磁特性，因此仿真的模型和實(shí)際的系統之間具有一定的差距。為此，采用了Maxwell 2D/3D分別對電磁閥和速度傳感器進(jìn)行基于物理原型的精確建模和有限元分析，并通過(guò)參數化設計提取其Simplorer系統仿真模型，從而在Simplorer中建立了基于物理原型的設備級ABS仿真分析模型，使仿真的結果更逼近真實(shí)系統的測試結果。

由上述內容可知：行為級ABS模型可快速測試和分析ABS的工作特性、驗證控制原理，并預測車(chē)輪和車(chē)輛速度降為零的時(shí)間，但由于其不能精確地考慮速度傳感器和電磁閥實(shí)際的電磁特性，因而仿真的結果和設備級模型相比，具有一定的差距，而這一差距就可能釀成車(chē)禍。由于基于物理原型的仿真結果可無(wú)限精度地逼近真實(shí)的測試結果，因此Ansoft公司可針對ABS的設計，提供從部件到系統、從行為級到設備級的多層次設計解決方案。

圖2：行為級和基于物理原型的電磁閥設計模型及控制信號對比。

圖3：基于物理原型的設備級ABS仿真分析模型

圖4：行為級ABS和基于物理原型的設備級ABS仿真分析結果對比

基于A(yíng)nsoft虛擬設計平臺的其它汽車(chē)電子及系統設計

在汽車(chē)點(diǎn)火系統中，由于點(diǎn)火器所需要的高壓電弧特性(電壓高低、能量大小、電弧延續時(shí)間長(cháng)短等)對發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火過(guò)程和運行性能有很大影響，因此需要對點(diǎn)火線(xiàn)圈進(jìn)行了精確的建模和有限元分析。為了加速仿真分析和研發(fā)的進(jìn)程，在前期研發(fā)階段，可采用Maxwell 2D對點(diǎn)火線(xiàn)圈進(jìn)行了建模和有限元分析(此時(shí)暫不考慮三維邊緣效應、副邊繞組的感性耦合、鐵心損耗和繞組的渦流損耗等)，并通過(guò)參數化設計，獲得點(diǎn)火線(xiàn)圈最優(yōu)的電磁特性。

此外，為分析和測試整個(gè)點(diǎn)火系統的性能，采用了Simplorer來(lái)實(shí)現電子控制，建立基于物理原型的點(diǎn)火系統仿真分析模型。仿真結果表明：點(diǎn)火系統上輸出的電壓能達到設計要求，且和實(shí)際測試結果波形基本吻合(為減小誤差，使仿真分析的結果無(wú)限精度地逼近測試結果，需要進(jìn)行一些后續工作，包括：建立Maxwell和Simplorer協(xié)同仿真分析模型進(jìn)行測試、建立點(diǎn)火線(xiàn)圈的三維模型并基于三維有限元分析來(lái)計算電容和鐵耗、采用設備級的IGBT做系統仿真等)。

Ansoft虛擬的設計平臺還可方便地實(shí)現EV/HEV的電機從部件到系統的精確設計，包括：基于RMxprt的磁路法快速設計和方案優(yōu)選、基于Maxwell 2D/3D的有限元精確設計和各種正常及故障工況測試、基于Simplorer的電機及驅動(dòng)系統設計和分析、以及汽車(chē)系統的EMI/EMC分析等。例如：火花塞在工作時(shí)會(huì )對汽車(chē)造成很大的電磁干擾，從而使其它設備誤動(dòng)作或控制失常。為精確分析其電磁特性及所造成的干擾，可采用Maxwell 3D進(jìn)行精確建模，并通過(guò)Maxwell和HFSS之間的場(chǎng)耦合，將火花塞在正常工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾耦合到HFSS,進(jìn)而分析該干擾對整個(gè)汽車(chē)造成的影響，如圖9所示。

圖5：基于Maxwell 2D有限元分析的點(diǎn)火線(xiàn)圈磁密及磁力線(xiàn)分布

圖6：基于物理原型的Simplorer點(diǎn)火系統仿真分析模型

圖7：基于物理原型的Simplorer點(diǎn)火系統輸出電壓及設計指標與實(shí)測電壓的對比。

圖8：基于物理原型的Simplorer EISG系統仿真模型

圖9：基于Maxwell和HFSS場(chǎng)耦合的火花塞EMI/EMC分析

本文小結

針對傳統汽車(chē)電子部件及系統設計存在的諸多問(wèn)題，本文提出采用EDA工程軟件來(lái)加速汽車(chē)從部件到系統設計開(kāi)發(fā)過(guò)程，并結合一些汽車(chē)電子及系統設計的應用實(shí)例，展示了基于物理原型的Ansoft虛擬設計平臺在汽車(chē)產(chǎn)品設計中的諸多技術(shù)優(yōu)勢。事實(shí)證明，利用Ansoft的設計平臺，可加速汽車(chē)生產(chǎn)商的研發(fā)進(jìn)度，降低研發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，確保汽車(chē)生產(chǎn)商以更低的成本并以更短的周期開(kāi)發(fā)出更好的產(chǎn)品，從而能夠使汽車(chē)生產(chǎn)商處于最具有競爭力的技術(shù)前沿。