基于功能安全的燃料電池車型模塊化平臺開發(fā)理論概述

邱亮

摘要：燃料電池平臺開發(fā)工作，涉及多車型、多平臺、多人工，不同主機(jī)廠在集成方案上的投入往往要投入大量的人員進(jìn)行市場調(diào)查、對標(biāo)、重復(fù)設(shè)計(jì)工作。研發(fā)一種新的產(chǎn)品，確定設(shè)定目標(biāo)、明確設(shè)計(jì)意義以及考慮安全開發(fā)尤為重要。它確保了產(chǎn)品的價值性和開發(fā)安全性。所以燃料電池車型在批量投入市場前，應(yīng)該進(jìn)行功能安全的概念設(shè)計(jì)，以完成其進(jìn)行預(yù)安全的目的。將功能安全開發(fā)應(yīng)用到可實(shí)現(xiàn)的通用平臺設(shè)計(jì)，可加快產(chǎn)品的開發(fā)速度，針對性增加產(chǎn)品的可實(shí)現(xiàn)性、穩(wěn)定性及安全性。

關(guān)鍵詞：燃料電池;開發(fā)平臺;功能安全;安全性

0 ?引言

對于工業(yè)4.0時代，產(chǎn)品對于社會的意義不知與功能實(shí)現(xiàn)，更強(qiáng)調(diào)功能安全。在設(shè)計(jì)之初，完成安全設(shè)計(jì)是4.0時代的首要目標(biāo)。人對產(chǎn)品的定義是自然基礎(chǔ)與知識、經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合而產(chǎn)生的衍生物，不僅可以從產(chǎn)品本身的性質(zhì)和原料組成來分析，還可以從產(chǎn)品的使用方式和產(chǎn)生意義來分析。設(shè)計(jì)本身就是一種連接自然社會與非自然社會的過程[1]。

燃料電池平臺開發(fā)工作，涉及多車型、多平臺、多人工，不同主機(jī)廠在集成方案上的投入往往要投入大量的人員進(jìn)行市場調(diào)查、對標(biāo)、重復(fù)設(shè)計(jì)工作。研發(fā)一種新的產(chǎn)品，確定設(shè)定目標(biāo)、明確設(shè)計(jì)意義以及考慮安全開發(fā)尤為重要。它確保了產(chǎn)品的價值性和開發(fā)安全性。所以燃料電池車型在批量投入市場前，應(yīng)該進(jìn)行功能安全的概念設(shè)計(jì)，以完成其進(jìn)行預(yù)安全的目的。

1 ?功能安全平臺的設(shè)計(jì)工具

本章主要介紹穩(wěn)健概念設(shè)計(jì)中利用到的平臺開發(fā)工具與其產(chǎn)生效果的階段。所使用的工具有需求轉(zhuǎn)換工具公理規(guī)則產(chǎn)生工具AD（公理設(shè)計(jì)）、QFD（品質(zhì)功能擴(kuò)展）、問題解決理論和專利規(guī)避工具[2]TRIZ（創(chuàng)新問題解決方法）和質(zhì)量工程理論魯棒設(shè)計(jì)。

1.1 設(shè)計(jì)需求影射階段——QFD（品質(zhì)功能擴(kuò)展）

設(shè)計(jì)需求影射的目的是解決產(chǎn)品原理設(shè)計(jì)階段，模糊狀態(tài)下的各類需求不容易獲得的問題，利用QFD技術(shù)相關(guān)性、客戶需求的重要性、實(shí)際價值和權(quán)重法，對原始需求進(jìn)行針對性的篩選，可以有效地減少冗余的設(shè)計(jì)元素。過于依靠頭腦風(fēng)暴等主觀設(shè)計(jì)方式，會大大的影響有效生產(chǎn)的概念產(chǎn)生，摻雜主觀因素的需求，往往也不是客戶需求的關(guān)鍵，進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)的結(jié)果往往也是浪費(fèi)設(shè)計(jì)資源。利用設(shè)計(jì)需求影射階段的品質(zhì)功能擴(kuò)展工具、KJ設(shè)計(jì)理論和基于工程的參數(shù)，可以有效地篩選需求、針對性排序排序，增加設(shè)計(jì)需求影射階段的魯棒性。公理設(shè)計(jì)正是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生的。QFD是概念設(shè)計(jì)起始階段對功能安全設(shè)計(jì)需求的擴(kuò)展和明確工具，旨在將模糊主觀需求轉(zhuǎn)化為可實(shí)現(xiàn)需求。（圖1）

1.2 性能概念獲取階段——AD（公理設(shè)計(jì)）

公理是經(jīng)過長期反復(fù)實(shí)踐檢驗(yàn)的明顯而普遍的理論和方法。各個科學(xué)領(lǐng)域中都存在著必要的法則，例如幾何學(xué)的理論基礎(chǔ)之一是歐幾里得公理，古典力學(xué)的基礎(chǔ)公理之一是牛頓三大定律。利用公理可以有效減少設(shè)計(jì)時間，增加設(shè)計(jì)成功率。在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，迫切需要相應(yīng)的法則來指導(dǎo)整個產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，保證設(shè)計(jì)過程可以有正確的科學(xué)理論法則[3] [4]?；诜▌t設(shè)計(jì)需求，公理設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生?！癦字形”變換作為功能安全平臺設(shè)計(jì)的性能概念設(shè)計(jì)工具，目的是將實(shí)際功能轉(zhuǎn)化為可實(shí)現(xiàn)性能的實(shí)際參數(shù)。

1.3 穩(wěn)健設(shè)計(jì)階段——TRIZ及穩(wěn)健設(shè)計(jì)

在獲得各種有效的概念設(shè)計(jì)方案后，如果在設(shè)計(jì)中采用傳統(tǒng)的概念，在選擇方案時就不會考慮外部噪聲是否可以抵抗的問題。方案中可能存在部分構(gòu)件之間的在功能上是沖突的，或違反科學(xué)原理，不能保證平臺的設(shè)計(jì)是否有效，因此需要把握概念設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵參數(shù)，針對關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品模塊。

魯棒性是指產(chǎn)品對輕微變化的影響不敏感造。比如使產(chǎn)品性能對材料的變化不敏感，在此種情況下，使用低成本材料或減少材料使用量在某些情況下，同樣可以保證產(chǎn)品的可制造性，并降低生產(chǎn)成本;使產(chǎn)品對環(huán)境的變化不敏感，可以保證產(chǎn)品在各種環(huán)境下的使用可靠性，降低運(yùn)行成本[5]。穩(wěn)健設(shè)計(jì)基于質(zhì)量損失函數(shù)以及信噪比概念，來增加平臺的穩(wěn)定性。

而TRIZ理論通過利用發(fā)明問題解決工具，通過分析功能沖突，獲取理想解，減少不穩(wěn)定元素的方式，使燃料電池模塊化設(shè)計(jì)平臺趨于可靠。（圖3）

2 ?基于功能安全的燃料電池車型模塊化平臺開發(fā)理論

功能安全在于概念階段需要針對功能進(jìn)行分解，并減少功能之間的耦合性關(guān)系，在獲得的功能中解決多情境下的沖突問題，從而解決概念設(shè)計(jì)階段，模塊化平臺開發(fā)的安全性問題。平臺的搭建需要兩個階段。

階段1：基于穩(wěn)健化平臺開發(fā)。搭建一個穩(wěn)健概念設(shè)計(jì)模型，去指導(dǎo)車型開發(fā)工作，服務(wù)于主機(jī)廠以支持平臺化車型設(shè)計(jì)與方案優(yōu)化。（圖4）

階段2：模塊化+智能云平臺。結(jié)合模塊化模型，形成智能解析數(shù)據(jù)庫，形成本地與云平臺服務(wù)。簡化燃料電池系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)。將各個系統(tǒng)模塊化，利用各模塊關(guān)鍵參數(shù)，搭建整車開發(fā)模型。利用數(shù)據(jù)共享云平臺，獲取車輛設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，建立高效的開發(fā)模式。（圖5）

3 ?應(yīng)用實(shí)例

基于功能安全的燃料電池車型模塊化平臺開發(fā)理論，目前已經(jīng)初步分解燃料電池通用系統(tǒng)模型。主要可分為①固有模塊：1）傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu);2）冷卻模塊;3）動力模塊等;②調(diào)整模塊：1）高壓模塊;2）燃料電池模塊等，如圖6。基于分模塊中的詳細(xì)參數(shù)，可通過但數(shù)據(jù)調(diào)整，改變或優(yōu)化整個開發(fā)平臺。

4 ?結(jié)論

本論文意在通過基于功能安全的燃料電池車型模塊化平臺開發(fā)理論，搭建智能設(shè)計(jì)軟件平臺，協(xié)助主機(jī)廠加速整車集成設(shè)計(jì)工作，減少開發(fā)成本。為達(dá)到將此情況進(jìn)行徹底解決的目的，將QFD、AD、TRIZ和RD等工具集成于概念設(shè)計(jì)的過程中，構(gòu)建了穩(wěn)健概念設(shè)計(jì)流程，并最終搭建模塊化平臺軟件，提高概念設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。通過概念流程設(shè)立，搭建自生成整車級平臺模塊化方案的模型，以完成整車設(shè)計(jì)開發(fā)工作的平臺化、智能化。

參考文獻(xiàn)：

[1]ZHAO Jiang-hong. Car Modeling Design： Theory，Research and Application[M]. Beijing：Beijing Institute of Technology Press， 2010.

[2]葉宛麗.TRIZ理論及其在職業(yè)教育中的應(yīng)用[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2013（31）：84.

[3]Suh N P. Axiomatic Design： Advance and Applications [M]. Oxford University Press， New York. Oxford， 2001.

[4]江屏.公理設(shè)計(jì)理論及其軟件開發(fā)[D].河北工業(yè)大學(xué)， 2003.

[5]劉英.基于產(chǎn)品數(shù)字化模型的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[6]檀潤華，王慶禹，苑彩云，等.發(fā)明問題解決理論：TRIZ——TRIZ過程、工具及發(fā)展趨勢[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2001，18（7）：7-12.