基于功能安全的燃料电池车型模块化平台开发理论概述

邱亮

摘要：燃料电池平台开发工作，涉及多车型、多平台、多人工，不同主机厂在集成方案上的投入往往要投入大量的人员进行市场调查、对标、重复设计工作。研发一种新的产品，确定设定目标、明确设计意义以及考虑安全开发尤为重要。它确保了产品的价值性和开发安全性。所以燃料电池车型在批量投入市场前，应该进行功能安全的概念设计，以完成其进行预安全的目的。将功能安全开发应用到可实现的通用平台设计，可加快产品的开发速度，针对性增加产品的可实现性、稳定性及安全性。

关键词：燃料电池;开发平台;功能安全;安全性

0  引言

对于工业4.0时代，产品对于社会的意义不知与功能实现，更强调功能安全。在设计之初，完成安全设计是4.0时代的首要目标。人对产品的定义是自然基础与知识、经验相结合而产生的衍生物，不仅可以从产品本身的性质和原料组成来分析，还可以从产品的使用方式和产生意义来分析。设计本身就是一种连接自然社会与非自然社会的过程[1]。

燃料电池平台开发工作，涉及多车型、多平台、多人工，不同主机厂在集成方案上的投入往往要投入大量的人员进行市场调查、对标、重复设计工作。研发一种新的产品，确定设定目标、明确设计意义以及考虑安全开发尤为重要。它确保了产品的价值性和开发安全性。所以燃料电池车型在批量投入市场前，应该进行功能安全的概念设计，以完成其进行预安全的目的。

1  功能安全平台的设计工具

本章主要介绍稳健概念设计中利用到的平台开发工具与其产生效果的阶段。所使用的工具有需求转换工具公理规则产生工具AD（公理設计）、QFD（品质功能扩展）、问题解决理论和专利规避工具[2]TRIZ（创新问题解决方法）和质量工程理论鲁棒设计。

1.1 设计需求影射阶段——QFD（品质功能扩展）

设计需求影射的目的是解决产品原理设计阶段，模糊状态下的各类需求不容易获得的问题，利用QFD技术相关性、客户需求的重要性、实际价值和权重法，对原始需求进行针对性的筛选，可以有效地减少冗余的设计元素。过于依靠头脑风暴等主观设计方式，会大大的影响有效生产的概念产生，掺杂主观因素的需求，往往也不是客户需求的关键，进行后续设计的结果往往也是浪费设计资源。利用设计需求影射阶段的品质功能扩展工具、KJ设计理论和基于工程的参数，可以有效地筛选需求、针对性排序排序，增加设计需求影射阶段的鲁棒性。公理设计正是在这种情况下应运而生的。QFD是概念设计起始阶段对功能安全设计需求的扩展和明确工具，旨在将模糊主观需求转化为可实现需求。（图1）

1.2 性能概念获取阶段——AD（公理设计）

公理是经过长期反复实践检验的明显而普遍的理论和方法。各个科学领域中都存在着必要的法则，例如几何学的理论基础之一是欧几里得公理，古典力学的基础公理之一是牛顿三大定律。利用公理可以有效减少设计时间，增加设计成功率。在设计领域，迫切需要相应的法则来指导整个产品设计阶段，保证设计过程可以有正确的科学理论法则[3] [4]。基于法则设计需求，公理设计应运而生。“Z字形”变换作为功能安全平台设计的性能概念设计工具，目的是将实际功能转化为可实现性能的实际参数。

1.3 稳健设计阶段——TRIZ及稳健设计

在获得各种有效的概念设计方案后，如果在设计中采用传统的概念，在选择方案时就不会考虑外部噪声是否可以抵抗的问题。方案中可能存在部分构件之间的在功能上是冲突的，或违反科学原理，不能保证平台的设计是否有效，因此需要把握概念设计方案的关键参数，针对关键参数设计产品模块。

鲁棒性是指产品对轻微变化的影响不敏感造。比如使产品性能对材料的变化不敏感，在此种情况下，使用低成本材料或减少材料使用量在某些情况下，同样可以保证产品的可制造性，并降低生产成本;使产品对环境的变化不敏感，可以保证产品在各种环境下的使用可靠性，降低运行成本[5]。稳健设计基于质量损失函数以及信噪比概念，来增加平台的稳定性。

而TRIZ理论通过利用发明问题解决工具，通过分析功能冲突，获取理想解，减少不稳定元素的方式，使燃料电池模块化设计平台趋于可靠。（图3）

2  基于功能安全的燃料电池车型模块化平台开发理论

功能安全在于概念阶段需要针对功能进行分解，并减少功能之间的耦合性关系，在获得的功能中解决多情境下的冲突问题，从而解决概念设计阶段，模块化平台开发的安全性问题。平台的搭建需要两个阶段。

阶段1：基于稳健化平台开发。搭建一个稳健概念设计模型，去指导车型开发工作，服务于主机厂以支持平台化车型设计与方案优化。（图4）

阶段2：模块化+智能云平台。结合模块化模型，形成智能解析数据库，形成本地与云平台服务。简化燃料电池系统功能结构。将各个系统模块化，利用各模块关键参数，搭建整车开发模型。利用数据共享云平台，获取车辆设计数据、材料数据、标定实验数据等，建立高效的开发模式。（图5）

3  应用实例

基于功能安全的燃料电池车型模块化平台开发理论，目前已经初步分解燃料电池通用系统模型。主要可分为①固有模块：1）传统机械结构;2）冷却模块;3）动力模块等;②调整模块：1）高压模块;2）燃料电池模块等，如图6。基于分模块中的详细参数，可通过但数据调整，改变或优化整个开发平台。

4  结论

本论文意在通过基于功能安全的燃料电池车型模块化平台开发理论，搭建智能设计软件平台，协助主机厂加速整车集成设计工作，减少开发成本。为达到将此情况进行彻底解决的目的，将QFD、AD、TRIZ和RD等工具集成于概念设计的过程中，构建了稳健概念设计流程，并最终搭建模块化平台软件，提高概念设计的稳健性。通过概念流程设立，搭建自生成整车级平台模块化方案的模型，以完成整车设计开发工作的平台化、智能化。

参考文献：

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

[2]叶宛丽.TRIZ理论及其在职业教育中的应用[J].中国科教创新导刊，2013（31）：84.

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

[4]江屏.公理设计理论及其软件开发[D].河北工业大学， 2003.

[5]刘英.基于产品数字化模型的稳健设计方法研究[D].天津：天津大学，2005.

[6]檀润华，王庆禹，苑彩云，等.发明问题解决理论：TRIZ——TRIZ过程、工具及发展趋势[J].机械设计，2001，18（7）：7-12.