车辆系统架构创新设计浅谈

前言

最近的十几年时间里，汽车工业的技术发展非常迅速，由之前机械化逐步转变为电气化，同时，汽车的零部件也是越来越多，由之前的纯发动机向纯电动、混合动力发展，无论是我国还是欧美、日本等众多车企均给出了自己的燃油车停售时间表，而很多国家同样也给出了燃油车禁售时间计划在此就列举了。对于车企来说，如何向消费者推出具有竞争力的产品是一个巨大的挑战，所以，设计研发一款既有“外在美”又有“内涵的”且买得起的车是车企成功的不二法门。那么，今天就浅谈在一下如何做到在“有内涵”，但是呢，也得考虑买得起，毕竟钱是万能的，可以不计代价地砸出来内涵来。

不同的动力架

今天给大家介绍一下创成式工程，创成式工程（Generative Engineering）是一个创新的架构设计过程。它是在给定一些约束条件下，根据设计者的设计意图，通过创成式设计来产生多种可能的可行性架构设计方案，然后通过机器推理技术（Machine Reasoning）或其他技术进行综合对比，通过设计者进行最后的决策并筛选出最优设计方案。复杂系统的设计过程我们也可以称为创造或创新过程，因为设计过程需要极强的创造力，而创成式工程在系统架构设计过程中，完全可以帮助企业通过创成和验证满足需求的创新解决方案来有效地进行设计空间的探索，利用算法和基于知识的推理方法来自动生成选项，并且协助用户向下选择替代方案并验证最佳概念和设计，也就是说创成式工程旨在支持从产品创意到最终产品的工作流程。

车辆开发V流程（早期设计）

创成式架构主要用于项目早期或者预研项目中，对车辆动力系统架构或热管理系统架构进行初步的仿真分析，并评估不同的架构的关键性能指标。大致的流程如下：

1) 通过使用Amesim搭建部件模型（如电机、电控、发动机、减速器以及热管理部件水泵、阀门、换热器等）

2) 然后通过Simcenter Studio软件进行架构创成设计，并基于零部件数量的限定（如限定双电机车型），如果有其他限定条件也可以进行定义

3) 然后通过Studio内部的算法进行模型的组合搭建

4) 通过大量的模拟计算，提取关键性能指标，并打分

5) 对不同的架构的得分情况进行统计并排名，得出一定数量的且满足性能要求的系统架构

创成式架构开发流程

 动力架构创成

下面我们以某混合动力车型的动力架构为参考架构，进行动力系统架构的创成 

某混合动力车型的动力架构

基于，发动机、电机的数量和位置及相关组合，用于进行动力架构的设计，包括：

1. 发动机与电机的连接方式(并联,串联)

2. 发动机的位置 

3.电机的位置

4. 驱动形式（前驱、后驱或者四驱）

下图展示的便是生成的不同驱动架构类型，有26中方案 ：

不同的驱动架构类型

在完成动力部件数量和拓扑连接的定后，我们变可以对发动机及电机的性能设定不同的参数，该混合动力车型的基础参数，当然了，我们可以基于某些参考车去定义，就那前文中所提到的某混动车为参数基础，其基础参数为：1.5 L的发动机，发动机的额定功率为96kW,额定扭矩为250 Nm，基础参数及调整变化参数的具体数值见下表。

基础参数及变化参数

这些参数将被用于创建不同的Amesim零部件模型，并以这些零部件的模型为基础，进行后续动力架构的性能仿真。对于动力架构，大家都会比较关心油耗及零百加速时间，我们可以提取对应的结果，并进行分析，我们可以发现不同的发动机、电机性能及驱动方式的组合的油耗及加速时间，另外，由于进行了大量的计算，我们也能寻找到一定的规律，比如四驱的油耗相对两驱的油耗高，但是加速时间短。有了这些规律，我们便可以做更进一步的详细分析。 

百公里油耗及零百加速时间

不同配置下车辆速度

如果想要提取最高车速、高速超车、最大爬坡能力等，只需要根据我们自己的需求进行定义就可以了，我们也可以把相关的结果数据导出，在Excel中进行结果比对比，并结合零部件的成本、性能及系统表现进行综合评价。

 热管理架构创成

当然，除了可以做动力系统架构，也可以做热管理系统架构的创成。如下是某EV车型的热管理架构，我们基于该套架构下的零部件参数，将这些零部件参数作为基础参数，进行了部分参数的数值调整，并进行不同热管理部件的物理拓扑连接。

某EV热管理系统架构模型

关键零部件参数及子模型如下：

我们完成架构配置设定后，便可进行仿真，进行快充模拟、动力冷却、电池冷却等公开进行模拟，如下是该电动车快充是充电温度达到30摄氏度，电池SOC的状态：

快充SOC在电池达到最高温度30摄氏度的时间

不同热管理架构的成本 

不同架构电池包最高温度变化

在这里只是抛砖引玉地展示了部分结果，我们可以依据实际项目中所关心的参数进行大量的性能模拟预测，以此来评估不同架构的性能、价格等属性。

 技术展望

打破常规，不能被我们过去的一些观念所限制，我们要以开放的、自由的、包容的心态去做技术创新，本文虽然只粗犷地介绍了汽车的动力系统架构和热管理系统架构的创成，但是创成的行业可以拓展到船舶、航空、航天，当然，其他很多行业也是适用的。笔者个人是对于Tesla多款车型所带来的技术创新是非常佩服的，某些技术创新，甚至是可以称得上是技术革命。当然了，笔者也接触过很多国内车企，很多车企也在积极努力地创新（具备真正的创新、研发的企业才有活下去的资本，也才配活下去），我相信有一天，部分国内车企必然会成为众多国内外车企的标杆，最终实现从“一直在模仿，从未有超越”转变为“一直被模仿，从未被超越”。那我们就从车辆架构的创新开始吧。