電子設計自動化技術的領導廠商 Mentor Graphics近日發布一份題為《電動汽車和混合動力車設計的風險較小化及挑戰管理》的研究報告。中文版的報告全文可在 Mentor Graphics 的官方網站閱讀和下載：[ http://automotive.cn.mentor.com/news-publications/mentor-ev-hev-designs ]。

1.關于作者

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

 

2.背景

如今油價穩步上漲和環境問題迫使汽車設計和生產業不得不認真對待電動汽車和電動卡車。但電動汽車和混合動力車引發的具體設計挑戰遠遠超過了傳統動力汽車。沒有以往工業記錄參考的全新電氣架構設計帶來了新的風險。因此盡量降低風險并在汽車上市前評估設計選擇的虛擬測試環境是十分必要的。

 

3.全文要點與大綱如下：

a. 關鍵設計挑戰

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

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候。

電氣復雜性的加大對從架構上優化車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輛成本和重量的壓力。

較終，車輛電氣設計內容的增加將對該車網絡形成更多需求，因此減少成本并確保網絡能按要求發揮有效功能顯得越來越重要。

電子設計自動化工具可用來解決這些挑戰。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，以及制造和服務等下游流程（圖1）。

 

 

b.運行多個行駛循環

設計工程師需要能夠模擬車輛用電和充電的影響。通常這會涉及上下坡時的加速和制動。他們還需要能夠管理高功率輔助設備；如果是混合動力車，則可能需要傳統的發動機啟動，當然也需要車內暖氣和空調設備，而且要能夠提供曾經用車內傳統熱機來提供動力的系統，如動力轉向和制動輔助系統、電動座椅和車窗、車燈和雨刮。低功率系統也需要模擬，其中可能包括導航和娛樂、停車輔助系統、雷達和電話。

 

c.減少電磁干擾

在電動汽車和混合動力車中，高電壓和電流切換的混合再加上低電平網絡信號會帶來較高的信號間交叉耦合風險，這會導致各種問題，如個別組件或整體系統出現故障。設計目標是盡量減少車內和輻射干擾。設計工程師還必須滿足各種機構提出的嚴格標準，如國際標準化組織（International Organization for Standardization，簡稱 ISO）和美國汽車工程師學會（Society of Automotive Engineers，簡稱 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，電磁干擾問題便產生了。一般來說，設計師只能對路徑進行控制，因為能量源和接收體規格一般都是固定的以滿足性能、重量和成本要求。

能量源和接收體設備的布局和間距會影響電磁干擾行為。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境

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

Capital 之類的工具可精確模擬故障引發的電力影響。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，開關和負荷以某種方式結合可導致某個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乎安全的重要功能的失靈等更嚴重的后果。

 

e.設計較佳架構

對于開發任何類型的電動汽車平臺的汽車設計工程師而言，必須考慮很多配置并以較佳的方式進行組裝。這就不可避免地產生了一些問題，例如：

• 電池可占用的空間有多大？如何充電？
• 電池是否應該“分置于”兩個或更多位置？
• 哪種電機配置較適合車輛的預期用途？

 

由于電動汽車平臺依然不太成熟，其中許多問題幾乎沒有公認的解決方案。

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力車設計（電池組位于車尾）與雙電池組設計（電池組位于車身和車頭）（圖2）。軟件顯示單電池組設計布線更少、重量更輕、成本更低、整體組件更少（圖3）。

 

 

4.研究報告總結

設計電動汽車或混合動力車面臨諸多挑戰，需要開發全新的設計配置來尋找較佳方案。新模型開發所需的時間、成本和費用要求設計人員在整個過程中充分利用模擬和虛擬原型。市面上的設計工具現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計輕量級、經濟型配電系統時面臨的難題；通過詳細的電池建模確定較佳充電和需求行為；預計并減少安全和電氣干擾問題；同時仍能嚴格執行新產品的開發進度。

 

5.參考

1. http://automotive.cn.mentor.com/news-publications/tesla
2. MIRA Report Number 01-845060, carried out for Radiocommunication Agency, “Investigation of electromagnetic emissions from alternative powertrain road vehicles.”