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善用模拟平台 提升台湾电动车产业竞争力
 

【作者: 王明德】2018年10月19日 星期五

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电动车近年来虽然成为全球产业焦点,不过从整体车辆市场来看,电动车总量并不大,整体市场还没完全被开拓出来。目前电动车应用的车种只有两种,一是不得不用,这种是在特定区域内使用,像是蔬菜批发市场、工厂等,在能源与便利性的考量下采用。另一种则是归类到奢侈品,就像美国这几年发展的纯电动超跑TELSA,这类先走在高端的车辆。由这两类来看,可以观察出电动车目前的使用族群,都是要有其特殊目的,因此整体数量欲大不易。


既然市场商机仍未大幅浮现,台湾电动车业者的出处何在?其实台商产品延伸的机会很多。市面上的车辆类型众多,包括内燃机、复合动力车、电动车等,各种动力系统都有。电动车内部设计以电动为主,复合动力车里面则包含引擎与电动车的动力零部件,因此即便电动车市场尚未蓬勃,但复合动力车中的电动零部件数量却快速增加。因此若换个角度来看,电动车市场的崛起速度就不是那麽重要,台湾业者可以先转而开拓复合动力车市场,这也是目前的真正市场所在。


提升设计能力 创造竞争优势

不过虽然电动车市场仍未成型,但复合动车市场已经开始启动,台湾厂商主要以零部件出货为主,零部件需配合整车设计,在缺乏整车环境与经验下,台商要如何设计出符合国际标准的产品?台湾厂商向来较缺乏独立设计能力,以往的设计多是按图施工,在知其然不知其所以然的情况下,往往只能做低毛利的代工,复合电动车市场开始浮现後,台湾厂商不能再维持旧有模式,必须培养自有的设计能力,对此台湾厂商可透过电动车设计模拟平台提升的电动车零部件设计能力。



图1 : 电动车的零组件开发需要透过层层模拟设计,以提升设计的质量与速度。(Source: Springer Link)
图1 : 电动车的零组件开发需要透过层层模拟设计,以提升设计的质量与速度。(Source: Springer Link)

电动车设计模拟平台是协同工程的一种,让系统中每一部份零部件,在初期时就让设计趋於一致。当车体更改设计,零部件设计者马上就会得知讯息,自动配合调校,对汽车这种零部件多、设计规模庞大的产品,错误发现时间与成本支付数成反比,越早发现,所付出的资源与成本越小,越後期,其变动的部份会越趋庞大,成本自然也越高。协同工程可以让多方设计者共同使用平台,设计变动的第一时间,就让所有人知道所有资讯,进而使设计同步化。


电动车设计模拟平台的平台设计着重在以系统化方式,此平台必须让软硬体整合,由於准确度是模拟平台的关键,而资料库中的资讯量对准确度有关键性影响,因此现在这类型平台都会以实车在外实测,撷取、累积实际资料与测试条件,提升准确率。另一则是关键叁数的设定,关键叁数对模拟系统的准确性非常重要,建立虚拟模型时,必须出各种叁数的重要性排序,以提升准确性。



图2 : 电动车模拟平台都会以实车在外实测,撷取、累积实际资料与测试条件,提升准确率。(Source: BenJM)
图2 : 电动车模拟平台都会以实车在外实测,撷取、累积实际资料与测试条件,提升准确率。(Source: BenJM)

虽然如今准确性已大幅提高,不过市场上的车种相当多,每种车的特性不同,这些特性会让系统拟真度出现瓶颈,单一车种的模拟叁数无法套用到全部车种,当某一叁数不准时,会连带影响到接下来的数据,因此必须让该类型实车先跑一遍,掌握住重要关键叁数,让资料数据更接近实车,建立回归机制,让虚实整合出最隹化模拟环境,未来若有其他车种要模拟,一样的流程也是要重跑一遍,而这些回归的经验,也建立了平台的不可取代性。


纵横两轴并进 提供完整解决方案

就整体系统特色来看,电动车设计模拟平台的特色包括纵横两个轴向,纵的方面从车子到零部件,横向从模拟到设计到验证,平台将这两个轴向进行最隹化设计,不过最隹化设计必须对所有技术细节了解甚深。模拟分析主要是预测产品设计是否符合需求,因此模拟的准确性相当重要,这点必须透过实验,才能验证模拟与实际状况的的关联是否正确。


就模拟平台部份来看,其实业界用的模拟软体大同小异,但为何相同的工具会有不同结果?这就是设计能力与经验的差异,而这些差异最大的关键,又来自资料库,有了足够资料的资料库,用以链结模拟平台,才能设计出符合所需的零部件。


资料库相当程度决定了设计内涵,以各大国车厂的平台而言,这些平台都已达最隹化,但这看似相同的最隹化,背後所依据的资料与内容就大不相同。严格来说,软体与硬体只是工具,资料库才是系统的灵魂。因此选择模拟平台,重点就在其资料库,再同步设计出最隹化工具,连接资料库串起灵魂,提供完整的设计与优化解决方案。



图3 : 电动车零组件架构包括电池、驱控/变频器、马达、变速箱等四大部份,因此电动车设计模拟平台也必须具备这四大零部件的设计功能。(Source: Fortech)
图3 : 电动车零组件架构包括电池、驱控/变频器、马达、变速箱等四大部份,因此电动车设计模拟平台也必须具备这四大零部件的设计功能。(Source: Fortech)

在优化方面,电动车设计模拟平台将最隹设计流程系统化,以往零部件产品设计若不如预期,或之後有性能提升需求,都是人力亲为,设计团队中相互讨论调整,时效性非常差,而现在电动车设计模拟平台可让设计者在平台上直接调整叁数,以达预期性能,并结合现有软体,直接萃取可调配叁数,大幅降低时间成本的支出。


以电动车中的驱动马达为例,驱动马达除了转子、定子、磁铁外,还有许多设计叁数,这些都是马达厂商必须负责的部份,但情况往往是,设计後不知实际运作会如何?现在这些叁数可以直接加入虚拟的实车动态中,让设计者观察叁数与实车运作的连结状况。


收敛最隹结果 强化设计效率

在电动车开发时,一般会先设想车辆在路上的实际行驶状况,这些状况通常都必须从马达设计来解决,而马达的效能又取决於设计时的叁数,


当设置叁数时所有状况都尚未发生,缺乏外界环境回??的状态下,叁数正确要如何确定就会是问题,对此电动车设计模拟平台必须在设计阶段,就可透过虚拟方式将所有状况串连起来,而且系统会自动实验不断调整叁数,找出最隹化状态,一步步的收敛出结果,而非像以往以人工方式逐一测试调整。


收敛出最隹结果後,厂商再进行开发,开发後的结果再传回系统资料库,与之前模拟的结果比较,比对前後的设计结果差异,将之纪录在资料库,逐步强化资料库的资料量,让之後的设计更快更准确。


这种做法类似机械手臂在取物时,刚开始时可能会一直出错,但这些错误的移动轨迹都会纪录进资料库中,由软体一再校正调整,每次的重新动作,都会比上一次更精准,最後就会达到最隹化。然而不一样的是,机械手臂的每次动作可能必须耗费大量时间实际运作,电动车设计模拟平台则是在虚拟平台中,由PC自动计算,省下了大量资源与测试时间。


除了具有庞大资料库与完善工具两项特点外,电动车设计模拟平台的另一个智慧化功能是关键叁数的监别,也就是平台可以自行判断叁数的重要性,再建议设计者调整叁数,这样可以避免因调错叁数,徒增设计验证时间。


不断累积资讯 达到最隹化设计

设计与优化外,电动车设计模拟平台在验证方面也有独到之处,平台也必须让厂商在实验室,就可测出实车的负载条件,再连结动力系统,藉以测试性能是否足够。


由於电动车设计模拟平台是以软体建构虚拟车辆模型,再搭配硬体的测试设备,因此实验室中就可以模拟实车条件。设计者可以在平台上观察自己的系统,在实车环境中的性能表现。整车系统通常由数个子系统加上零部件组成,台湾厂商的零部件产品只是大系统中的一块。在设计时,并没有整车运作环境可供叁考,此一状况常会造成最後发现设计失当,但要修正却需重头开始,不但耗费大量成本资源,时间成本也受到严重考验。


因此这类可在实验室的模拟的做法,就可建立起整车环境,让零部件供应商在研发产品阶段,即可模拟该零部件在整车运转时,与其他零部件及子系统的交互作用。



图4 : 电动车设计模拟平台是协同工程的一种,让系统中每一部份零部件,在初期时就让设计趋於一致。(Source: National Geographic)
图4 : 电动车设计模拟平台是协同工程的一种,让系统中每一部份零部件,在初期时就让设计趋於一致。(Source: National Geographic)

而系统所有验证过程,都会纳入电动车设计模拟平台中的资料库,藉由不断累积的资料量,平台可以收敛出产品解决方案的范围,再搭配细部的测试与模拟验证,从而逐步找出最精准的设计需求,这对台湾零部件厂商的协助相当大,让厂商容易去取得其零部件产品的当下设计,在套进上层系统乃至於整车时,运作起来的状况,同时下游厂商也可藉此平台,测试上游厂商所提供的零部件产品,是否符合系统所需。


归纳这些功能,可以看出电动车模拟平台的最大特色在於虚拟实境,所有的设计、验证,都可在虚拟系统中完成。但这并不表示这类系统只能在虚拟环境中进行,当然有实际条件会更好,透过此一平台,使用者可以依照本身需求决定虚实元件的测试比例,让设计程序更具实用性。


电动车设计模拟平台属於内部系统,多数企业的平台都是向软体公司购买,这些平台有各式各项的工具,要如何善用这些工具就看个人专业,以马达设计为例,平台不会凭空把马达设计图画出来,而画出来的设计要如何与车体系统连结?这都需要使用者自行设计,各种工具都有其功能,而要如何熟练运用多种工具,使之产出想要的成果,就端视设计者功力。


电动车零组件架构包括电池、驱控/变频器、马达、变速箱等四大部份,因此电动车设计模拟平台也必须具备这四大零部件的设计功能,让上下游族群都可使用。电动车设计模拟,可以提供零部件厂商作为研发测试之用,台湾厂商向来缺乏实体测试环境,透过此类平台仍可快速设计出符合整车系统的零部件,提升产品设计成功率。而进一步可提升台湾的电动车产业实力,为已开始萌芽的台湾电动车制造产业奠基石。


**刊头图(Source: ICT Workshop Solutions)


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