先進的配電系統(tǒng)設(shè)計工具為向電動汽車的過渡鋪平道路

引言

汽車設(shè)計人員目前面臨一個既新又舊的挑戰(zhàn)：那就是開發(fā)高效經(jīng)濟的新型電動汽車平臺。電動汽車的歷史差不多與傳統(tǒng)燃料汽車一樣悠久，但是對于今天的大多數(shù)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(tǒng)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(dāng)時超過了內(nèi)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(fā)現(xiàn)，汽油變得普及而便宜。汽油驅(qū)動汽車的統(tǒng)治地位得以確立，并且在接下來的一個世紀(jì)里基本上沒受到任何挑戰(zhàn)。

不斷增長的油價壓力和環(huán)境問題迫使汽車行業(yè)不得不認(rèn)真考慮電動推進系統(tǒng)。設(shè)計人員需要一些工具來加快開發(fā)面向未來市場的安全、可靠、經(jīng)濟的電動汽車。
一切始于電池技術(shù)

當(dāng)今復(fù)雜的電池技術(shù)實現(xiàn)了高能量密度、合理的質(zhì)量和適當(dāng)?shù)某潆姇r間。很多現(xiàn)代化的電池組都使用了鋰離子等化學(xué)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(qū)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(shè)計電池驅(qū)動汽車（以及最終達到所有電動汽車都由電池驅(qū)動的目標(biāo)）是一個牽涉到多個領(lǐng)域的挑戰(zhàn)——如果沒有軟件工具來幫助工程師設(shè)計重量輕、成本低的配電系統(tǒng)；建立精細的電池運轉(zhuǎn)、充電和需求模擬模型；預(yù)測安全和電氣干擾問題，并且依然滿足緊迫的新產(chǎn)品開發(fā)進度，這個挑戰(zhàn)就很難解決。

混合動力電動汽車帶來設(shè)計挑戰(zhàn)

現(xiàn)在，消費者在購買電動汽車時必須權(quán)衡與傳統(tǒng)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(tǒng)燃料汽車，而且劣勢還不止這些。
很多原始設(shè)備制造商選擇結(jié)合使用電動與傳統(tǒng)燃料發(fā)動機技術(shù)來生產(chǎn)混合動力汽車。這些平臺同時發(fā)揮了電池與傳統(tǒng)技術(shù)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(shè)計人員更容易將其設(shè)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(zhuǎn)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(shù)使得汽車的電氣內(nèi)容和復(fù)雜性顯著增加。

所有電動汽車平臺都會帶來很多新的設(shè)計挑戰(zhàn)，涉及系統(tǒng)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(shè)計數(shù)據(jù)管理是解決電氣設(shè)計復(fù)雜性問題的核心所在。以數(shù)據(jù)為中心的配電系統(tǒng) (EDS) 設(shè)計工具包（如圖2所示）就扮演著這個核心角色，并輔以根據(jù)各自交流電分析能力而選擇的其它工具。

圖2：以數(shù)據(jù)為中心的流程在從產(chǎn)品定義一直到維修點的設(shè)計過程中提供了一致的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

模擬、建模和參數(shù)分析相互協(xié)作

混合動力汽車和電動汽車無疑增加了模擬的復(fù)雜性。傳統(tǒng)的模擬場景離不開定性邏輯型電流或數(shù)值型直流電模擬發(fā)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(zhuǎn)換頻率。此外，各汽車系統(tǒng)域之間相互作用的加強也使多模型系統(tǒng)的驗證成為一個關(guān)鍵的考慮因素。

當(dāng)設(shè)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(tǒng)的汽油發(fā)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(shè)計師還要對各種相互影響進行評估，其中包括直流-直流轉(zhuǎn)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(shù)來最大程度地優(yōu)化電池，延長續(xù)駛里程、減輕重量并縮短充電時間。最后，設(shè)計師還必須能夠細細研究一下電動機、汽油發(fā)動機、變速箱和驅(qū)動系統(tǒng)在不同駕駛循環(huán)條件下的相互影響。