先進(jìn)的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具迎接電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

引言

汽車設(shè)計(jì)人員目前面臨一個(gè)既新又舊的挑戰(zhàn)：那就是開(kāi)發(fā)高效經(jīng)濟(jì)的新型電動(dòng)汽車平臺(tái)。電動(dòng)汽車的歷史差不多與傳統(tǒng)燃料汽車一樣悠久，但是對(duì)于今天的大多數(shù)人來(lái)說(shuō)它們還是“新鮮事物”。

1900年，美國(guó)汽車市場(chǎng)基本由三種推進(jìn)系統(tǒng)組成（見(jiàn)圖1）。汽油類汽車排名第三，市場(chǎng)份額僅為22%。

但是1900年是電動(dòng)汽車的頂點(diǎn)。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(dòng)汽車的統(tǒng)治地位得以確立，并且在接下來(lái)的一個(gè)世紀(jì)里基本上沒(méi)受到任何挑戰(zhàn)。

不斷增長(zhǎng)的油價(jià)壓力和環(huán)境問(wèn)題迫使汽車行業(yè)不得不認(rèn)真考慮電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員需要一些工具來(lái)加快開(kāi)發(fā)面向未來(lái)市場(chǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的電動(dòng)汽車。

圖1：電動(dòng)汽車在1900年左右達(dá)到頂峰，當(dāng)時(shí)超過(guò)了內(nèi)燃機(jī)汽車。

一切始于電池技術(shù)

當(dāng)今復(fù)雜的電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高能量密度、合理的質(zhì)量和適當(dāng)?shù)某潆姇r(shí)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(shí)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相比較，即便是“最好的”電池驅(qū)動(dòng)一輛四門乘用車，每充一次電最多也只能跑250公里（150英里）。

設(shè)計(jì)電池驅(qū)動(dòng)汽車（以及最終達(dá)到所有電動(dòng)汽車都由電池驅(qū)動(dòng)的目標(biāo)）是一個(gè)牽涉到多個(gè)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)——如果沒(méi)有軟件工具來(lái)幫助工程師設(shè)計(jì)重量輕、成本低的配電系統(tǒng)；建立精細(xì)的電池運(yùn)轉(zhuǎn)、充電和需求模擬模型；預(yù)測(cè)安全和電氣干擾問(wèn)題，并且依然滿足緊迫的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度，這個(gè)挑戰(zhàn)就很難解決。

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車帶來(lái)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

現(xiàn)在，消費(fèi)者在購(gòu)買電動(dòng)汽車時(shí)必須權(quán)衡與傳統(tǒng)燃料汽車相比的重大折中。相對(duì)較高的購(gòu)買價(jià)格、電池更換成本和有限的行駛里程足以讓消費(fèi)者去追捧傳統(tǒng)燃料汽車，而且劣勢(shì)還不止這些。

很多原始設(shè)備制造商選擇結(jié)合使用電動(dòng)與傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)來(lái)生產(chǎn)混合動(dòng)力汽車。這些平臺(tái)同時(shí)發(fā)揮了電池與傳統(tǒng)技術(shù)的長(zhǎng)處。

混合動(dòng)力汽車的電池要比純電動(dòng)汽車的小，因?yàn)樗皇情g歇地使用。較小的電池組使設(shè)計(jì)人員更容易將其設(shè)計(jì)進(jìn)汽車中，同時(shí)使汽車成本和重量保持在可控范圍。汽車在運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)電池也可以充電。但是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（及眾多衍生品）和純電動(dòng)汽車的推進(jìn)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(dòng)汽車平臺(tái)都會(huì)帶來(lái)很多新的設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)管理是解決電氣設(shè)計(jì)復(fù)雜性問(wèn)題的核心所在。以數(shù)據(jù)為中心的配電系統(tǒng)(EDS)設(shè)計(jì)工具包（如圖2所示）就扮演著這個(gè)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(diǎn)的設(shè)計(jì)過(guò)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(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車無(wú)疑增加了模擬的復(fù)雜性。傳統(tǒng)的模擬場(chǎng)景離不開(kāi)定性邏輯型電流或數(shù)值型直流電模擬發(fā)動(dòng)機(jī)，但無(wú)法處理多相交流電電壓和電流以及高達(dá)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(qiáng)也使多模型系統(tǒng)的驗(yàn)證成為一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。

當(dāng)設(shè)計(jì)師在一個(gè)"類似的"混合動(dòng)力配置中為一輛汽車同時(shí)配備傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)，除了必須模擬常見(jiàn)的直流弱電流電路行為之外，設(shè)計(jì)師還要對(duì)各種相互影響進(jìn)行評(píng)估，其中包括直流-直流轉(zhuǎn)換器對(duì)整輛車的影響。

多相交流電為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。這就需要新的模擬和建模技術(shù)來(lái)最大程度地優(yōu)化電池，延長(zhǎng)續(xù)駛里程、減輕重量并縮短充電時(shí)間。最后，設(shè)計(jì)師還必須能夠細(xì)細(xì)研究一下電動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同駕駛循環(huán)條件下的相互影響。

功能全面的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電路的定性和數(shù)值分析。電池和發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)。工程師可以創(chuàng)建基于駕駛循環(huán)的"需求模型"，并通過(guò)操作一系列場(chǎng)景來(lái)決定電池和發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳組合。

當(dāng)需要更加詳細(xì)的研究時(shí)，配電系統(tǒng)平臺(tái)能夠向一個(gè)可兼容的時(shí)間域/交流電分析工具發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)的多物理特性進(jìn)行評(píng)估（如圖3所示）。先進(jìn)的傳動(dòng)系統(tǒng)控制算法模型、采用空間矢量調(diào)制轉(zhuǎn)換策略的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率電子元件模型和基于有限元分析(FEA)的準(zhǔn)確機(jī)械模型幾乎可以被組裝和模擬成一個(gè)完全集成的系統(tǒng)。

圖3：領(lǐng)先的配電系統(tǒng)工具可以分析直流電現(xiàn)象、溫度效應(yīng)等。通過(guò)高效的相互合作，一個(gè)系統(tǒng)建模工具集可以增加對(duì)時(shí)間域和交流電行為的多物理分析和預(yù)測(cè)。

配電系統(tǒng)平臺(tái)與系統(tǒng)建模工具的配對(duì)解決了高電平設(shè)計(jì)的權(quán)衡問(wèn)題，例如比較感應(yīng)電機(jī)與無(wú)刷直流電機(jī)的駕駛性能或電池壽命。同樣，這也有助于決定低電平設(shè)計(jì)的取舍問(wèn)題，例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率與轉(zhuǎn)換頻率或功率設(shè)備組件選擇。

近年來(lái)，復(fù)雜的控制系統(tǒng)（如碰撞躲避系統(tǒng)）增加了汽車網(wǎng)絡(luò)的通信量，因此需要擴(kuò)大相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)容量。電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車也延續(xù)了這一趨勢(shì)。一個(gè)簡(jiǎn)單的混合動(dòng)力汽車停止/啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可能涉及多達(dá)26個(gè)獨(dú)立電子控制單元之間的通信。最后，F(xiàn)lexray（10兆比特/秒）等技術(shù)將取代更舊、速度更慢的CAN（1兆比特/秒）網(wǎng)絡(luò)。顯然，選擇一個(gè)能建立各種抽象性和復(fù)雜性水平不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議模型的配電系統(tǒng)解決方案非常重要。

支持安全性

對(duì)人類來(lái)講，大于80伏的直流電即可致命。由于有些電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電壓可能達(dá)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(tǒng)工具的幫助下，設(shè)計(jì)師的責(zé)任是驗(yàn)證新設(shè)計(jì)是否符合功能要求和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還要最大程度地降低使用者在可預(yù)見(jiàn)的操作條件下受傷的風(fēng)險(xiǎn)。這包括創(chuàng)建腳本來(lái)檢測(cè)缺陷，如潛在電路，另外在設(shè)計(jì)時(shí)還必須考慮到正常操作條件以外的情況。一個(gè)功能齊全的配電系統(tǒng)將提供失效模式與效果分析工具來(lái)幫助完成這一步驟。

電子干擾具有自己的規(guī)律

當(dāng)今的汽車都配有復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)，整輛車使用了許多低電平感應(yīng)器信號(hào)，因此相互間的干擾也就變得越來(lái)越稀松平常。電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車將要解決這些問(wèn)題。

基本上同時(shí)運(yùn)作的高電壓轉(zhuǎn)換負(fù)荷與低電平信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)之間的結(jié)合必然會(huì)帶來(lái)噪音和交叉耦合的問(wèn)題。設(shè)計(jì)工程師必須解決這些實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)還需要滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO) 和汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)等機(jī)構(gòu)提出的嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)能源"輻射體"（源）通過(guò)某種"路徑"變成出現(xiàn)不良反應(yīng)的"受體"時(shí)，電磁干擾問(wèn)題就會(huì)出現(xiàn)?？傮w說(shuō)來(lái)，為達(dá)到性能、重量和成本目標(biāo)，源和受體規(guī)格很可能是固定的，因此設(shè)計(jì)師將只能對(duì)路徑進(jìn)行控制。

輻射體和受體設(shè)備的置放及鄰近狀態(tài)會(huì)對(duì)電磁干擾行為造成影響。在設(shè)計(jì)初期的架構(gòu)構(gòu)建階段，設(shè)計(jì)師可使用配電系統(tǒng)工具，根據(jù)具體設(shè)備指定的分離規(guī)則創(chuàng)建自定義的約束。

信號(hào)分離也會(huì)產(chǎn)生影響。就某些應(yīng)用（尤其是航空領(lǐng)域應(yīng)用）而言，分離被納入了規(guī)則。一款有用的配電系統(tǒng)工具集應(yīng)該能夠在需要的時(shí)候接收獨(dú)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(guò)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(tǒng)相互作用。KBL是這兩款工具集之間的一種常見(jiàn)門戶系統(tǒng)。

架構(gòu)構(gòu)建挑戰(zhàn)

對(duì)于開(kāi)發(fā)任何類型電動(dòng)汽車平臺(tái)的汽車設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，需要考慮的配置有很多，而且還要以最理想的狀態(tài)安裝進(jìn)車內(nèi)。這就會(huì)不可避免地出現(xiàn)一些問(wèn)題，由于電動(dòng)汽車平臺(tái)仍然是新事物，許多問(wèn)題都幾乎沒(méi)有公認(rèn)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(kāi)"置于兩處或更多地方嗎？

●怎樣的發(fā)動(dòng)機(jī)配置最適合車輛的預(yù)期用途？

設(shè)計(jì)師所選擇的配電系統(tǒng)工具必須能夠幫助他們?cè)u(píng)估采用不同設(shè)計(jì)方案對(duì)成本和重量的影響，從而生成圖形和數(shù)字報(bào)告。想象一下設(shè)計(jì)師是如何包裝一系列混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電池的。解決方案將可能包括在汽車后面安裝一個(gè)電池組或兩個(gè)電池組（如圖4所示）。

圖4：兩個(gè)電池置放方案可能產(chǎn)生兩種不同的重量、成本等。

通過(guò)使用虛擬原型替代實(shí)體模型，配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具使設(shè)計(jì)師能夠迅速構(gòu)建兩種解決方案的場(chǎng)景，確定哪種方案的重量更輕、使用的電線和組件更少等。創(chuàng)建自定義報(bào)告甚至根據(jù)對(duì)于項(xiàng)目目標(biāo)的重要性改變各個(gè)設(shè)計(jì)約束的優(yōu)先順序都是有可能的。

結(jié)論

電動(dòng)汽車平臺(tái)給設(shè)計(jì)師帶來(lái)了很多新的挑戰(zhàn)，從電池置放到配電，再到消除高低電平信號(hào)之間的串話。如今領(lǐng)先的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境融合了這些設(shè)計(jì)師完成產(chǎn)品計(jì)劃和應(yīng)對(duì)未來(lái)純電動(dòng)車需求所必備的特征。