電動(dòng)汽車(chē)設計的風(fēng)險最小化及挑戰管理

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)。

模擬第一步就是建立包含眾多車(chē)用可選電池類(lèi)型的數據手冊，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，復雜程度較高；比如溫度對電池的影響就可以模擬出來(lái)。

第二步是設計車(chē)輛電路，然后建立并將模擬模型附到系統內的設備上。

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

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

第五步是分析數據結果，然后做出正確判斷，為車(chē)輛選擇符合要求的電池。

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；其中大多數功能側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備。合理布局是控制電磁干擾影響的有效途徑。汽車(chē)工業(yè)研究協(xié)會(huì )(MIRA)最近發(fā)布的一份報告[2]建議，盡可能拉近電子傳動(dòng)部件及其所控制的電機之間的距離。理想的接地設計方案也可有效控制電磁干擾。Capital軟件可提供支持基于規則的設備和接地布局的自動(dòng)化功能，確保適用于所有車(chē)輛設計的最佳方案。

信號路由也可用于控制電磁干擾。有時(shí)，信號必須遠離嘈雜區域或通過(guò)單獨線(xiàn)束發(fā)送，以便能夠阻止高低電壓間的交叉耦合。架構開(kāi)發(fā)階段之初，Capital可為基于規則的信號路由提供支持；而且隨著(zhù)實(shí)體設計不斷完善，還可支持將信號分離編碼輸出至3D MCAD工具。諸多這樣的功能最初用于航空設計，目前已被眾多領(lǐng)先公司所采用。電氣數據也可從一個(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等電氣設計工具可對成本進(jìn)行精確預估，讓設計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(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。例如，碰撞使接地系統發(fā)生故障，而且因為與直流電電壓發(fā)生耦合使部分車(chē)體出現非常危險的通電情況。設計錯誤或意外的電路行為可能導致觸電。采用故障模式與影響分析(FMEA)可精確確定并區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)，而現在卻可通過(guò)一些電氣設計工具實(shí)現自動(dòng)化。根據故障模式與影響分析的結果可更好地了解最重要的設計問(wèn)題，并提供必要的反饋，這樣設計工程師可通過(guò)修改設計進(jìn)行糾正。

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。

設計最佳架構

對于開(kāi)發(fā)任何類(lèi)型的電動(dòng)汽車(chē)平臺的汽車(chē)設計工程師而言，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？

●電池是否應該“分置于”兩個(gè)或更多位置？

●哪種電機配置最適合車(chē)輛的預期用途？

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

模擬工具可利用圖形和數字報告，幫助評估采用不同設計方案的成本和重量。虛擬原型（而非實(shí)體模型）使設計工程師能夠迅速建立需要運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(xiàn)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(chē)設計（電池組位于車(chē)尾）與雙電池組設計（電池組位于車(chē)身和車(chē)頭）（圖2）。軟件顯示單電池組設計布線(xiàn)更少、重量更輕、成本更低、整體組件更少（圖3）。