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明導國際集成電氣系統部門 產品營銷經理 Phil Davies 引言 汽車設計人員目前面臨一個既新又舊的挑戰：那就是開發高效經濟的新型電動汽車平臺。電動汽車的歷史差不多與傳統燃料汽車一樣悠久，但是對于今天的大多數人來說它們還是"新鮮事物"。 1900年，美國汽車市場基本由三種推進系統組成（見圖1）。汽油類汽車排名第三，市場份額僅為22%。 
圖1：電動汽車在1900年左右達到頂峰，當時超過了內燃機汽車。 但是1900年是電動汽車的頂點。很快，隨著石油的大量發現，汽油變得普及而便宜。汽油驅動汽車的統治地位得以確立，并且在接下來的一個世紀里基本上沒受到任何挑戰。 不斷增長的油價壓力和環境問題迫使汽車行業不得不認真考慮電動推進系統。設計人員需要一些工具來加快開發面向未來市場的安全、可靠、經濟的電動汽車。 一切始于電池技術 當今復雜的電池技術實現了高能量密度、合理的質量和適當的充電時間。很多現代化的電池組都使用了鋰離子等化學元素，鋰離子可以增加行駛里程同時減輕重量。但是如果將汽油能量密度 12 kWh/kg 與普通鋰離子電池的 0.12 kWh/kg 2相比較，即便是"最好的"電池驅動一輛四門乘用車，每充一次電最多也只能跑250公里（150英里）3。 設計電池驅動汽車（以及最終達到所有電動汽車都由電池驅動的目標）是一個牽涉到多個領域的挑戰——如果沒有軟件工具來幫助工程師設計重量輕、成本低的配電系統；建立精細的電池運轉、充電和需求模擬模型；預測安全和電氣干擾問題，并且依然滿足緊迫的新產品開發進度，這個挑戰就很難解決。 混合動力電動汽車帶來設計挑戰 現在，消費者在購買電動汽車時必須權衡與傳統燃料汽車相比的重大折中。相對較高的購買價格、電池更換成本和有限的行駛里程足以讓消費者去追捧傳統燃料汽車，而且劣勢還不止這些。 很多原始設備制造商選擇結合使用電動與傳統燃料發動機技術來生產混合動力汽車。這些平臺同時發揮了電池與傳統技術的長處。 混合動力汽車的電池要比純電動汽車的小，因為它只是間歇地使用。較小的電池組使設計人員更容易將其設計進汽車中，同時使汽車成本和重量保持在可控范圍。汽車在運轉的同時電池也可以充電。但是混合動力電動汽車（及眾多衍生品）和純電動汽車的推進技術使得汽車的電氣內容和復雜性顯著增加。 所有電動汽車平臺都會帶來很多新的設計挑戰，涉及系統模擬、電磁干擾 (EMI)、失效模式與效果分析 (FMEA)、潛在通路分析 (SCA) 等等。 設計數據管理是解決電氣設計復雜性問題的核心所在。以數據為中心的配電系統 (EDS) 設計工具包（如圖2所示）就扮演著這個核心角色，并輔以根據各自交流電分析能力而選擇的其它工具。
圖2：以數據為中心的流程在從產品定義一直到維修點的設計過程中提供了一致的數據基礎。 模擬、建模和參數分析相互協作 混合動力汽車和電動汽車無疑增加了模擬的復雜性。傳統的模擬場景離不開定性邏輯型電流或數值型直流電模擬發動機，但無法處理多相交流電電壓和電流以及高達50千赫的轉換頻率。此外，各汽車系統域之間相互作用的加強也使多模型系統的驗證成為一個關鍵的考慮因素。 當設計師在一個"類似的"混合動力配置中為一輛汽車同時配備傳統的汽油發動機和電動機，除了必須模擬常見的直流弱電流電路行為之外，設計師還要對各種相互影響進行評估，其中包括直流-直流轉換器對整輛車的影響。 多相交流電為電動機提供動力。這就需要新的模擬和建模技術來最大程度地優化電池，延長續駛里程、減輕重量并縮短充電時間。最后，設計師還必須能夠細細研究一下電動機、汽油發動機、變速箱和驅動系統在不同駕駛循環條件下的相互影響。 功能全面的配電系統設計平臺可以輕松實現對直流電路的定性和數值分析。電池和發動機行為可以被描述為 VHDL-AMS 等格式，從而模擬出溫度或充電影響等效應。工程師可以創建基于駕駛循環的"需求模型"，并通過操作一系列場景來決定電池和發動機的最佳組合。 當需要更加詳細的研究時，配電系統平臺能夠向一個可兼容的時間域/交流電分析工具發送數據，對設計的多物理特性進行評估（如圖3所示）。先進的傳動系統控制算法模型、采用空間矢量調制轉換策略的發動機驅動功率電子元件模型和基于有限元分析 (FEA) 的準確機械模型幾乎可以被組裝和模擬成一個完全集成的系統。
圖3：領先的配電系統工具可以分析直流電現象、溫度效應等。通過高效的相互合作，一個系統建模工具集可以增加對時間域和交流電行為的多物理分析和預測。 配電系統平臺與系統建模工具的配對解決了高電平設計的權衡問題，例如比較感應電機與無刷直流電機的駕駛性能或電池壽命。同樣，這也有助于決定低電平設計的取舍問題，例如電機驅動效率與轉換頻率或功率設備組件選擇。 近年來，復雜的控制系統（如碰撞躲避系統）增加了汽車網絡的通信量，因此需要擴大相應的網絡容量。電動汽車和混合動力汽車也延續了這一趨勢。一個簡單的混合動力汽車停止/啟動發動機系統可能涉及多達26個獨立電子控制單元之間的通信2。最后，Flexray（10兆比特/秒）等技術將取代更舊、速度更慢的 CAN（1兆比特/秒）網絡。顯然，選擇一個能建立各種抽象性和復雜性水平不同的網絡架構和協議模型的配電系統解決方案非常重要。 支持安全性 對人類來講，大于80伏的直流電即可致命。由于有些電動汽車和混合動力電動汽車的電壓可能達到600伏直流電，因此每種能想象得到的安全隱患都必須要考慮到。 在配電系統工具的幫助下，設計師的責任是驗證新設計是否符合功能要求和企業標準，同時還要最大程度地降低使用者在可預見的操作條件下受傷的風險。這包括創建腳本來檢測缺陷，如潛在電路，另外在設計時還必須考慮到正常操作條件以外的情況。一個功能齊全的配電系統將提供失效模式與效果分析工具來幫助完成這一步驟。 電子干擾具有自己的規律 當今的汽車都配有復雜的電子控制系統，整輛車使用了許多低電平感應器信號，因此相互間的干擾也就變得越來越稀松平常。電動汽車和混合動力汽車將要解決這些問題。 基本上同時運作的高電壓轉換負荷與低電平信號和網絡之間的結合必然會帶來噪音和交叉耦合的問題。設計工程師必須解決這些實際問題，同時還需要滿足國際標準化組織 (ISO) 和汽車工程師協會 (SAE) 等機構提出的嚴苛標準。 當能源"輻射體"（源）通過某種"路徑"變成出現不良反應的"受體"時，電磁干擾問題就會出現。總體說來，為達到性能、重量和成本目標，源和受體規格很可能是固定的，因此設計師將只能對路徑進行控制。 輻射體和受體設備的置放及鄰近狀態會對電磁干擾行為造成影響。在設計初期的架構構建階段，設計師可使用配電系統工具，根據具體設備指定的分離規則創建自定義的約束。 信號分離也會產生影響。就某些應用（尤其是航空領域應用）而言，分離被納入了規則。一款有用的配電系統工具集應該能夠在需要的時候接收獨立線路的分離代碼，然后將這一信息傳送至 MCAD 工具，用于三維分析。同樣地，該工具必須能夠在從定義一直到 MCAD 布局和制造繪圖的過程中管理同軸屏蔽。 和之前描述的建模工具一樣，基于有限元 (FE) 的電磁兼容和熱分析解決方案可與配電系統相互作用。KBL 是這兩款工具集之間的一種常見門戶系統。 架構構建挑戰 對于開發任何類型電動汽車平臺的汽車設計師來說，需要考慮的配置有很多，而且還要以最理想的狀態安裝進車內。這就會不可避免地出現一些問題，由于電動汽車平臺仍然是新事物，許多問題都幾乎沒有公認的解決方案： 電池可用的空間有多大？它們將如何充電？ 電池需要"分開"置于兩處或更多地方嗎？ 怎樣的發動機配置最適合車輛的預期用途？ 設計師所選擇的配電系統工具必須能夠幫助他們評估采用不同設計方案對成本和重量的影響，從而生成圖形和數字報告。想象一下設計師是如何包裝一系列混合動力電動汽車的電池的。解決方案將可能包括在汽車后面安裝一個電池組或兩個電池組（如圖4所示）。
圖4：兩個電池置放方案可能產生兩種不同的重量、成本等。 通過使用虛擬原型替代實體模型，配電系統設計工具使設計師能夠迅速構建兩種解決方案的場景，確定哪種方案的重量更輕、使用的電線和組件更少等。創建自定義報告甚至根據對于項目目標的重要性改變各個設計約束的優先順序都是有可能的。 結論 電動汽車平臺給設計師帶來了很多新的挑戰，從電池置放到配電，再到消除高低電平信號之間的串話。如今領先的配電系統設計環境融合了這些設計師完成產品計劃和應對未來純電動車需求所必備的特征。 作者簡介 Phil Davies 是明導國際 (Mentor Graphics) 集成電氣系統部門產品經理。他與 BAR 和本田 F1 車隊合作了11年，期間他擔任電子設計經理。他還擁有15年的電子和電氣系統應用經驗。他的經驗涉及眾多 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。 參考文獻 1 Bryant University, "The History of American Technology/The Automobile Industry 1900-1909," http://web.bryant.edu/~ehu/h364/materials/cars/cars%20_10.htm 2 Chris Vowles (Axeon Batteries), NMI June 2010 3 mpower.co.uk - http://www.mpoweruk.com/traction.htm 4 Voltswagen.co.uk – Bluemotion 2 5 "No CAN Do," Dr. Willibert Schleuter (Audi), Automotive Engineer, April 2008 6 Clemson University International Center for Automotive Research (CU-ICAR) 7 Paul Hansen, IESF Nov 2009 8 Nancy Gioia, Ford Director of Sustainable Mobility Technologies, quoted in "Year of the Lithium-Ion" Battery," Automotive Engineering International, February 12, 2019 |
