先進(jìn)的配電系統設計工具為向電動(dòng)汽車(chē)的過(guò)渡鋪平道

引言

汽車(chē)設計人員目前面臨一個(gè)既新又舊的挑戰：那就是開(kāi)發(fā)高效經(jīng)濟的新型電動(dòng)汽車(chē)平臺。電動(dòng)汽車(chē)的歷史差不多與傳統燃料汽車(chē)一樣悠久，但是對于今天的大多數人來(lái)說(shuō)它們還是新鮮事物。

1900年，美國汽車(chē)市場(chǎng)基本由三種推進(jìn)系統組成(見(jiàn)圖1)。汽油類(lèi)汽車(chē)排名第三，市場(chǎng)份額僅為22%。

圖1：電動(dòng)汽車(chē)在1900年左右達到頂峰，當時(shí)超過(guò)了內燃機汽車(chē)。

但是1900年是電動(dòng)汽車(chē)的頂點(diǎn)。很快，隨著(zhù)石油的大量發(fā)現，汽油變得普及而便宜。汽油驅動(dòng)汽車(chē)的統治地位得以確立，并且在接下來(lái)的一個(gè)世紀里基本上沒(méi)受到任何挑戰。

不斷增長(cháng)的油價(jià)壓力和環(huán)境問(wèn)題迫使汽車(chē)行業(yè)不得不認真考慮電動(dòng)推進(jìn)系統。設計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)濟的電動(dòng)汽車(chē)。

一切始于電池技術(shù)

當今復雜的電池技術(shù)實(shí)現了高能量密度、合理的質(zhì)量和適當的充電時(shí)間。很多現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 2相比較，即便是最好的電池驅動(dòng)一輛四門(mén)乘用車(chē)，每充一次電最多也只能跑250公里(150英里)3。

設計電池驅動(dòng)汽車(chē)(以及最終達到所有電動(dòng)汽車(chē)都由電池驅動(dòng)的目標)是一個(gè)牽涉到多個(gè)領(lǐng)域的挑戰——如果沒(méi)有軟件工具來(lái)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(wèn)題，并且依然滿(mǎn)足緊迫的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度，這個(gè)挑戰就很難解決。

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)設計挑戰

現在，消費者在購買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)時(shí)必須權衡與傳統燃料汽車(chē)相比的重大折中。相對較高的購買(mǎi)價(jià)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(chē)，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(dòng)與傳統燃料發(fā)動(dòng)機技術(shù)來(lái)生產(chǎn)混合動(dòng)力汽車(chē)。這些平臺同時(shí)發(fā)揮了電池與傳統技術(shù)的長(cháng)處。

混合動(dòng)力汽車(chē)的電池要比純電動(dòng)汽車(chē)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(jìn)汽車(chē)中，同時(shí)使汽車(chē)成本和重量保持在可控范圍。汽車(chē)在運轉的同時(shí)電池也可以充電。但是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(及眾多衍生品)和純電動(dòng)汽車(chē)的推進(jìn)技術(shù)使得汽車(chē)的電氣內容和復雜性顯著(zhù)增加。

所有電動(dòng)汽車(chē)平臺都會(huì )帶來(lái)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(wèn)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(zhù)這個(gè)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(chǎn)品定義一直到維修點(diǎn)的設計過(guò)程中提供了一致的數據基礎。

模擬、建模和參數分析相互協(xié)作

混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)無(wú)疑增加了模擬的復雜性。傳統的模擬場(chǎng)景離不開(kāi)定性邏輯型電流或數值型直流電模擬發(fā)動(dòng)機，但無(wú)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(chē)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(gè)關(guān)鍵的考慮因素。

當設計師在一個(gè)類(lèi)似的混合動(dòng)力配置中為一輛汽車(chē)同時(shí)配備傳統的汽油發(fā)動(dòng)機和電動(dòng)機，除了必須模擬常見(jiàn)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(jìn)行評估，其中包括直流-直流轉換器對整輛車(chē)的影響。

多相交流電為電動(dòng)機提供動(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(cháng)續駛里程、減輕重量并縮短充電時(shí)間。最后，設計師還必須能夠細細研究一下電動(dòng)機、汽油發(fā)動(dòng)機、變速箱和驅動(dòng)系統在不同駕駛循環(huán)條件下的相互影響。

功能全面的配電系統設計平臺可以輕松實(shí)現對直流電路的定性和數值分析。電池和發(fā)動(dòng)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(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)機的最佳組合。

當需要更加詳細的研究時(shí)，配電系統平臺能夠向一個(gè)可兼容的時(shí)間域/交流電分析工具發(fā)送數據，對設計的多物理特性進(jìn)行評估(如圖3所示)。先進(jìn)的傳動(dòng)系統控制算法模型、采用空間矢量調制轉換策略的發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)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(gè)完全集成的系統。

圖3：領(lǐng)先的配電系統工具可以分析直流電現象、溫度效應等。通過(guò)高效的相互合作，一個(gè)系統建模工具集可以增加對時(shí)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(wèn)題，例如比較感應電機與無(wú)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(wèn)題，例如電機驅動(dòng)效率與轉換頻率或功率設備組件選擇。

近年來(lái)，復雜的控制系統(如碰撞躲避系統)增加了汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的通信量，因此需要擴大相應的網(wǎng)絡(luò )容量。電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)也延續了這一趨勢。一個(gè)簡(jiǎn)單的混合動(dòng)力汽車(chē)停止/啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機系統可能涉及多達26個(gè)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(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雜性水平不同的網(wǎng)絡(luò )架構和協(xié)議模型的配電系統解決方案非常重要。

支持安全性

對人類(lèi)來(lái)講，大于80伏的直流電即可致命。由于有些電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)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。