图1  HEV设计的系统级模型的实现

随着能源安全、燃油价格以及环境问题的加剧，汽车行业为设计出高效节能型环保汽车所面临的压力也越来越大。经过近 15 年的研究，目前汽车工程师已开发出一系列基于电力传动的汽车设计，这些设计包括纯电动、氢燃料和各种形式的混合动力电动汽车（HEV）。无论是一般的还是 HEV 这类特别的电力传动设计，都面临一大堆难题。基于模型的设计可以有效地帮助汽车工程师解决公司在实现这些设计时所不可避免的难题。

对于HEV，电动机和汽油机通过功率分配器联结并为传动轴提供能源。在实际运行中，使用行星齿轮来实现功率分配器功能。这样一来，增加了控制电机组件的非线性动态方程，从而使系统的数学复杂度变得更高。为了提高燃料效率，设计时需要可以管理这些联结电源的策略。为进一步提高能源密度，常常使用永磁同步电机（PMSM）。另外，对各种组件如引擎、电机、行星齿轮、发电机以及电池的核心设计进行优化，也可以节省大量燃料。

HEV设计难题

除了固有的设计复杂度，在 HEV 的构建中还会遇到开发流程复杂度问题。各种组件的高度耦合要求不同的工程团队彼此协作并共享各自的设计。这会带来多领域设计的复杂度问题。例如，需要有专门的团队负责引擎设计、电池以及电力电子的设计。为了确保最终设计能够满足整体设计目标，需要这些团队经常进行协作、交流并交换各自的设计；需要将这些组件进行系统级的集成，从而形成整体设计；此外，团队在确保其设计满足要求且没有错误的同时，还需要按时完工。这些约束需要不同团队并行设计，以便于团队之间的有效协作。传统方法，如基于纸质文档的线性工作流程，会增加在开发流程后期才检测到设计错误的可能性，从而使成本变得更高。此类流程不适合实现需要非线性工作流程的 HEV 设计。即使采用基于软件工具的设计方法，由于不同团队所使用的开发环境不尽相同，因此创建适用于不同组件设计的接口非常困难。

图2  同步发电机和驱动的系统级模型：扭矩和速度控制的相关控制器是简单的PI控制器

基于模型的设计设法解决并改进与这些流程相关的众多不足。其核心理念是，从需求捕获和设计到实现和测试，开发流程都以系统模型为中心。该系统模型是可执行的设计文档，可在整个设计过程中将仿真作为关键的校验和验证步骤对其进行细化。也就是说，这个可执行的规范成为所有团队通过仿真来检查其设计是否符合要求的“惟一标准”。在包括软件和硬件实现需求时，如定点和时序行为，会自动生成用于嵌入式应用的代码和用于系统验证的测试台架，这样不仅节省时间，还可避免引入手工编码的错误。

将基于模型的设计用于高度复杂的系统（如 HEV），由于具有高度专业化的功能组件，通常适用“分步解决”的方法。在最初阶段，需要构思出适用于整体系统模型的可执行设计文档，并使相互关联的组件能够满足广泛级别的要求。采用适当的详细程度或模型逼真度，可以更快速地进行仿真以便于在开发过程的早期讨论可行性问题。然后，专家团队将这些可执行设计文档作为指导来开展具体组件的设计工作。随着模型细化的进行，需求会同时在系统级别和组件级别进行优化。在设计迭代之后，会将组件进行集成，从而得到最终的解决方案。下文中的案例研究会阐述基于模型的设计如何支持这些核心理念。

案例研究

本案例研究基于设计实验，用以理解基于模型的设计，尤其是可执行设计文档和设计仿真的使用，以及最新的设计工具，如何能够有效地应用于HEV开发。

在HEV设计的最初阶段，要为整个系统定义宽泛的需求是非常容易的。例如，如果需求主要关注的是燃油经济性，在必要的时候我们可以降低性能方面的需求。在一组行驶工况中，我们使用了以下适中的燃油经济性和性能需求：

（1）燃油效率>36.5mpg ；

（2）25s内 0～0.25mile：初始加速度有助于确定电机要求，因为引擎低速下无法提供扭矩，这时大多数功率是由电机提供；

（3）120mile/h的最高速度：最大速度是必需的，因为在该速度下的功率应由引擎和电机一起提供，这就保证其他速度和该最大速度之间的所有速度下的功率都可以通过电池和汽油机的组合来实现。

图3  左侧图是概念框架（A），右侧图是以Stateflow实现的相关可执行设计文档（B）

图1展示了HEV系统级功能组件化模型在Simulink中的实现。系统级建模通过模块相互关联性使系统体系结构变得直观可见，有助于更好地理解复杂的系统。

图2展示了一个低逼真度模型，该模型基于发电机驱动扭矩、速度和控制电压之间的数学关系。这种详细程度大幅提高了仿真速度，因为我们无需处理在相关电力电子电路中可能出现的高频切换。

图3展示了系统电源管理算法的实现。在图3（A）中，展示了包括引擎、电机和发电机“开/关”状态的概念框架。汽车模式定义如下：

（1）低速/启动：电机提供初始加速所需的全部扭矩；

（2）加速：当汽车达到预定的速度时，引擎开始和电机一起提供功率；

（3）慢行：如果车辆保持恒定速度，则电机会关闭，而发电机会开启，发电机会使用引擎的部分功率来为电池充电；

（4）制动：如果刹车，则引擎和发电机都会关闭，电机会像发电机一样为电池充电。

在图3（B）中，我们将概念设计转换成以Stateflow进行建模的层级状态图。该可执行设计文档和模型的其他部分被一起仿真和测试。

相比于需求，以下结果来自对系统级模型进行的仿真和测试：

（1） 燃油效率>36.5mpg（满足需求）；

（2） 25s内 0～0.25mile：25s内 0～0.2mile（不满足需求）；

（3）120mile/h的最高速度：100mile/h的最高速度（不满足需求）。

对于我们而言，燃油效率比性能更为重要，因此我们比较倾向于降低最后两条需求。一旦对逼真程度和结果感到满意，便会将系统级模型中的组件送交给相关领域专家进行细化。

下面，举例介绍如何对之前提到过的组件（同步发电机和驱动）进行细化。电机和驱动专家研究了各种机械手册，并检查了可用机械传动的规范以及他们的Simulink控制器模型库。系统级组件中的宽泛需求为工程师对组件进行优化和改进提供了足够的空间，同时确保设计的实用性。

图4  同步发电机和驱动的模型精化：相关控制回路以紫色显示

图4展示了包括机器、电力电子电路和相关控制器的细化模型。将三相交流电永磁同步机和直流电电池一起使用时，必须使用三相逆变器/整流器。由于机器设计经过细化，因此使用速度和多控制回路的相关控制器变得非常复杂。

通过逐个替换每个组件，将细化的设计集成到相同的系统级模型中。以下是细化的系统级模型首次设计迭代的结果摘要：

（1）燃料效率>36.5mpg（不满足需求：30.0mpg）

（2）25s内 0～0.25mile（满足需求）

（3）120mile/h的最高速度：96mile/h的最高速度（不满足需求）

通过设计的首次迭代，可以清楚地看到，模型细化导致很多需求都无法满足。将模型作为可执行设计文档和具有仿真功能的设计，有助于尽早检测到这些问题。另外，通过使用协作环境，可以用创新的方式进行选择 ——放宽系统级需求，以更好的需求重新进行整个系统级设计，或者重新进行组件设计。在这种情况下，我们发现同步机器和驱动中的功耗主要与性能降级有关，于是我们将有限的资源更多地用于在该方面的设计改进上。通过进行更多的设计迭代，有助于符合我们的设计需求。

小结

HEV已成为汽车行业的重要趋势。然而，相比于传统的汽油车，HEV 的设计明显要复杂得多。HEV 开发要求在多个工程领域之间进行协作和优化。基于模型的设计允许在所有团队之间以及整个开发的不同阶段重复使用设计信息。这种方法在构建实际硬件之前对系统行为进行建模和仿真，从而带来更低成本、节省更多时间以及客户满意度更高等诸多好处。