汽车动力经济性性能开发数据管理系统设计*

张 永，孟 凯，何 浩，龚春忠，吴生玉

（1.合众新能源汽车有限公司，浙江 嘉兴 314000；2.浙江大学，浙江 杭州 310000）

汽车是产业链极为庞大的制造业终端产品，汽车制造业被称为“工业皇冠上的明珠”，其产品开发过程的数字化转型工作较为迫切，在生产与销售环节的产品数据管理都相对成熟。而在汽车性能开发中，产品数据管理系统的构建与应用依然有大量工作需要开展。产品数据管理系统诞生之初，主要是为了解决“信息孤岛”问题，产品数据管理的作用就是将所有产品相关数据文件以一定的结构归档数据库，便于检索查询、修改调整、统计分析等。而如今，产品管理系统已经远远超出了文件集合的概念，目前数字孪生技术在虚拟验证、虚拟交付等领域都有前沿探索。

本文结合汽车性能开发中的数据管理为研究对象，以整车动力性经济性开发为示例，对该性能开发产生的数据进行有效管理，构建以试验验证工作为核心的性能开发数据管理系统。

1 汽车性能开发经典流程

汽车性能开发最经典的开发流程是“V”字型开发流程。在横向上，以产品各开发节点为主要参考，通常定义新项目研究与分析、概念设计、工程设计、设计验证、试生产、投产、项目验收等节点，并分别命名为P0～P9等。在纵向上，则分布竞品分析、目标设定与分解、验证计划、虚拟验证、实物验证/性能开发与集成匹配、验证样车、策略和支持等工作。由于某项性能开发在横向与纵向分布工作流程呈“V”字型分布，故被称为“V”字型开发流程，如图1所示。

图1 某汽车产品性能开发“V”字型开发流程

以某款纯电动汽车开发为例，其性能开发分为15个子项目，包括振动噪声、车辆行驶性能、整车能量管理、热管理、安全、耐久可靠性、环境保护、密封性、信息娱乐、电磁兼容、电平衡、感官品质、日常使用、人机界面、高压安全等。各性能指标又进行进一步细分，如表1所示。

表1 整车性能指标

通常，由性能集成部来组织各专业部门进行各项性能指标达成设计与验证，各项性能均设置技术负责人，对各指标进行量化管理。

2 汽车性能开发过程中的文件集及其存在问题

一个车型开发的过程中，某一项性能开发会产生众多数据，每个节点的交付物通常都是数据、模型或者试验报告、分析报告。以整车动力性经济性开发为例，其主要使用的设计与分析工具是：MATLAB、CARSIM、ADVISOR、CRUSE等。用到的数据库资源有：竞品车数据库、电池数据库、电机数据库。试验类别主要有：滑行、动力性、能量消耗率与续驶里程、道路续航。此外，充电效率、电机性能试验、电池性能试验、车身风洞试验、车轮滚阻系数试验等零部件试验支撑整车试验。主要使用的标准：GB/T 18352、GB/T 18385、GB/T 18386等；主要使用的测试资源：转鼓、环境舱、INCA、V-box、长平直性能道、标准坡道、市区及市郊道路。

2.1 整车动力性经济性开发过程交付物清单

利用以上软件、数据库、标准、试验设备等资源，在整车动力性经济性性能开发过程中，会产生如下文件集合，如表2所示。这些文件归为计划文件、设计文件、试验报告、零部件试验报告类型。而其背后，大多是由原始数据或模型仿真支撑。

表2 整车动力性经济性开发过程交付物清单

2.2 整车动力性经济性开发过程文件管理问题

目前，针对性能开发工作，虽然已实现无纸化办公，各类文件均以电子文档形式编辑、保存、发布。各类文件均有归口管理部门、其他部门查看权限较为模糊，通常通过OA系统进行申请查看和反馈结果。OA系统是较为通用的办公管理软件，但对于交流繁多、信息时效性较强、交互自动化需求迫切的性能开发应用场景，显然需要一个数据管理系统进行统一管理。当前系统最突出的问题是信息共享缓慢、数据使用需要进行人工转换，容易造成人为失误和信息遗漏。同时，使用OA系统进行文件管理，会造成数据更新不及时、审批流程过于冗余等问题。以电机外特性参数需求为例，性能开发依据4级目标进行匹配分析，需要执行如下流程，如图2所示。

图2 性能仿真电机匹配流程及其过程问题

由图2可知，执行电机选型匹配仿真工作，是跨部门、跨企业协作的一个工作活动。首先，由性能开发部发起OA申请，需要专业部门提供电机数据；然后，专业部门若已经保存了相应的电机数据，则可直接反馈给性能开发部；若需要电机供应商提供，则专业部门需要额外发起新的流程由项目管理进行审批，若涉及费用还需要走预算审批流程；专业部门与供应商对接上以后，由供应商提供相应的数据和报告；接着，专业部门提供给性能开发部报告；最后，由性能开发工程师进行报告结果的转换为模型需要的输入数据，进行匹配分析和仿真。其数据传递流程冗长，各环节均存在时间损耗、人为操作失误风险增加等问题。

由于开发模型有可能使用Cruise、MATLAB、AMESim等，各模型需要的数据内容可能存在差异，导致每次需求可能表达不一致。而经过项目申请的流程一旦涉及费用，将变得极为冗长，以电机性能测试为例，测试周期通常为2个工作日，但商务流程、样件提供等过程通常都长达数周。供应商提供的报告通常是PDF格式或者自定义excel格式，不能直接导入模型中，需要性能开发工程师对数据进行二次加工，转换为模型可识别的格式，才可以进行仿真分析，从而增加人为操作失误导致的风险。主机厂形成对电机性能评价的指标通常对零部件供应商不可见，导致零部件供应商不能及时针对整车性能开展优化工作。在必要的时候双方共享了仿真分析和测试的方法，但由于模型数据处理、测试过程一致性、测试评价标准等不一致导致产生众多歧义与沟通，增加开发周期和成本。

3 以测试标准为核心构建产品协同开发系统设计

产品数据管理需要以产品为中心，一切数据组织以服务于产品为目的。但是该思路不够细致，导致执行起来会产生众多问题。随着数字孪生技术的发展，基于产品数字孪生模型的数据管理将更便捷、高效。产品与产品数字孪生体的关系可描述为图3所示。

图3 数字孪生

以电动汽车动力性经济性性能开发为例，汽车的数字孪生模型可进一步分解为电机、电池、车身等子系统，如图4所示。

图4 汽车数字孪生模型及其分解

其中，汽车整车模型需要保护电机模型，该电机模型由主机厂通过不同的模型工具定义出的电机数据包，可以是excel表格，可以是m文件、可以是其他数据格式的模型。主机厂的电机模型如图5所示。而对于电机供应商，也可提供类似的模型，如图6所示。

图5 主机厂的电机模型

图6 供应商电机模型

供应商的电机模型拆解后，可能由硅钢片参数、导磁率、电感、电导率、绕组数、绕线方式等参数组成。而主机厂需求的电机参数则是以转速、扭矩、效率等最终性能参数描述。因此，两个模型是不等价的，如图7所示。

图7 主机厂需求的电机模型与供应商开发的模型不等价

为获取公正客观的供应商电机性能，主机厂通常会购买供应商样件，委托第三方试验室进行测试，依据标准测试获得测试报告。测试报告的结果方可作为性能开发模型的输入数据。第三方试验室获得等效数据模型如图8所示。

图8 第三方试验室获得等效数据模型

改进的工作关键在此，依据标准构建测试设备和测试环境的数字孪生系统，则可以供应商交付数据包模型，通过第三方模拟测试提供模拟测试报告与试验报告的等效，最终实现供应商模型与主机厂模型的等效，如图9所示。

图9 供应商电机模型与主机厂电机模型通过仿真测试标准等效

这中间少不了一个环节，就是标准。主机厂与供应商对话，依然需要以标准作为接口。无论是实物交付还是模型交付，都绕不开标准。所有的数据都可以用二进制数据表达，但是针对不同产品的数据模型，由于使用的工业软件不同，其数据格式难以统一。当前，三维造型模型数据就有多种类型，而性能开发中需要的模型更不成熟，类型更多。这时候，标准又起到了重要的作用。但标准需要在相对成熟的技术上总结规范，而目前众多性能开发均未能实现标准的统一。当前，第三方提供的数据形式通常都是PDF格式的试验报告。而机器能识别的通用数据格式通常是txt文本或者表格。两者进行统一，在模型不够成熟的情况下，均使用表格形式将模型以对象形式存储、交互是相对较优的选择。

随着信息技术的发展，信息安全也越来越重要。当前主机厂与供应商的信息交互，通常需要签订保密协议。往往需要项目组织，协调采购、销售等商务部门，经过较长的审批周期，双方的技术人员才能对接上。而如果采用模型对模型的交互方式，参考姚氏百万富翁问题，可实现双方数据加密传输，既有利于电机厂家针对主机厂进行产品优化，也有利于主机厂对多家电机厂家进行帅选对比，但双方均基于保密算法完成的数据交互，故而不需要签订保密协议，提高数据交互效率，缩短整车开发周期。

4 动力性经济性性能开发数据管理系统实现

为了实现整车动力性经济性开发过程的数据管理，开发了一个专用软件。该软件采用CS架构，基于JAVA语言进行开发，其中数据保存与交互主要采用excel表格形式，客户端界面如图10所示。

图10 动力性经济性性能开发软件客户端界面

该软件内部文件采用树状管理，与windows系统的数状目录兼容。各操作者通过超级账户进行管理，通常根据增、删、查、改与功能模块不同，设置不同的权限。由于当前使用的计算模型有部分依靠MATLAB，所以在选择功能后，执行调用MATLAB运行，可以将新加入的数据进行模型带入，生成仿真分析报告。

动力性经济性开发主要分为3个大模块，分别为：仿真分析模块、试验数据处理模块、云数据分析模块。①仿真分析模块下分为：工况仿真、增程器、滑行阻力、整车经济性、整车动力性、滑行跟线、竞品数据分析；②试验数据分析模块下分为：底盘测功机能量消耗量与续驶里程、底盘测功机缩短法、底盘测功机测试电机效率、底盘测功机减速法测试机械阻力、加速性能试验、实际道路续驶里程试验；③云数据分析模块下分为：里程表校核、能耗与里程统计、充电统计/充电习惯分析、某区间段能耗分布分析、某区间段能量流分析、电机工作状态分析、电池工作状态分析。

以竞品分析为例，其对接部门包括市场调研部、产品定义部、性能集成部。数据上传权限为市场调研部，主要使用方位产品定义部和性能集成部。

市场调研部通过收集工信部网站或者其他渠道获得的竞品参数，列入竞品数据库中，如表3所示示例。

表3 竞品信息收集示例

产品定义部与性能集成部通过调用MATLAB分析，获得竞品分析报告，从各维度比较目标产品与竞品的关系，如图11所示。

图11 竞品分析功能模块示例

其他功能模块思路类似，有专门的数据采集部门，通过该系统的模型，可产生众多仿真分析报告和试验结果分析报告，实现性能开发的高效数据管理。

5 结论

产品数据管理在汽车性能开发工作中应用还不成熟，虽然目前已实现无纸化办公，但真正做到快速、高效的多方协作，还需要对产品性能开发过程的数据进行有效管理。产品性能开发数据管理系统的开发设计过程中，遇到最大的问题是基于相同标准的数据模型标准化问题。本文提出基于标准测试为对接口，将测试设备与被测样本都进行数字孪生操作，仿真替代试验，仿真报告与试验分析报告等效，最终实现多方加密数据交互。降低开发周期，降低开发过程的人力投入，提高产品性能开发效率。