ANSOFT產品在汽車電子及系統(tǒng)設計中的應用

隨著現代電子信息技術的飛速發(fā)展和中國汽車制造業(yè)的強勁增長，現代電子技術、信息技術已經成為汽車制造技術中不可或缺的一個主要分支。統(tǒng)計數據表明，汽車電子產品的平均費用已占整車的30%左右。隨著燃油價格的飛漲和公眾對安全、節(jié)能和環(huán)保問題的高度關注，同時，消費者對汽車智能化、電子化、信息化、網絡化提出的更高要求，使得汽車電子產品已經廣泛而深入地應用到汽車的各個子系統(tǒng)中。比如發(fā)動機和燃油控制系統(tǒng)、ABS和汽車穩(wěn)定控制系統(tǒng)、燈光和照明系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、舒適便利裝備以及安全防護等各個方面。

現在，汽車已經成為高度機電一體化的產品，汽車電子產品的設計會涉及到機械、動力、電子、電磁、控制等多個領域，使汽車電子及系統(tǒng)的設計變得更加復雜和具有挑戰(zhàn)性，從而采用傳統(tǒng)的設計方法已無法應對，而需要更加先進的設計方法。作為業(yè)界領先的機電系統(tǒng)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電子設計的各種挑戰(zhàn)，并高效率地實現高性能的設計，以在激烈的市場競爭中占得先機。

基于Ansoft虛擬設計平臺的ABS設計與分析

傳統(tǒng)的機械式防抱死制動系統(tǒng)(ABS)由于沒有電控單元(ECU)，只能通過一些傳動裝置來模仿電子式ABS的功能，這就要求駕駛者在剎車時要由輕到重地踩剎車踏板，才能使其制動效能發(fā)揮最好，而駕駛者在遇到緊急情況時的本能反映都是猛踩剎車踏板，因而汽車很容易“甩尾”或轉向失靈，從而造成交通事故。

針對傳統(tǒng)機械式ABS存在的問題，汽車生產商開發(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，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系統(tǒng)的精確設計問題，傳統(tǒng)的方法是反復試制原型樣機，不僅造成人力、物力和時間的巨大浪費，而且在性能穩(wěn)定性方面將會面臨巨大挑戰(zhàn)。

針對這一技術挑戰(zhàn)，Ansoft公司為ABS廠商提供了一個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題，而且還可以實現ABS從行為級到設備級的多層次建模、設計與分析。

為使ABS模型不用進行數學模型轉換和簡化就可在不同組織和仿真產品之間方便地交互，在Ansoft機電系統(tǒng)仿真分析平臺Simplorer中建立一個車輪的ABS模型時，采用了國際標準的VHDL-AMS建模語言，其模型如圖1所示。

圖1中，ECU通過輪速感應器監(jiān)測車輪的轉速，當車輪快要抱死時，ECU會發(fā)出指令給電磁閥，通過調節(jié)進油閥和出油閥的開關信號，調節(jié)輸入車輪制動分泵的油量，以“一放一收”的形式來控制剎車，使車輪處于一種臨界抱死的間歇滾動狀態(tài)，避免車輪抱死現象的發(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雖然建立了車輪的動態(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際的系統(tǒng)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行基于物理原型的精確建模和有限元分析，并通過參數化設計提取其Simplorer系統(tǒng)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系統(tǒng)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，并預測車輪和車輛速度降為零的時間，但由于其不能精確地考慮速度傳感器和電磁閥實際的電磁特性，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禍。由于基于物理原型的仿真結果可無限精度地逼近真實的測試結果，因此Ansoft公司可針對ABS的設計，提供從部件到系統(tǒng)、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Ansoft虛擬設計平臺的其它汽車電子及系統(tǒng)設計

在汽車點火系統(tǒng)中，由于點火器所需要的高壓電弧特性(電壓高低、能量大小、電弧延續(xù)時間長短等)對發(fā)動機點火過程和運行性能有很大影響，因此需要對點火線圈進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)的進程，在前期研發(fā)階段，可采用Maxwell 2D對點火線圈進行了建模和有限元分析(此時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)，并通過參數化設計，獲得點火線圈最優(yōu)的電磁特性。

此外，為分析和測試整個點火系統(tǒng)的性能，采用了Simplorer來實現電子控制，建立基于物理原型的點火系統(tǒng)仿真分析模型。仿真結果表明：點火系統(tǒng)上輸出的電壓能達到設計要求，且和實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限精度地逼近測試結果，需要進行一些后續(xù)工作，包括：建立Maxwell和Simplorer協(xié)同仿真分析模型進行測試、建立點火線圈的三維模型并基于三維有限元分析來計算電容和鐵耗、采用設備級的IGBT做系統(tǒng)仿真等)。

Ansoft虛擬的設計平臺還可方便地實現EV/HEV的電機從部件到系統(tǒng)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的電機及驅動系統(tǒng)設計和分析、以及汽車系統(tǒng)的EMI/EMC分析等。例如：火花塞在工作時會對汽車造成很大的電磁干擾，從而使其它設備誤動作或控制失常。為精確分析其電磁特性及所造成的干擾，可采用Maxwell 3D進行精確建模，并通過Maxwell和HFSS之間的場耦合，將火花塞在正常工作時產生的電磁干擾耦合到HFSS,進而分析該干擾對整個汽車造成的影響，如圖9所示。

圖5：基于Maxwell 2D有限元分析的點火線圈磁密及磁力線分布

圖6：基于物理原型的Simplorer點火系統(tǒng)仿真分析模型

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

圖8：基于物理原型的Simplorer EISG系統(tǒng)仿真模型

圖9：基于Maxwell和HFSS場耦合的火花塞EMI/EMC分析

本文小結

針對傳統(tǒng)汽車電子部件及系統(tǒng)設計存在的諸多問題，本文提出采用EDA工程軟件來加速汽車從部件到系統(tǒng)設計開發(fā)過程，并結合一些汽車電子及系統(tǒng)設計的應用實例，展示了基于物理原型的Ansoft虛擬設計平臺在汽車產品設計中的諸多技術優(yōu)勢。事實證明，利用Ansoft的設計平臺，可加速汽車生產商的研發(fā)進度，降低研發(fā)成本，提高產品質量，確保汽車生產商以更低的成本并以更短的周期開發(fā)出更好的產品，從而能夠使汽車生產商處于最具有競爭力的技術前沿。