如今油價(jià)穩(wěn)步上漲和環(huán)境問題迫使汽車設(shè)計(jì)和生產(chǎn)業(yè)不得不認(rèn)真對(duì)待電動(dòng)汽車和電動(dòng)卡車。但電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車引發(fā)的具體設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)動(dòng)力汽車。沒有以往工業(yè)記錄參考的全新電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了新的風(fēng)險(xiǎn)。因此盡量降低風(fēng)險(xiǎn)并在汽車上市前評(píng)估設(shè)計(jì)選擇的虛擬測(cè)試環(huán)境是十分必要的。

　　電池性能對(duì)于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車的成功極為關(guān)鍵。電池性能的三大要素包括電池的能量密度（以千瓦時(shí) （kWh） 計(jì)算）、電池的壽命以及成本。只有當(dāng)這三大要素得到了顯著改進(jìn)時(shí)，混合動(dòng)力車才可能廣泛普及。

　　汽車要選擇合適的電池類型。對(duì)于 Tesla 這樣的純電動(dòng)汽車而言，電池往往體積更大、功率更高。這些電池往往都是電量耗盡后再重新充滿。由于這種車輛沒有替代動(dòng)力來源，因此在接近“耗盡”點(diǎn)時(shí)的電量計(jì)算十分重要。這些電池的電壓往往大于300伏特 （V），容量高達(dá)60 kWh。

　　相比而言，混合動(dòng)力車的電池功率較低。混合動(dòng)力車電池可能在使用期內(nèi)只經(jīng)過1000次深循環(huán)，但淺循環(huán)可能高達(dá)100萬次，并且從來不會(huì)真正達(dá)到全放狀態(tài)，也常常不能達(dá)到全充狀態(tài)。混合動(dòng)力車電池的電壓一般大于144 V，容量最高達(dá)10 kWh——遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電動(dòng)汽車電池，這是因?yàn)榛旌蟿?dòng)力車配有替代動(dòng)力來源。

　　電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力車電池的電源管理今后將成為關(guān)鍵問題。電源管理的一大要點(diǎn)就是控制充電和發(fā)電；例如，汽車剎車時(shí)，必須對(duì)反饋到電池組內(nèi)的再生電源加以控制。車內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò)必須進(jìn)一步加強(qiáng)，從而控制這些系統(tǒng)并為正在駕駛或不在車內(nèi)的駕車者提供汽車充電狀態(tài)信息。此外，這類信息也需要反饋給經(jīng)銷商以了解電池組的健康狀況。

　　通常被傳統(tǒng)熱機(jī)忽略的車艙溫度、轉(zhuǎn)向和娛樂等輔助設(shè)施將需要電池提供動(dòng)力，因此也需要進(jìn)行管理。還可能包含改進(jìn)過的導(dǎo)航系統(tǒng)，用于計(jì)算最有效的路線來管理電源，幫助駕駛員找到最近的充電站，或計(jì)算出目的地距離，以確保車輛電源的電量充足。在這些需求的促進(jìn)下，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車將加強(qiáng)電氣工程內(nèi)容設(shè)計(jì)和對(duì)道路車流情況的計(jì)算。

　　客戶希望短期內(nèi)原始設(shè)備制造商 （OEM） 能提供“增程式”混合動(dòng)力車和插電式混合動(dòng)力車。這些類型的車輛結(jié)合了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)，但在電子構(gòu)造方面比將要取代的傳統(tǒng)汽車更加復(fù)雜。

　　關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　設(shè)計(jì)工程師面臨的一項(xiàng)主要挑戰(zhàn)是克服里程方面的擔(dān)憂，也就是說他們需要模擬行駛循環(huán)情況，從而讓使用現(xiàn)有電源的車輛的里程和性能達(dá)到最高。

　　另一項(xiàng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)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(shè)計(jì)工程師考慮的重中之重，他們必須能夠確保人們?cè)谒协h(huán)境下的安全，包括高電流和電壓，特別是出現(xiàn)故障和碰撞的時(shí)候。

　　電氣復(fù)雜性的加大對(duì)從架構(gòu)上優(yōu)化車輛布局設(shè)計(jì)提出了更多要求。設(shè)計(jì)師也因此面臨全面降低車輛成本和重量的壓力。

　　最終，車輛電氣設(shè)計(jì)內(nèi)容的增加將對(duì)該車網(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越重要。

　　電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具可用來解決這些挑戰(zhàn)。明導(dǎo)的 Capital Tools 套件 （Capital?） 為配電系統(tǒng) （EDS） 設(shè)計(jì)提供全面解決方案，涵蓋了系統(tǒng)要求、特征和功能，以及邏輯和物理架構(gòu)等上游流程，以及制造和服務(wù)等下游流程（圖1）。

　　圖1：Capital 等配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具涵蓋了從概念到客戶服務(wù)的整個(gè)車輛生產(chǎn)流程

　　運(yùn)行多個(gè)行駛循環(huán)

　　設(shè)計(jì)工程師需要能夠模擬車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(shè)備；如果是混合動(dòng)力車，則可能需要傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)然也需要車內(nèi)暖氣和空調(diào)設(shè)備，而且要能夠提供曾經(jīng)用車內(nèi)傳統(tǒng)熱機(jī)來提供動(dòng)力的系統(tǒng)，如動(dòng)力轉(zhuǎn)向和制動(dòng)輔助系統(tǒng)、電動(dòng)座椅和車窗、車燈和雨刮。低功率系統(tǒng)也需要模擬，其中可能包括導(dǎo)航和娛樂、停車輔助系統(tǒng)、雷達(dá)和電話。

　　模擬第一步就是建立包含眾多車用可選電池類型的數(shù)據(jù)手冊(cè)，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(fù)雜程度較高；比如溫度對(duì)電池的影響就可以模擬出來。

　　第二步是設(shè)計(jì)車輛電路，然后建立并將模擬模型附到系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備上。

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

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

　　第五步是分析數(shù)據(jù)結(jié)果，然后做出正確判斷，為車輛選擇符合要求的電池。

　　減少電磁干擾

　　在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車中，高電壓和電流切換的混合再加上低電平網(wǎng)絡(luò)信號(hào)會(huì)帶來較高的信號(hào)間交叉耦合風(fēng)險(xiǎn)，這會(huì)導(dǎo)致各種問題，如個(gè)別組件或整體系統(tǒng)出現(xiàn)故障。設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡量減少車內(nèi)和輻射干擾。設(shè)計(jì)工程師還必須滿足各種機(jī)構(gòu)提出的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，簡(jiǎn)稱 ISO）和美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（Society of Automotive Engineers，簡(jiǎn)稱 SAE）。

　　當(dāng)“能量輻射體”（能量源）找到通往以某種意外方式作出反應(yīng)的“接收體”的“路徑”之后，電磁干擾問題便產(chǎn)生了。一般來說，設(shè)計(jì)師只能對(duì)路徑進(jìn)行控制，因?yàn)槟芰吭春徒邮阵w規(guī)格一般都是固定的以滿足性能、重量和成本要求。

　　能量源和接收體設(shè)備的布局和間距會(huì)影響電磁干擾行為。設(shè)計(jì)周期之初的架構(gòu)建立階段，設(shè)計(jì)工程師可使用電氣設(shè)計(jì)工具，根據(jù)針對(duì)具體設(shè)備的間距規(guī)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(shù)功能側(cè)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(shè)備。合理布局是控制電磁干擾影響的有效途徑。汽車工業(yè)研究協(xié)會(huì) （MIRA） 最近發(fā)布的一份報(bào)告建議，盡可能拉近電子傳動(dòng)部件及其所控制的電機(jī)之間的距離。理想的接地設(shè)計(jì)方案也可有效控制電磁干擾。Capital 軟件可提供支持基于規(guī)則的設(shè)備和接地布局的自動(dòng)化功能，確保適用于所有車輛設(shè)計(jì)的最佳方案。

　　信號(hào)路由也可用于控制電磁干擾。有時(shí)，信號(hào)必須遠(yuǎn)離嘈雜區(qū)域或通過單獨(dú)線束發(fā)送，以便能夠阻止高低電壓間的交叉耦合。架構(gòu)開發(fā)階段之初，Capital 可為基于規(guī)則的信號(hào)路由提供支持；而且隨著實(shí)體設(shè)計(jì)不斷完善，還可支持將信號(hào)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(shè)計(jì)，目前已被眾多領(lǐng)先公司所采用。電氣數(shù)據(jù)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(cè)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(shè)計(jì)工具可對(duì)成本進(jìn)行精確預(yù)估，讓設(shè)計(jì)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)汽車和混合動(dòng)力車的高電壓和電流可帶來毀滅性的電擊風(fēng)險(xiǎn)。接觸高于 80V 的直流電可能致命。由于一些電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車的電壓可達(dá)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(shè)計(jì)。

　　Capital 之類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(tǒng)發(fā)生故障，而且因?yàn)榕c直流電電壓發(fā)生耦合使部分車體出現(xiàn)非常危險(xiǎn)的通電情況。設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或意外的電路行為可能導(dǎo)致觸電。采用故障模式與影響分析 （FMEA） 可精確確定并區(qū)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(xiàn)在卻可通過一些電氣設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。根據(jù)故障模式與影響分析的結(jié)果可更好地了解最重要的設(shè)計(jì)問題，并提供必要的反饋，這樣設(shè)計(jì)工程師可通過修改設(shè)計(jì)進(jìn)行糾正。

　　模擬也讓設(shè)計(jì)人員能夠預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的電力影響，如潛電路，開關(guān)和負(fù)荷以某種方式結(jié)合可導(dǎo)致某個(gè)電氣功能的意外操作或故障，從而帶來一系列后果——從駕駛者手足無措到車燈等關(guān)乎安全的重要功能的失靈等更嚴(yán)重的后果。

　　設(shè)計(jì)最佳架構(gòu)

　　對(duì)于開發(fā)任何類型的電動(dòng)汽車平臺(tái)的汽車設(shè)計(jì)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)生了一些問題，例如：

　　? 電池可占用的空間有多大？如何充電？

　　? 電池是否應(yīng)該“分置于”兩個(gè)或更多位置？

　　? 哪種電機(jī)配置最適合車輛的預(yù)期用途？

　　由于電動(dòng)汽車平臺(tái)依然不太成熟，其中許多問題幾乎沒有公認(rèn)的解決方案。

　　模擬工具可利用圖形和數(shù)字報(bào)告，幫助評(píng)估采用不同設(shè)計(jì)方案的成本和重量。虛擬原型（而非實(shí)體模型）使設(shè)計(jì)工程師能夠迅速建立需要運(yùn)用不同解決方案的情況，以確定哪種方案重量更輕、使用的電線和組件更少等等。例如，通過模擬可比較單電池組部分混合動(dòng)力車設(shè)計(jì)（電池組位于車尾）與雙電池組設(shè)計(jì)（電池組位于車身和車頭）（圖2）。軟件顯示單電池組設(shè)計(jì)布線更少、重量更輕、成本更低、整體組件更少（圖3）。

　　圖2：上圖：電池組位于車尾。下圖：電池組位于車身和車頭。

　　圖3：經(jīng) Capital 分析得出，單電池組設(shè)計(jì)布線更少、重量更輕、成本更低、組件更少。

　　結(jié)論

　　設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力車面臨諸多挑戰(zhàn)，需要開發(fā)全新的設(shè)計(jì)配置來尋找最佳方案。新模型開發(fā)所需的時(shí)間、成本和費(fèi)用要求設(shè)計(jì)人員在整個(gè)過程中充分利用模擬和虛擬原型。市面上的設(shè)計(jì)工具現(xiàn)已具備虛擬電氣原型所需的綜合軟件模擬和分析能力，可幫助工程師解決設(shè)計(jì)輕量級(jí)、經(jīng)濟(jì)型配電系統(tǒng)時(shí)面臨的難題；通過詳細(xì)的電池建模確定最佳充電和需求行為；預(yù)計(jì)并減少安全和電氣干擾問題；同時(shí)仍能嚴(yán)格執(zhí)行新產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度。

　　作者：明導(dǎo)國(guó)際公司Phil Davies