電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)最小化及挑戰(zhàn)管理

運(yùn)行多個(gè)行駛循環(huán)

設(shè)計(jì)工程師需要能夠模擬車輛用電和充電的影響。通常這會(huì)涉及上下坡時(shí)的加速和制動(dòng)。他們還需要能夠管理高功率輔助設(shè)備；如果是混合動(dòng)力車，則可能需要傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)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(jī)來(lái)提供動(dòng)力的系統(tǒng)，如動(dòng)力轉(zhuǎn)向和制動(dòng)輔助系統(tǒng)、電動(dòng)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(dǎo)航和娛樂(lè)、停車輔助系統(tǒng)、雷達(dá)和電話。

模擬第一步就是建立包含眾多車用可選電池類型的數(shù)據(jù)手冊(cè)，包括鋰離子電池和鎳氫電池。這些電池可在Capital等工具中模擬，復(fù)雜程度較高；比如溫度對(duì)電池的影響就可以模擬出來(lái)。

第二步是設(shè)計(jì)車輛電路，然后建立并將模擬模型附到系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備上。

第三步是整合代表車輛各個(gè)部分的多個(gè)系統(tǒng)。根據(jù)客戶選配方案的復(fù)雜性的不同，可能需要建立多種適用于“極度復(fù)雜”的車輛配置的系統(tǒng)。

第四步是為任何需要模擬的系統(tǒng)建立需求模型。比如，Capital支持模擬腳本，因此可運(yùn)行多個(gè)行駛循環(huán)且自動(dòng)在各種情況下運(yùn)行。行駛循環(huán)模擬全程都可以監(jiān)測(cè)和報(bào)告電池狀況。

第五步是分析數(shù)據(jù)結(jié)果，然后做出正確判斷，為車輛選擇符合要求的電池。

減少電磁干擾

在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車中，高電壓和電流切換的混合再加上低電平網(wǎng)絡(luò)信號(hào)會(huì)帶來(lái)較高的信號(hào)間交叉耦合風(fēng)險(xiǎn)，這會(huì)導(dǎo)致各種問(wèn)題，如個(gè)別組件或整體系統(tǒng)出現(xiàn)故障。設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡量減少車內(nèi)和輻射干擾。設(shè)計(jì)工程師還必須滿足各種機(jī)構(gòu)提出的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，簡(jiǎn)稱 ISO）和美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（Society of Automotive Engineers，簡(jiǎn)稱SAE）。

當(dāng)“能量輻射體”（能量源）找到通往以某種意外方式作出反應(yīng)的“接收體”的“路徑”之后，電磁干擾問(wèn)題便產(chǎn)生了。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)師只能對(duì)路徑進(jìn)行控制，因?yàn)槟芰吭春徒邮阵w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(huì)影響電磁干擾行為。設(shè)計(jì)周期之初的架構(gòu)建立階段，設(shè)計(jì)工程師可使用電氣設(shè)計(jì)工具，根據(jù)針對(duì)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；其中大多數(shù)功能側(cè)重于能量源和接收體之間的耦合路徑或受電磁干擾影響的設(shè)備。合理布局是控制電磁干擾影響的有效途徑。汽車工業(yè)研究協(xié)會(huì)(MIRA)最近發(fā)布的一份報(bào)告[2]建議，盡可能拉近電子傳動(dòng)部件及其所控制的電機(jī)之間的距離。理想的接地設(shè)計(jì)方案也可有效控制電磁干擾。Capital軟件可提供支持基于規(guī)則的設(shè)備和接地布局的自動(dòng)化功能，確保適用于所有車輛設(shè)計(jì)的最佳方案。

信號(hào)路由也可用于控制電磁干擾。有時(shí)，信號(hào)必須遠(yuǎn)離嘈雜區(qū)域或通過(guò)單獨(dú)線束發(fā)送，以便能夠阻止高低電壓間的交叉耦合。架構(gòu)開(kāi)發(fā)階段之初，Capital可為基于規(guī)則的信號(hào)路由提供支持；而且隨著實(shí)體設(shè)計(jì)不斷完善，還可支持將信號(hào)分離編碼輸出至3D MCAD工具。諸多這樣的功能最初用于航空設(shè)計(jì)，目前已被眾多領(lǐng)先公司所采用。電氣數(shù)據(jù)也可從一個(gè)工具輸出至另一個(gè)工具，用于電磁干擾估測(cè)和模擬。

有時(shí)還需要屏蔽。盡管屏蔽是控制電磁干擾的有效方法，但成本很高；然而，Capital等電氣設(shè)計(jì)工具可對(duì)成本進(jìn)行精確預(yù)估，讓設(shè)計(jì)工程師能夠在選出最佳方法之前進(jìn)行一系列比較研究。

確保所有情況下的安全環(huán)境

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

Capital之類的工具可精確模擬故障引發(fā)的電力影響。例如，碰撞使接地系統(tǒng)發(fā)生故障，而且因?yàn)榕c直流電電壓發(fā)生耦合使部分車體出現(xiàn)非常危險(xiǎn)的通電情況。設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或意外的電路行為可能導(dǎo)致觸電。采用故障模式與影響分析(FMEA)可精確確定并區(qū)分潛在故障模式的優(yōu)先順序。故障模式與影響分析工作一般比較耗時(shí)，而現(xiàn)在卻可通過(guò)一些電氣設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。根據(jù)故障模式與影響分析的結(jié)果可更好地了解最重要的設(shè)計(jì)問(wèn)題，并提供必要的反饋，這樣設(shè)計(jì)工程師可通過(guò)修改設(shè)計(jì)進(jìn)行糾正。

模擬也讓設(shè)計(jì)人員能夠預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的電力影響，如潛電路，開(kāi)關(guān)和負(fù)荷以某種方式結(jié)合可導(dǎo)致某個(gè)電氣功能的意外操作或故障，從而帶來(lái)一系列后果——從駕駛者手足無(wú)措到車燈等關(guān)乎安全的重要功能的失靈等更嚴(yán)重的后果。

設(shè)計(jì)最佳架構(gòu)

對(duì)于開(kāi)發(fā)任何類型的電動(dòng)汽車平臺(tái)的汽車設(shè)計(jì)工程師而言，必須考慮很多配置并以最佳的方式進(jìn)行組裝。這就不可避免地產(chǎn)生了一些問(wèn)題，例如：

●電池可占用的空間有多大？如何充電？

●電池是否應(yīng)該“分置于”兩個(gè)或更多位置？

●哪種電機(jī)配置最適合車輛的預(yù)期用途？

由于電動(dòng)汽車平臺(tái)依然不太成熟，其中許多問(wèn)題幾乎沒(méi)有公認(rèn)的解決方案。

模擬工具可利用圖形和數(shù)字報(bào)告，幫助評(píng)估采用不同設(shè)計(jì)方案的成本和重量。虛擬原型（而非實(shí)體模型）使設(shè)計(jì)工程師能夠迅速建立需要運(yùn)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(guò)模擬可比較單電池組部分混合動(dòng)力車設(shè)計(jì)（電池組位于車尾）與雙電池組設(shè)計(jì)（電池組位于車身和車頭）（圖2）。軟件顯示單電池組設(shè)計(jì)布線更少、重量更輕、成本更低、整體組件更少（圖3）。