電氣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代車輛中電氣部分的增加，車輛性能越來(lái)越依賴于電氣網(wǎng)絡(luò)。電氣網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著為整個(gè)車輛供電的重任。電氣網(wǎng)絡(luò)主要包括以下三部分：電源、負(fù)載、線纜。這些部件之間相互作用、相互依賴，使得電氣網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。電氣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的能量管理需考慮工況循環(huán)和負(fù)載切換，這兩部分對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性有重要的影響。典型的“設(shè)計(jì)-原型測(cè)試”設(shè)計(jì)方法已無(wú)法滿足準(zhǔn)確的系統(tǒng)分析的要求。更好的方法是采用軟件工具設(shè)計(jì)和仿真系統(tǒng)的虛擬原型。Synopsys○R的Saber○R是汽車電氣系統(tǒng)仿真的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，在全球的電氣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中都有應(yīng)用。在Saber○R中分析電氣網(wǎng)絡(luò)的原理圖如圖1所示，包括了主要的高層系統(tǒng)模型。他用Saber○R后，設(shè)計(jì)人員可以把先進(jìn)的仿真和數(shù)據(jù)分析與準(zhǔn)確、靈活的器件建模結(jié)合起來(lái)。

設(shè)計(jì)過(guò)程的第一步是建立系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)，這包括通過(guò)仿真選擇大小合適的發(fā)電機(jī)和電池。當(dāng)發(fā)電機(jī)和電池的大小確定后，下一步是負(fù)載平衡仿真，實(shí)現(xiàn)電能管理，分析負(fù)載效應(yīng)．確保通常情況下系統(tǒng)功能正確。初步設(shè)計(jì)結(jié)束后，開始進(jìn)行工況循環(huán)和負(fù)載切換的測(cè)試。

能量管理

能量管理技術(shù)是設(shè)計(jì)和測(cè)試的一部分，它負(fù)責(zé)匹配電氣網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電能力和負(fù)載需求，包括調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電量，控制從電池中吸取的電量及根據(jù)需求開、關(guān)負(fù)載，以保證車輛關(guān)鍵部件有足夠的能量運(yùn)行。能量管理系統(tǒng)必須保證電池有足夠的剩余電量來(lái)啟動(dòng)車輛。現(xiàn)代的能量管理通常用嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)。有許多嵌入式軟件設(shè)計(jì)工具，但大都局限于軟件代碼。對(duì)于電氣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)．代碼設(shè)計(jì)軟件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件需要協(xié)同仿真，比如Saber○R和Mathworks○R的Simulink的協(xié)同仿真。設(shè)計(jì)人員用Saber○R設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件，用Simulink設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制算法。Saber○R/Simulink協(xié)同仿真接口使工程師可以同時(shí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件和硬件部分。

工況循環(huán)測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中很重要的設(shè)計(jì)過(guò)程是工況循環(huán)測(cè)試，包括分析一系列駕駛情況下系統(tǒng)的性能。某些駕駛情況模擬城市，包含停車起步過(guò)程及其他些模擬高速公路的情況。工況循環(huán)直接影響電氣網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了發(fā)電機(jī)可以提供的用來(lái)驅(qū)動(dòng)電氣負(fù)載和給蓄電池充電的電量。為了對(duì)系統(tǒng)性能有準(zhǔn)確的理解，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須分析不同工況循環(huán)下電氣系統(tǒng)的負(fù)載需求。

工況循環(huán)可以分為兩類：暫態(tài)（Transient）和模態(tài)（Modal）。暫態(tài)模擬了停車起步的行駛狀況，發(fā)動(dòng)機(jī)速率持續(xù)變化。在暫態(tài)工況循環(huán)中，發(fā)電機(jī)不可能滿足電氣系統(tǒng)的所有需求，這意味著系統(tǒng)總是依柏電池供給峰值電能。模態(tài)工況循環(huán)是持續(xù)恒定的發(fā)動(dòng)機(jī)速度。在模態(tài)工況循壞中，發(fā)電機(jī)通?？梢詽M是所有電氣系統(tǒng)的能量需求。在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)載需求下．還可以有多余的電量給電池充電。有許多種工況循環(huán)可以選擇，Saber○R中已有了不少此類模型。圖2所示為Saber○R模型庫(kù)中的幾種工況循環(huán)的波形。

負(fù)載切換當(dāng)基本設(shè)計(jì)完成后。建立了工況循環(huán)，剩下的就是整理工況循環(huán)有關(guān)的負(fù)載切換。工況循環(huán)不隨季節(jié)變化，而負(fù)載切換隨季節(jié)變化得非常明顯。例如，冷天的負(fù)載通常需包括幾個(gè)加熱模塊，天氣轉(zhuǎn)暖的負(fù)載只是電動(dòng)窗或換氣扇，更熱的滅氣則需要空調(diào)。

負(fù)載切換狀態(tài)也需要考慮工況循環(huán)的長(zhǎng)度。通常工況循環(huán)前期的電氣系統(tǒng)負(fù)載要大干工況循環(huán)后期的負(fù)載。工況循環(huán)時(shí)間越長(zhǎng)，后期負(fù)載越輕。在正常情況下，工況循環(huán)初期的負(fù)載會(huì)超過(guò)2kW，隨著循壞進(jìn)行，會(huì)降到IkW以下設(shè)計(jì)人員需控制負(fù)載切換使之符合工況循壞時(shí)間，也就是說(shuō)在初期打開較多的負(fù)載．后期打開較少的負(fù)載。有些負(fù)載本身可能隨時(shí)間變化。例如，有些負(fù)載有3種工作狀態(tài)：開、關(guān)和休眠．不同的狀態(tài)消耗不同的電能。Saber○R允許設(shè)計(jì)人員在不同的工況循環(huán)下設(shè)置每個(gè)負(fù)載的狀態(tài)和負(fù)載開關(guān)文件。Saber○R還支持恒定負(fù)載、隨速度變化的負(fù)載和隨時(shí)間變化的負(fù)載。

通過(guò)了初始的工況循環(huán)和負(fù)載切換測(cè)試，電氣系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)就已經(jīng)建立好了，此后設(shè)計(jì)人員還需保證系統(tǒng)的可靠性。事實(shí)上，可靠性因素是電氣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中不可分割的一部分，應(yīng)該從設(shè)計(jì)初期就開始考慮。為了處理好復(fù)雜系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員需采用有組織的設(shè)計(jì)方法。穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法正是這樣一個(gè)適用于電氣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的有組織的設(shè)計(jì)方法。

電氣網(wǎng)絡(luò)可靠性

為了保證電氣網(wǎng)絡(luò)的可靠性，設(shè)計(jì)人員需采用有組織的設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法是有組織的，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可以提高系統(tǒng)可靠性。穩(wěn)健性設(shè)計(jì)原理給設(shè)計(jì)人員提供了處理復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的可重復(fù)設(shè)計(jì)過(guò)程。如圖3所示，典型的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法考慮了影響系統(tǒng)性能的3個(gè)因素。輸入信號(hào)顯示了需要系統(tǒng)做出響應(yīng)的部分。這里不管是內(nèi)部的還是外部的變化，都會(huì)使得性能偏離基本設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)實(shí)現(xiàn)控制方法來(lái)補(bǔ)償變化，從l而提高系統(tǒng)性能。

圖3顯示了影響系統(tǒng)性能的各種因素。穩(wěn)健性設(shè)計(jì)著重于減少變化對(duì)系統(tǒng)性能和可靠性的影響。引起變化的因素有器件參數(shù)的變化，包括生產(chǎn)引起的、使用引起的、環(huán)境引起的和老化引起的變化。每一項(xiàng)變化都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的可靠性造成重大影響。穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目的是優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使之達(dá)到最佳的性能、可靠性和成本，同時(shí)考慮可能對(duì)系統(tǒng)性能有重大影響的變化因素。

虛擬原型對(duì)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)是來(lái)說(shuō)是很關(guān)鍵的。若沒(méi)有虛擬原型，測(cè)試每個(gè)變化就需要建立新的原型或修改已有的原型，這既耗時(shí)又昂貴，而且很難實(shí)現(xiàn)。通過(guò)采用虛擬原型技術(shù)，設(shè)計(jì)人員能夠在傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)-原型-測(cè)試”流程的時(shí)間和預(yù)算范圍內(nèi)完成更多的洲試。仿真和建模是完成一個(gè)有效的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)流程的關(guān)鍵。