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善用模擬平台 提升台灣電動車產業競爭力
 

【作者: 王明德】   2018年10月19日 星期五

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電動車近年來雖然成為全球產業焦點,不過從整體車輛市場來看,電動車總量並不大,整體市場還沒完全被開拓出來。目前電動車應用的車種只有兩種,一是不得不用,這種是在特定區域內使用,像是蔬菜批發市場、工廠等,在能源與便利性的考量下採用。另一種則是歸類到奢侈品,就像美國這幾年發展的純電動超跑TELSA,這類先走在高端的車輛。由這兩類來看,可以觀察出電動車目前的使用族群,都是要有其特殊目的,因此整體數量欲大不易。


既然市場商機仍未大幅浮現,台灣電動車業者的出處何在?其實台商產品延伸的機會很多。市面上的車輛類型眾多,包括內燃機、複合動力車、電動車等,各種動力系統都有。電動車內部設計以電動為主,複合動力車裡面則包含引擎與電動車的動力零部件,因此即便電動車市場尚未蓬勃,但複合動力車中的電動零部件數量卻快速增加。因此若換個角度來看,電動車市場的崛起速度就不是那麼重要,台灣業者可以先轉而開拓複合動力車市場,這也是目前的真正市場所在。


提昇設計能力 創造競爭優勢

不過雖然電動車市場仍未成型,但複合動車市場已經開始啟動,台灣廠商主要以零部件出貨為主,零部件需配合整車設計,在缺乏整車環境與經驗下,台商要如何設計出符合國際標準的產品?台灣廠商向來較缺乏獨立設計能力,以往的設計多是按圖施工,在知其然不知其所以然的情況下,往往只能做低毛利的代工,複合電動車市場開始浮現後,台灣廠商不能再維持舊有模式,必須培養自有的設計能力,對此台灣廠商可透過電動車設計模擬平台提昇的電動車零部件設計能力。



圖1 : 電動車的零組件開發需要透過層層模擬設計,以提升設計的質量與速度。(Source: Springer Link)
圖1 : 電動車的零組件開發需要透過層層模擬設計,以提升設計的質量與速度。(Source: Springer Link)

電動車設計模擬平台是協同工程的一種,讓系統中每一部份零部件,在初期時就讓設計趨於一致。當車體更改設計,零部件設計者馬上就會得知訊息,自動配合調校,對汽車這種零部件多、設計規模龐大的產品,錯誤發現時間與成本支付數成反比,越早發現,所付出的資源與成本越小,越後期,其變動的部份會越趨龐大,成本自然也越高。協同工程可以讓多方設計者共同使用平台,設計變動的第一時間,就讓所有人知道所有資訊,進而使設計同步化。


電動車設計模擬平台的平台設計著重在以系統化方式,此平台必須讓軟硬體整合,由於準確度是模擬平台的關鍵,而資料庫中的資訊量對準確度有關鍵性影響,因此現在這類型平台都會以實車在外實測,擷取、累積實際資料與測試條件,提昇準確率。另一則是關鍵參數的設定,關鍵參數對模擬系統的準確性非常重要,建立虛擬模型時,必須出各種參數的重要性排序,以提升準確性。



圖2 : 電動車模擬平台都會以實車在外實測,擷取、累積實際資料與測試條件,提昇準確率。(Source: BenJM)
圖2 : 電動車模擬平台都會以實車在外實測,擷取、累積實際資料與測試條件,提昇準確率。(Source: BenJM)

雖然如今準確性已大幅提高,不過市場上的車種相當多,每種車的特性不同,這些特性會讓系統擬真度出現瓶頸,單一車種的模擬參數無法套用到全部車種,當某一參數不準時,會連帶影響到接下來的數據,因此必須讓該類型實車先跑一遍,掌握住重要關鍵參數,讓資料數據更接近實車,建立回歸機制,讓虛實整合出最佳化模擬環境,未來若有其他車種要模擬,一樣的流程也是要重跑一遍,而這些回歸的經驗,也建立了平台的不可取代性。


縱橫兩軸並進 提供完整解決方案

就整體系統特色來看,電動車設計模擬平台的特色包括縱橫兩個軸向,縱的方面從車子到零部件,橫向從模擬到設計到驗證,平台將這兩個軸向進行最佳化設計,不過最佳化設計必須對所有技術細節瞭解甚深。模擬分析主要是預測產品設計是否符合需求,因此模擬的準確性相當重要,這點必須透過實驗,才能驗證模擬與實際狀況的的關聯是否正確。


就模擬平台部份來看,其實業界用的模擬軟體大同小異,但為何相同的工具會有不同結果?這就是設計能力與經驗的差異,而這些差異最大的關鍵,又來自資料庫,有了足夠資料的資料庫,用以鏈結模擬平台,才能設計出符合所需的零部件。


資料庫相當程度決定了設計內涵,以各大國車廠的平台而言,這些平台都已達最佳化,但這看似相同的最佳化,背後所依據的資料與內容就大不相同。嚴格來說,軟體與硬體只是工具,資料庫才是系統的靈魂。因此選擇模擬平台,重點就在其資料庫,再同步設計出最佳化工具,連接資料庫串起靈魂,提供完整的設計與優化解決方案。



圖3 : 電動車零組件架構包括電池、驅控/變頻器、馬達、變速箱等四大部份,因此電動車設計模擬平台也必須具備這四大零部件的設計功能。(Source: Fortech)
圖3 : 電動車零組件架構包括電池、驅控/變頻器、馬達、變速箱等四大部份,因此電動車設計模擬平台也必須具備這四大零部件的設計功能。(Source: Fortech)

在優化方面,電動車設計模擬平台將最佳設計流程系統化,以往零部件產品設計若不如預期,或之後有性能提昇需求,都是人力親為,設計團隊中相互討論調整,時效性非常差,而現在電動車設計模擬平台可讓設計者在平台上直接調整參數,以達預期性能,並結合現有軟體,直接萃取可調配參數,大幅降低時間成本的支出。


以電動車中的驅動馬達為例,驅動馬達除了轉子、定子、磁鐵外,還有許多設計參數,這些都是馬達廠商必須負責的部份,但情況往往是,設計後不知實際運作會如何?現在這些參數可以直接加入虛擬的實車動態中,讓設計者觀察參數與實車運作的連結狀況。


收斂最佳結果 強化設計效率

在電動車開發時,一般會先設想車輛在路上的實際行駛狀況,這些狀況通常都必須從馬達設計來解決,而馬達的效能又取決於設計時的參數,


當設置參數時所有狀況都尚未發生,缺乏外界環境回饋的狀態下,參數正確要如何確定就會是問題,對此電動車設計模擬平台必須在設計階段,就可透過虛擬方式將所有狀況串連起來,而且系統會自動實驗不斷調整參數,找出最佳化狀態,一步步的收斂出結果,而非像以往以人工方式逐一測試調整。


收斂出最佳結果後,廠商再進行開發,開發後的結果再傳回系統資料庫,與之前模擬的結果比較,比對前後的設計結果差異,將之紀錄在資料庫,逐步強化資料庫的資料量,讓之後的設計更快更準確。


這種做法類似機械手臂在取物時,剛開始時可能會一直出錯,但這些錯誤的移動軌跡都會紀錄進資料庫中,由軟體一再校正調整,每次的重新動作,都會比上一次更精準,最後就會達到最佳化。然而不一樣的是,機械手臂的每次動作可能必須耗費大量時間實際運作,電動車設計模擬平台則是在虛擬平台中,由PC自動計算,省下了大量資源與測試時間。


除了具有龐大資料庫與完善工具兩項特點外,電動車設計模擬平台的另一個智慧化功能是關鍵參數的鑑別,也就是平台可以自行判斷參數的重要性,再建議設計者調整參數,這樣可以避免因調錯參數,徒增設計驗證時間。


不斷累積資訊 達到最佳化設計

設計與優化外,電動車設計模擬平台在驗證方面也有獨到之處,平台也必須讓廠商在實驗室,就可測出實車的負載條件,再連結動力系統,藉以測試性能是否足夠。


由於電動車設計模擬平台是以軟體建構虛擬車輛模型,再搭配硬體的測試設備,因此實驗室中就可以模擬實車條件。設計者可以在平台上觀察自己的系統,在實車環境中的性能表現。整車系統通常由數個子系統加上零部件組成,台灣廠商的零部件產品只是大系統中的一塊。在設計時,並沒有整車運作環境可供參考,此一狀況常會造成最後發現設計失當,但要修正卻需重頭開始,不但耗費大量成本資源,時間成本也受到嚴重考驗。


因此這類可在實驗室的模擬的做法,就可建立起整車環境,讓零部件供應商在研發產品階段,即可模擬該零部件在整車運轉時,與其他零部件及子系統的交互作用。



圖4 : 電動車設計模擬平台是協同工程的一種,讓系統中每一部份零部件,在初期時就讓設計趨於一致。(Source: National Geographic)
圖4 : 電動車設計模擬平台是協同工程的一種,讓系統中每一部份零部件,在初期時就讓設計趨於一致。(Source: National Geographic)

而系統所有驗證過程,都會納入電動車設計模擬平台中的資料庫,藉由不斷累積的資料量,平台可以收斂出產品解決方案的範圍,再搭配細部的測試與模擬驗證,從而逐步找出最精準的設計需求,這對台灣零部件廠商的協助相當大,讓廠商容易去取得其零部件產品的當下設計,在套進上層系統乃至於整車時,運作起來的狀況,同時下游廠商也可藉此平台,測試上游廠商所提供的零部件產品,是否符合系統所需。


歸納這些功能,可以看出電動車模擬平台的最大特色在於虛擬實境,所有的設計、驗證,都可在虛擬系統中完成。但這並不表示這類系統只能在虛擬環境中進行,當然有實際條件會更好,透過此一平台,使用者可以依照本身需求決定虛實元件的測試比例,讓設計程序更具實用性。


電動車設計模擬平台屬於內部系統,多數企業的平台都是向軟體公司購買,這些平台有各式各項的工具,要如何善用這些工具就看個人專業,以馬達設計為例,平台不會憑空把馬達設計圖畫出來,而畫出來的設計要如何與車體系統連結?這都需要使用者自行設計,各種工具都有其功能,而要如何熟練運用多種工具,使之產出想要的成果,就端視設計者功力。


電動車零組件架構包括電池、驅控/變頻器、馬達、變速箱等四大部份,因此電動車設計模擬平台也必須具備這四大零部件的設計功能,讓上下游族群都可使用。電動車設計模擬,可以提供零部件廠商作為研發測試之用,台灣廠商向來缺乏實體測試環境,透過此類平台仍可快速設計出符合整車系統的零部件,提昇產品設計成功率。而進一步可提昇台灣的電動車產業實力,為已開始萌芽的台灣電動車製造產業奠基石。


**刊頭圖(Source: ICT Workshop Solutions)


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