先進(jìn)的配電系統設計工具迎接電動(dòng)汽車(chē)設計挑戰

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%。

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)。

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)。

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）。

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。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。

在配電系統工具的幫助下，設計師的責任是驗證新設計是否符合功能要求和企業(yè)標準，同時(shí)還要最大程度地降低使用者在可預見(jiàn)的操作條件下受傷的風(fēng)險。這包括創(chuàng )建腳本來(lái)檢測缺陷，如潛在電路，另外在設計時(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律

當今的汽車(chē)都配有復雜的電子控制系統，整輛車(chē)使用了許多低電平感應器信號，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(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)將要解決這些問(wèn)題。

基本上同時(shí)運作的高電壓轉換負荷與低電平信號和網(wǎng)絡(luò )之間的結合必然會(huì )帶來(lái)噪音和交叉耦合的問(wèn)題。設計工程師必須解決這些實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)還需要滿(mǎn)足國際標準化組織(ISO) 和汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )(SAE)等機構提出的嚴苛標準。

當能源"輻射體"（源）通過(guò)某種"路徑"變成出現不良反應的"受體"時(shí)，電磁干擾問(wèn)題就會(huì )出現?？傮w說(shuō)來(lái)，為達到性能、重量和成本目標，源和受體規格很可能是固定的，因此設計師將只能對路徑進(jìn)行控制。

輻射體和受體設備的置放及鄰近狀態(tài)會(huì )對電磁干擾行為造成影響。在設計初期的架構構建階段，設計師可使用配電系統工具，根據具體設備指定的分離規則創(chuàng )建自定義的約束。

信號分離也會(huì )產(chǎn)生影響。就某些應用（尤其是航空領(lǐng)域應用）而言，分離被納入了規則。一款有用的配電系統工具集應該能夠在需要的時(shí)候接收獨立線(xiàn)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相互作用。KBL是這兩款工具集之間的一種常見(jiàn)門(mén)戶(hù)系統。

架構構建挑戰

對于開(kāi)發(fā)任何類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)平臺的汽車(chē)設計師來(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(chē)內。這就會(huì )不可避免地出現一些問(wèn)題，由于電動(dòng)汽車(chē)平臺仍然是新事物，許多問(wèn)題都幾乎沒(méi)有公認的解決方案：

●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)機配置最適合車(chē)輛的預期用途？

設計師所選擇的配電系統工具必須能夠幫助他們評估采用不同設計方案對成本和重量的影響，從而生成圖形和數字報告。想象一下設計師是如何包裝一系列混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的電池的。解決方案將可能包括在汽車(chē)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，配電系統設計工具使設計師能夠迅速構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(xiàn)和組件更少等。創(chuàng )建自定義報告甚至根據對于項目目標的重要性改變各個(gè)設計約束的優(yōu)先順序都是有可能的。

結論

電動(dòng)汽車(chē)平臺給設計師帶來(lái)了很多新的挑戰，從電池置放到配電，再到消除高低電平信號之間的串話(huà)。如今領(lǐng)先的配電系統設計環(huán)境融合了這些設計師完成產(chǎn)品計劃和應對未來(lái)純電動(dòng)車(chē)需求所必備的特征。