關(guān)于電子設(shè)計自動化技的《電動汽車和混合動力車設(shè)計的風險最小化及挑戰(zhàn)管理》研究報告。

1.關(guān)于作者

Phil Davies 是明導集成電氣系統(tǒng)部門 (IESD) 產(chǎn)品經(jīng)理。他曾在英美車隊 (BAR) 和本田 F1 車隊擔任電子設(shè)計經(jīng)理長達11年，并擁有15年的電子和電氣系統(tǒng)應用經(jīng)驗，涉及眾多 MCAD 和 ECAD 工具，包括 CATIA V5 與 Enovia、西門子 NX 與 Teamcentre、SAP 以及 VeSys Classic 的使用和部署。

2.背景

如今油價穩(wěn)步上漲和環(huán)境問題迫使汽車設(shè)計和生產(chǎn)業(yè)不得不認真對待電動汽車和電動卡車。但電動汽車和混合動力車引發(fā)的具體設(shè)計挑戰(zhàn)遠遠超過了傳統(tǒng)動力汽車。沒有以往工業(yè)記錄參考的全新電氣架構(gòu)設(shè)計帶來了新的風險。因此盡量降低風險并在汽車上市前評估設(shè)計選擇的虛擬測試環(huán)境是十分必要的。

3.全文要點與大綱如下：

a. 關(guān)鍵設(shè)計挑戰(zhàn)

設(shè)計工程師面臨的一項主要挑戰(zhàn)是克服里程方面的擔憂，也就是說他們需要模擬行駛循環(huán)情況，從而讓使用現(xiàn)有電源的車輛的里程和性能達到最高。

另一項設(shè)計挑戰(zhàn)是需要減少電磁干擾，并且能夠模擬和防止高電流與電壓切換的影響。

安全性是設(shè)計工程師考慮的重中之重，他們必須能夠確保人們在所有環(huán)境下的安全，包括高電流和電壓，特別是出現(xiàn)故障和碰撞的時候。

電氣復雜性的加大對從架構(gòu)上優(yōu)化車輛布局設(shè)計提出了更多要求。設(shè)計師也因此面臨全面降低車輛成本和重量的壓力。

最終，車輛電氣設(shè)計內(nèi)容的增加將對該車網(wǎng)絡形成更多需求，因此減少成本并確保網(wǎng)絡能按要求發(fā)揮有效功能顯得越來越重要。

電子設(shè)計自動化工具可用來解決這些挑戰(zhàn)。明導的 Capital Tools 套件 (Capital) 為配電系統(tǒng) (EDS) 設(shè)計提供全面解決方案，涵蓋了系統(tǒng)要求、特征和功能，以及邏輯和物理架構(gòu)等上游流程，以及制造和服務等下游流程(圖1)。

Capital 等配電系統(tǒng)設(shè)計工具涵蓋了從概念到客戶服務的整個車輛生產(chǎn)流程

b.運行多個行駛循環(huán)

設(shè)計工程師需要能夠模擬車輛用電和充電的影響。通常這會涉及上下坡時的加速和制動。他們還需要能夠管理高功率輔助設(shè)備;如果是混合動力車，則可能需要傳統(tǒng)的發(fā)動機啟動，當然也需要車內(nèi)暖氣和空調(diào)設(shè)備，而且要能夠提供曾經(jīng)用車內(nèi)傳統(tǒng)熱機來提供動力的系統(tǒng)，如動力轉(zhuǎn)向和制動輔助系統(tǒng)、電動座椅和車窗、車燈和雨刮。低功率系統(tǒng)也需要模擬，其中可能包括導航和娛樂、停車輔助系統(tǒng)、雷達和電話。

c.減少電磁干擾

在電動汽車和混合動力車中，高電壓和電流切換的混合再加上低電平網(wǎng)絡信號會帶來較高的信號間交叉耦合風險，這會導致各種問題，如個別組件或整體系統(tǒng)出現(xiàn)故障。設(shè)計目標是盡量減少車內(nèi)和輻射干擾。設(shè)計工程師還必須滿足各種機構(gòu)提出的嚴格標準，如國際標準化組織(International Organization for Standardization，簡稱 ISO)和美國汽車工程師學會(Society of Automotive Engineers，簡稱 SAE)。

當“能量輻射體”(能量源)找到通往以某種意外方式作出反應的“接收體”的“路徑”之后，電磁干擾問題便產(chǎn)生了。一般來說，設(shè)計師只能對路徑進行控制，因為能量源和接收體規(guī)格一般都是固定的以滿足性能、重量和成本要求。

能量源和接收體設(shè)備的布局和間距會影響電磁干擾行為。設(shè)計周期之初的架構(gòu)建立階段，設(shè)計工程師可使用電氣設(shè)計工具，根據(jù)針對具體設(shè)備的間距規(guī)則創(chuàng)建自定義間距限制。

Capital 等軟件具有多種功能，可幫助減輕這些影響

d.確保所有情況下的安全環(huán)境

電動汽車和混合動力車的高電壓和電流可帶來毀滅性的電擊風險。接觸高于 80V 的直流電可能致命。由于一些電動汽車和混合動力車的電壓可達到 600V 直流電，因此必須考慮所有可能的安全情況并為之進行設(shè)計。

Capital 之類的工具可精確模擬故障引發(fā)的電力影響。模擬也讓設(shè)計人員能夠預測設(shè)計錯誤的電力影響，如潛電路，開關(guān)和負荷以某種方式結(jié)合可導致某個電氣功能的意外操作或故障，從而帶來一系列后果 -- 從駕駛者手足無措到車燈等關(guān)乎安全的重要功能的失靈等更嚴重的后果。[!--empirenews.page--]

e.設(shè)計最佳架構(gòu)

對于開發(fā)任何類型的電動汽車平臺的汽車設(shè)計工程師而言，必須考慮很多配置并以最佳的方式進行組裝。這就不可避免地產(chǎn)生了一些問題，例如：

電池可占用的空間有多大?如何充電?

電池是否應該“分置于”兩個或更多位置?

哪種電機配置最適合車輛的預期用途?

由于電動汽車平臺依然不太成熟，其中許多問題幾乎沒有公認的解決方案。

模擬工具可利用圖形和數(shù)字報告，幫助評估采用不同設(shè)計方案的成本和重量。虛擬原型(而非實體模型)使設(shè)計工程師能夠迅速建立需要運用不同解決方案的情況，以確定哪種方案重量更輕、使用的電線和組件更少等等。例如，通過模擬可比較單電池組部分混合動力車設(shè)計(電池組位于車尾)與雙電池組設(shè)計(電池組位于車身和車頭)(圖2)。軟件顯示單電池組設(shè)計布線更少、重量更輕、成本更低、整體組件更少(圖3)。

上圖：電池組位于車尾。下圖：電池組位于車身和車頭。

經(jīng) Capital 分析得出，單電池組設(shè)計布線更少、重量更輕、成本更低、組件更少。

4.研究報告總結(jié)

設(shè)計電動汽車或混合動力車面臨諸多挑戰(zhàn)，需要開發(fā)全新的設(shè)計配置來尋找最佳方案。新模型開發(fā)所需的時間、成本和費用要求設(shè)計人員在整個過程中充分利用模擬和虛擬原型。市面上的設(shè)計工具現(xiàn)已具備虛擬電氣原型所需的綜合軟件模擬和分析能力，可幫助工程師解決設(shè)計輕量級、經(jīng)濟型配電系統(tǒng)時面臨的難題;通過詳細的電池建模確定最佳充電和需求行為;預計并減少安全和電氣干擾問題;同時仍能嚴格執(zhí)行新產(chǎn)品的開發(fā)進度。