電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)設計的風(fēng)險最小化及挑戰管理

關(guān)于電子設計自動(dòng)化技的《電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)設計的風(fēng)險最小化及挑戰管理》研究報告。

1.關(guān)于作者

Phil Davies 是明導集成電氣系統部門(mén) (IESD) 產(chǎn)品經(jīng)理。他曾在英美車(chē)隊 (BAR) 和本田 F1 車(chē)隊擔任電子設計經(jīng)理長(cháng)達11年，并擁有15年的電子和電氣系統應用經(jīng)驗，涉及眾多 MCAD 和 ECAD 工具，包括 CATIA V5 與 Enovia、西門(mén)子 NX 與 Teamcentre、SAP 以及 VeSys Classic 的使用和部署。

2.背景

如今油價(jià)穩步上漲和環(huán)境問(wèn)題迫使汽車(chē)設計和生產(chǎn)業(yè)不得不認真對待電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)卡車(chē)。但電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)引發(fā)的具體設計挑戰遠遠超過(guò)了傳統動(dòng)力汽車(chē)。沒(méi)有以往工業(yè)記錄參考的全新電氣架構設計帶來(lái)了新的風(fēng)險。因此盡量降低風(fēng)險并在汽車(chē)上市前評估設計選擇的虛擬測試環(huán)境是十分必要的。

3.全文要點(diǎn)與大綱如下：

a. 關(guān)鍵設計挑戰

設計工程師面臨的一項主要挑戰是克服里程方面的擔憂(yōu)，也就是說(shuō)他們需要模擬行駛循環(huán)情況，從而讓使用現有電源的車(chē)輛的里程和性能達到最高。

另一項設計挑戰是需要減少電磁干擾，并且能夠模擬和防止高電流與電壓切換的影響。

安全性是設計工程師考慮的重中之重，他們必須能夠確保人們在所有環(huán)境下的安全，包括高電流和電壓，特別是出現故障和碰撞的時(shí)候。

電氣復雜性的加大對從架構上優(yōu)化車(chē)輛布局設計提出了更多要求。設計師也因此面臨全面降低車(chē)輛成本和重量的壓力。

最終，車(chē)輛電氣設計內容的增加將對該車(chē)網(wǎng)絡(luò )形成更多需求，因此減少成本并確保網(wǎng)絡(luò )能按要求發(fā)揮有效功能顯得越來(lái)越重要。

電子設計自動(dòng)化工具可用來(lái)解決這些挑戰。明導的 Capital Tools 套件 (Capital) 為配電系統 (EDS) 設計提供全面解決方案，涵蓋了系統要求、特征和功能，以及邏輯和物理架構等上游流程，以及制造和服務(wù)等下游流程(圖1)。

Capital 等配電系統設計工具涵蓋了從概念到客戶(hù)服務(wù)的整個(gè)車(chē)輛生產(chǎn)流程

b.運行多個(gè)行駛循環(huán)

設計工程師需要能夠模擬車(chē)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備;如果是混合動(dòng)力車(chē)，則可能需要傳統的發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)，當然也需要車(chē)內暖氣和空調設備，而且要能夠提供曾經(jīng)用車(chē)內傳統熱機來(lái)提供動(dòng)力的系統，如動(dòng)力轉向和制動(dòng)輔助系統、電動(dòng)座椅和車(chē)窗、車(chē)燈和雨刮。低功率系統也需要模擬，其中可能包括導航和娛樂(lè )、停車(chē)輔助系統、雷達和電話(huà)。

c.減少電磁干擾

在電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)中，高電壓和電流切換的混合再加上低電平網(wǎng)絡(luò )信號會(huì )帶來(lái)較高的信號間交叉耦合風(fēng)險，這會(huì )導致各種問(wèn)題，如個(gè)別組件或整體系統出現故障。設計目標是盡量減少車(chē)內和輻射干擾。設計工程師還必須滿(mǎn)足各種機構提出的嚴格標準，如國際標準化組織(International Organization for Standardization，簡(jiǎn)稱(chēng) ISO)和美國汽車(chē)工程師學(xué)會(huì )(Society of Automotive Engineers，簡(jiǎn)稱(chēng) SAE)。

當“能量輻射體”(能量源)找到通往以某種意外方式作出反應的“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)，設計師只能對路徑進(jìn)行控制，因為能量源和接收體規格一般都是固定的以滿(mǎn)足性能、重量和成本要求。

能量源和接收體設備的布局和間距會(huì )影響電磁干擾行為。設計周期之初的架構建立階段，設計工程師可使用電氣設計工具，根據針對具體設備的間距規則創(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

d.確保所有情況下的安全環(huán)境

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

Capital 之類(lèi)的工具可精確模擬故障引發(fā)的電力影響。模擬也讓設計人員能夠預測設計錯誤的電力影響，如潛電路，開(kāi)關(guān)和負荷以某種方式結合可導致某個(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(chē)燈等關(guān)乎安全的重要功能的失靈等更嚴重的后果。