電氣網絡設計

隨著現代車輛中電氣部分的增加，車輛性能越來越依賴于電氣網絡。電氣網絡承擔著為整個車輛供電的重任。電氣網絡主要包括以下三部分：電源、負載、線纜。這些部件之間相互作用、相互依賴，使得電氣網絡的設計非常復雜。電氣網絡設計中的能量管理需考慮工況循環和負載切換，這兩部分對整個系統的性能和可靠性有重要的影響。典型的“設計-原型測試”設計方法已無法滿足準確的系統分析的要求。更好的方法是采用軟件工具設計和仿真系統的虛擬原型。Synopsys○R的Saber○R是汽車電氣系統仿真的實際標準，在全球的電氣網絡設計中都有應用。在Saber○R中分析電氣網絡的原理圖如圖1所示，包括了主要的高層系統模型。他用Saber○R后，設計人員可以把先進的仿真和數據分析與準確、靈活的器件建模結合起來。

設計過程的第一步是建立系統的基本設計，這包括通過仿真選擇大小合適的發電機和電池。當發電機和電池的大小確定后，下一步是負載平衡仿真，實現電能管理，分析負載效應．確保通常情況下系統功能正確。初步設計結束后，開始進行工況循環和負載切換的測試。

能量管理

能量管理技術是設計和測試的一部分，它負責匹配電氣網絡的發電能力和負載需求，包括調節發電機所發出的電量，控制從電池中吸取的電量及根據需求開、關負載，以保證車輛關鍵部件有足夠的能量運行。能量管理系統必須保證電池有足夠的剩余電量來啟動車輛。現代的能量管理通常用嵌入式軟件實現。有許多嵌入式軟件設計工具，但大都局限于軟件代碼。對于電氣網絡設計．代碼設計軟件和系統設計軟件需要協同仿真，比如Saber○R和Mathworks○R的Simulink的協同仿真。設計人員用Saber○R設計系統的硬件，用Simulink設計系統控制算法。Saber○R/Simulink協同仿真接口使工程師可以同時設計系統的軟件和硬件部分。

工況循環測試

系統設計過程中很重要的設計過程是工況循環測試，包括分析一系列駕駛情況下系統的性能。某些駕駛情況模擬城市，包含停車起步過程及其他些模擬高速公路的情況。工況循環直接影響電氣網絡的工作狀態。發動機轉速決定了發電機可以提供的用來驅動電氣負載和給蓄電池充電的電量。為了對系統性能有準確的理解，系統設計人員必須分析不同工況循環下電氣系統的負載需求。

工況循環可以分為兩類：暫態（Transient）和模態（Modal）。暫態模擬了停車起步的行駛狀況，發動機速率持續變化。在暫態工況循環中，發電機不可能滿足電氣系統的所有需求，這意味著系統總是依柏電池供給峰值電能。模態工況循環是持續恒定的發動機速度。在模態工況循壞中，發電機通常可以滿是所有電氣系統的能量需求。在不同的發動機速度和負載需求下．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模型庫中的幾種工況循環的波形。

負載切換當基本設計完成后。建立了工況循環，剩下的就是整理工況循環有關的負載切換。工況循環不隨季節變化，而負載切換隨季節變化得非常明顯。例如，冷天的負載通常需包括幾個加熱模塊，天氣轉暖的負載只是電動窗或換氣扇，更熱的滅氣則需要空調。

負載切換狀態也需要考慮工況循環的長度。通常工況循環前期的電氣系統負載要大干工況循環后期的負載。工況循環時間越長，后期負載越輕。在正常情況下，工況循環初期的負載會超過2kW，隨著循壞進行，會降到IkW以下設計人員需控制負載切換使之符合工況循壞時間，也就是說在初期打開較多的負載．后期打開較少的負載。有些負載本身可能隨時間變化。例如，有些負載有3種工作狀態：開、關和休眠．不同的狀態消耗不同的電能。Saber○R允許設計人員在不同的工況循環下設置每個負載的狀態和負載開關文件。Saber○R還支持恒定負載、隨速度變化的負載和隨時間變化的負載。

通過了初始的工況循環和負載切換測試，電氣系統的基本設計就已經建立好了，此后設計人員還需保證系統的可靠性。事實上，可靠性因素是電氣網絡設計過程中不可分割的一部分，應該從設計初期就開始考慮。為了處理好復雜系統，設計人員需采用有組織的設計方法。穩健性設計方法正是這樣一個適用于電氣網絡設計的有組織的設計方法。

電氣網絡可靠性

為了保證電氣網絡的可靠性，設計人員需采用有組織的設計方法來設計系統。穩健性設計方法是有組織的，經過驗證可以提高系統可靠性。穩健性設計原理給設計人員提供了處理復雜系統問題的可重復設計過程。如圖3所示，典型的穩健性設計方法考慮了影響系統性能的3個因素。輸入信號顯示了需要系統做出響應的部分。這里不管是內部的還是外部的變化，都會使得性能偏離基本設計。設計人員能夠通過實現控制方法來補償變化，從l而提高系統性能。

圖3顯示了影響系統性能的各種因素。穩健性設計著重于減少變化對系統性能和可靠性的影響。引起變化的因素有器件參數的變化，包括生產引起的、使用引起的、環境引起的和老化引起的變化。每一項變化都會對系統的可靠性造成重大影響。穩健性設計的關鍵目的是優化系統設計，使之達到最佳的性能、可靠性和成本，同時考慮可能對系統性能有重大影響的變化因素。

虛擬原型對穩健性設計是來說是很關鍵的。若沒有虛擬原型，測試每個變化就需要建立新的原型或修改已有的原型，這既耗時又昂貴，而且很難實現。通過采用虛擬原型技術，設計人員能夠在傳統的“設計-原型-測試”流程的時間和預算范圍內完成更多的洲試。仿真和建模是完成一個有效的穩健性設計流程的關鍵。