可靠的车辆电气网络设计分享

电气网络设计

随着现代车辆中电气部分的增加，车辆性能越来越依赖于电气网络。电气网络承担着为整个车辆供电的重任。电气网络主要包括以下三部分：电源、负载、线缆。这些部件之间相互作用、相互依赖，使得电气网络的设计非常复杂。电气网络设计中的能量管理需考虑工况循环和负载切换，这两部分对整个系统的性能和可靠性有重要的影响。典型的“设计-原型测试”设计方法已无法满足准确的系统分析的要求。更好的方法是采用软件工具设计和仿真系统的虚拟原型。Synopsys○R的Saber○R是汽车电气系统仿真的实际标准，在全球的电气网络设计中都有应用。在Saber○R中分析电气网络的原理图如图1所示，包括了主要的高层系统模型。他用Saber○R后，设计人员可以把先进的仿真和数据分析与准确、灵活的器件建模结合起来。

设计过程的第一步是建立系统的基本设计，这包括通过仿真选择大小合适的发电机和电池。当发电机和电池的大小确定后，下一步是负载平衡仿真，实现电能管理，分析负载效应．确保通常情况下系统功能正确。初步设计结束后，开始进行工况循环和负载切换的测试。

能量管理

能量管理技术是设计和测试的一部分，它负责匹配电气网络的发电能力和负载需求，包括调节发电机所发出的电量，控制从电池中吸取的电量及根据需求开、关负载，以保证车辆关键部件有足够的能量运行。能量管理系统必须保证电池有足够的剩余电量来启动车辆。现代的能量管理通常用嵌入式软件实现。有许多嵌入式软件设计工具，但大都局限于软件代码。对于电气网络设计．代码设计软件和系统设计软件需要协同仿真，比如Saber○R和Mathworks○R的Simulink的协同仿真。设计人员用Saber○R设计系统的硬件，用Simulink设计系统控制算法。Saber○R/Simulink协同仿真接口使工程师可以同时设计系统的软件和硬件部分。

工况循环测试

系统设计过程中很重要的设计过程是工况循环测试，包括分析一系列驾驶情况下系统的性能。某些驾驶情况模拟城市，包含停车起步过程及其他些模拟高速公路的情况。工况循环直接影响电气网络的工作状态。发动机转速决定了发电机可以提供的用来驱动电气负载和给蓄电池充电的电量。为了对系统性能有准确的理解，系统设计人员必须分析不同工况循环下电气系统的负载需求。

工况循环可以分为两类：暂态（Transient）和模态（Modal）。暂态模拟了停车起步的行驶状况，发动机速率持续变化。在暂态工况循环中，发电机不可能满足电气系统的所有需求，这意味着系统总是依柏电池供给峰值电能。模态工况循环是持续恒定的发动机速度。在模态工况循坏中，发电机通常可以满是所有电气系统的能量需求。在不同的发动机速度和负载需求下．还可以有多余的电量给电池充电。有许多种工况循环可以选择，Saber○R中已有了不少此类模型。图2所示为Saber○R模型库中的几种工况循环的波形。

负载切换当基本设计完成后。建立了工况循环，剩下的就是整理工况循环有关的负载切换。工况循环不随季节变化，而负载切换随季节变化得非常明显。例如，冷天的负载通常需包括几个加热模块，天气转暖的负载只是电动窗或换气扇，更热的灭气则需要空调。

负载切换状态也需要考虑工况循环的长度。通常工况循环前期的电气系统负载要大干工况循环后期的负载。工况循环时间越长，后期负载越轻。在正常情况下，工况循环初期的负载会超过2kW，随着循坏进行，会降到IkW以下设计人员需控制负载切换使之符合工况循坏时间，也就是说在初期打开较多的负载．后期打开较少的负载。有些负载本身可能随时间变化。例如，有些负载有3种工作状态：开、关和休眠．不同的状态消耗不同的电能。Saber○R允许设计人员在不同的工况循环下设置每个负载的状态和负载开关文件。Saber○R还支持恒定负载、随速度变化的负载和随时间变化的负载。

通过了初始的工况循环和负载切换测试，电气系统的基本设计就已经建立好了，此后设计人员还需保证系统的可靠性。事实上，可靠性因素是电气网络设计过程中不可分割的一部分，应该从设计初期就开始考虑。为了处理好复杂系统，设计人员需采用有组织的设计方法。稳健性设计方法正是这样一个适用于电气网络设计的有组织的设计方法。

电气网络可靠性

为了保证电气网络的可靠性，设计人员需采用有组织的设计方法来设计系统。稳健性设计方法是有组织的，经过验证可以提高系统可靠性。稳健性设计原理给设计人员提供了处理复杂系统问题的可重复设计过程。如图3所示，典型的稳健性设计方法考虑了影响系统性能的3个因素。输入信号显示了需要系统做出响应的部分。这里不管是内部的还是外部的变化，都会使得性能偏离基本设计。设计人员能够通过实现控制方法来补偿变化，从l而提高系统性能。

图3显示了影响系统性能的各种因素。稳健性设计着重于减少变化对系统性能和可靠性的影响。引起变化的因素有器件参数的变化，包括生产引起的、使用引起的、环境引起的和老化引起的变化。每一项变化都会对系统的可靠性造成重大影响。稳健性设计的关键目的是优化系统设计，使之达到最佳的性能、可靠性和成本，同时考虑可能对系统性能有重大影响的变化因素。

虚拟原型对稳健性设计是来说是很关键的。若没有虚拟原型，测试每个变化就需要建立新的原型或修改已有的原型，这既耗时又昂贵，而且很难实现。通过采用虚拟原型技术，设计人员能够在传统的“设计-原型-测试”流程的时间和预算范围内完成更多的洲试。仿真和建模是完成一个有效的稳健性设计流程的关键。