人們過去開發(fā)電動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設施(即充電站)而受害不淺。混合動力汽車的先進性在于內燃機引擎和電動車之間的轉換橋?；旌蟿恿ζ嚨娜加托矢?，電動汽車能夠降低排放，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。 

   在混合動力汽車中，動力總成包括來自內燃機引擎和電動車的組件。系統(tǒng)組件的清單包括：一個電池包、一臺電動機/發(fā)電機和一臺內燃機引擎。內燃機引擎向系統(tǒng)提供電力和機械力?；旌蟿恿ζ嚨膭恿偝刹捎萌N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力總成組件的成功集成。 

機電系統(tǒng) 

   標準和混合動力汽車都依賴于電力、機械和軟件技術的集成，人們越來越多地采用汽車電子和軟件來控制或取代機械的工作。這三個設計學科的交集就成為機械電子學。混合動力汽車就是機械電子設計的核心。 

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

    隨著汽車復雜性的增加，人們開始關心可靠性問題。因此，設計混合動力汽車系統(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計之初就把可靠性問題作為設計過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力汽車系統(tǒng)所需要的有組織的架構。 

    魯棒設計(Robust Design)方法是一種有組織和經過驗證的開發(fā)哲學，其設計目的就是提供系統(tǒng)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程來處理復雜的系統(tǒng)集成問題。如下圖所示，基于魯棒設計的系統(tǒng)概念輸入信號并處理一個合適的響應。然而，在典型的環(huán)境中，設計變更可能影響系統(tǒng)的性能。設計團隊必須實現(xiàn)控制技術以補償設計的變化。 

    魯棒設計流程的重點是降低設計變更對系統(tǒng)性能和可靠性的影響，這些變更可能來自設計的源內部或外部，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題同時，要從性能、可靠性和成本等方面優(yōu)化系統(tǒng)設計。 

     在典型的設計流程中，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)設計完成，必須做出原型并進行測試。魯棒的設計流程需要測試多種變量，這意味著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-測試流程來實現(xiàn)魯棒設計的方法太費時間且實際上很昂貴。 

     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。這就是常說的虛擬原型。采用像Saber這樣的現(xiàn)代設計工具，設計團隊能設計和構建其系統(tǒng)的虛擬原型，并在分配給傳統(tǒng)的設計-原型-測試流程的時間和預算之內運行多次測試。因此，仿真和建模是實現(xiàn)魯棒設計流程的關鍵要求。

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

圖2 混合動力汽車依賴于對機械、電力和軟件技術的有效集成

圖3 通用的魯棒性設計系統(tǒng)框圖是以Taguchi方法為基礎的

設計流程 

基于建模和仿真的魯棒設計流程必須緊跟著系統(tǒng)過程。這個過程的關鍵是確定： 

-系統(tǒng)的關鍵性能衡量標準； 
-以能夠突出這些衡量標準的方式對系統(tǒng)進行建模； 
-在系統(tǒng)開發(fā)過程的每一個階段驗證衡量標準； 
魯棒設計流程具有基本的開發(fā)進程，需要采用此處顯示的仿真能力。 

圖4有效的魯棒設計過程取決于系統(tǒng)開發(fā)流程，并需要先進的仿真能力

   這種魯棒設計流程可以采用混合動力汽車系統(tǒng)的開發(fā)過程方便地加以描述。性能衡量標準由設計規(guī)范導出。典型的混合動力汽車設計規(guī)范將包含若干性能要求。舉一個例子，汽車通常都要滿足排放、性能和燃油經濟性的要求。這些要求中的每一種都成為了在設計過程中必須被分析的性能衡量標準。對于現(xiàn)在的討論而言，燃油經濟性將被用作關鍵的性能衡量標準。 

   采用所選的燃油經濟性衡量標準，設計團隊必須選擇或開發(fā)仿真模型以便突出影響該標準的設計變量。因為魯棒設計流程可能是密集仿真，模型的選擇要優(yōu)化仿真精度和仿真性能。 

    當開發(fā)用于魯棒設計流程的開發(fā)模型的時候，設計團隊應該采用硬件描述語言(HDL)來創(chuàng)建模型，利用HDL就讓設計團隊能夠更好地控制模型精度和性能，包括在不同的設計抽象級創(chuàng)建模型的能力。新思公司的MAST語言是汽車行業(yè)用于對混合動力系統(tǒng)建模的事實標準；VHDL-AMS是另一種可選的建模語言，最近已由IEEE標準化。這兩種語言都得到Saber仿真器的支持。 

驗證額定系統(tǒng)的工作
 
    一旦對系統(tǒng)的建模完成，重點就可以轉向分析燃油經濟性，下一步是驗證混合動力汽車的額定燃油經濟性性能。額定分析顯示在理想條件下設計的最佳情形的燃油經濟性。要采用標準的工作點、時域和頻域分析對設計進行分析。從額定分析得到的燃油經濟性結果成為魯棒設計流程中其它步驟的性能基準。 

識別影響性能的參數(shù) 

     混合動力汽車模型應該包含影響燃油經濟性的關鍵變量。這些變量由設計團隊根據(jù)其對汽車系統(tǒng)的知識來選擇。一旦選擇好變量，設計團隊就要識別那些對汽車的燃油經濟性影響最大的變量。 

    靈敏度分析是分析對系統(tǒng)影響最大的參數(shù)的最有效的辦法。利用靈敏度分析，可以分析汽車的燃油經濟性隨各系統(tǒng)參數(shù)變化而變化的情況。這些參數(shù)以及它們對混合動力汽車性能的影響，成為其它設計過程的焦點。 

根據(jù)變量分析系統(tǒng)的性能 

    識別了關鍵參數(shù)之后，下一步就是考察這些參數(shù)的變化對混合動力汽車燃油經濟性的影響。根據(jù)對該系統(tǒng)的了解，設計團隊建立了關鍵參數(shù)的數(shù)值范圍，并為掃描整個數(shù)值范圍設定了仿真指令。 

     掃描參數(shù)的變化范圍是一種重要的能力。設計團隊必須設置仿真器，使之以一系列循環(huán)的方式自動執(zhí)行，來掃描設計參數(shù)的變化范圍。這就讓仿真器能夠覆蓋每一個可能的參數(shù)組合，讓設計團隊完全掌握燃油經濟性受影響的情況。參數(shù)分析的目標就是建立每一個關鍵系統(tǒng)參數(shù)的數(shù)值范圍。這種數(shù)值范圍然后被轉換為用于統(tǒng)計分析的額定數(shù)值加上容差。 

優(yōu)化系統(tǒng)性能 

     在這個階段，設計團隊要很好地掌握系統(tǒng)參數(shù)變化對燃油經濟性的影響，要實現(xiàn)提高燃油經濟性的補償技術，并確定選擇哪一個組來獲得最佳的系統(tǒng)性能。下一步就是根據(jù)所有可能的設計參數(shù)數(shù)值的組合，來驗證汽車的燃油經濟性。 

     這是利用統(tǒng)計分析實現(xiàn)的。根據(jù)參數(shù)分析的結果，設計團隊把容差分配給系統(tǒng)中已識別的關鍵參數(shù)。關鍵參數(shù)的列表應該包括那些在靈敏度分析中發(fā)現(xiàn)的參數(shù)。其目標是驗證燃油經濟性，因為設計參數(shù)在容差范圍內是隨機變化的，并且與其它參數(shù)在設計中組合在一起。最終結果應該是在整個系統(tǒng)變量的寬變化范圍內燃油經濟性都得到優(yōu)化的一臺混合動力汽車。 

評估系統(tǒng)的壓力和故障模式 

     確保系統(tǒng)可靠性的最終步驟是分析對系統(tǒng)組件的壓力，然后，考察系統(tǒng)中關鍵組件失效后所發(fā)生的現(xiàn)象。 

     壓力分析被用于分析壓力對混合動力汽車組件的影響，設計團隊把最大的壓力額定值作用在這些組件上，并在需要的地方降低定額值。該仿真器利用這個信息來確定正在工作的組件距離“最大”或“降低定額值”有多遠？設計團隊然后就可以在需要的地方采取正確的行動。 

    故障模式分析的作用是驗證系統(tǒng)的性能，因為關鍵的組件開始就設置為故障模式。設計團隊必須首先選擇燃油經濟性測量的可接受范圍。然后，選擇關鍵組件，使其在分析期間失效，并定義組件的故障機制。 

    故障模式分析然后運行一系列造成所選組件失效的分析。燃油經濟性在分析過程中受到監(jiān)測以觀測系統(tǒng)—即使出現(xiàn)故障之后—是否在指標內繼續(xù)執(zhí)行。最終結果是一份詳細描述組件失效以及是否通過燃油經濟性衡量標準的分析報告。 

本文小結 

   混合動力汽車是一種新型且不斷演變的、復雜的交通系統(tǒng)，它全面利用了機械、電氣和軟件技術，從而使系統(tǒng)集成更具有挑戰(zhàn)性，其且設計過程比傳統(tǒng)的汽車要復雜得多?；旌蟿恿ζ囅到y(tǒng)的高度復雜性引發(fā)了越來越多的可靠性問題。設計團隊需要一種有組織的設計方法來解決這些系統(tǒng)的復雜性問題，并確保滿足可靠性目標。 

   魯棒設計方法提供了解決復雜系統(tǒng)設計問題的系統(tǒng)設計方法。把魯棒設計原則與虛擬原型實踐相結合，包括建模和仿真，就賦予設計團隊優(yōu)化混合動力汽車的性能、可靠性和成本的有力工具。為了在混合動力汽車開發(fā)項目中建立魯棒設計工作流程，設計團隊要采用像新思公司Saber這樣的先進仿真工具。利用這些工具，設計團隊就能分析和驗證復雜的混合動力汽車系統(tǒng)的性能。