电动汽车和混合动力车设计的风险最小化及挑战管理

关于电子设计自动化技的《电动汽车和混合动力车设计的风险最小化及挑战管理》研究报告。

1.关于作者

Phil Davies 是明导集成电气系统部门 (IESD) 产品经理。他曾在英美车队 (BAR) 和本田 F1 车队担任电子设计经理长达11年，并拥有15年的电子和电气系统应用经验，涉及众多 MCAD 和 ECAD 工具，包括 CATIA V5 与 Enovia、西门子 NX 与 Teamcentre、SAP 以及 VeSys Classic 的使用和部署。

2.背景

如今油价稳步上涨和环境问题迫使汽车设计和生产业不得不认真对待电动汽车和电动卡车。但电动汽车和混合动力车引发的具体设计挑战远远超过了传统动力汽车。没有以往工业记录参考的全新电气架构设计带来了新的风险。因此尽量降低风险并在汽车上市前评估设计选择的虚拟测试环境是十分必要的。

3.全文要点与大纲如下：

a. 关键设计挑战

设计工程师面临的一项主要挑战是克服里程方面的担忧，也就是说他们需要模拟行驶循环情况，从而让使用现有电源的车辆的里程和性能达到最高。

另一项设计挑战是需要减少电磁干扰，并且能够模拟和防止高电流与电压切换的影响。

安全性是设计工程师考虑的重中之重，他们必须能够确保人们在所有环境下的安全，包括高电流和电压，特别是出现故障和碰撞的时候。

电气复杂性的加大对从架构上优化车辆布局设计提出了更多要求。设计师也因此面临全面降低车辆成本和重量的压力。

最终，车辆电气设计内容的增加将对该车网络形成更多需求，因此减少成本并确保网络能按要求发挥有效功能显得越来越重要。

电子设计自动化工具可用来解决这些挑战。明导的 Capital Tools 套件 (Capital) 为配电系统 (EDS) 设计提供全面解决方案，涵盖了系统要求、特征和功能，以及逻辑和物理架构等上游流程，以及制造和服务等下游流程(图1)。

Capital 等配电系统设计工具涵盖了从概念到客户服务的整个车辆生产流程

b.运行多个行驶循环

设计工程师需要能够模拟车辆用电和充电的影响。通常这会涉及上下坡时的加速和制动。他们还需要能够管理高功率辅助设备;如果是混合动力车，则可能需要传统的发动机启动，当然也需要车内暖气和空调设备，而且要能够提供曾经用车内传统热机来提供动力的系统，如动力转向和制动辅助系统、电动座椅和车窗、车灯和雨刮。低功率系统也需要模拟，其中可能包括导航和娱乐、停车辅助系统、雷达和电话。

c.减少电磁干扰

在电动汽车和混合动力车中，高电压和电流切换的混合再加上低电平网络信号会带来较高的信号间交叉耦合风险，这会导致各种问题，如个别组件或整体系统出现故障。设计目标是尽量减少车内和辐射干扰。设计工程师还必须满足各种机构提出的严格标准，如国际标准化组织(International Organization for Standardization，简称 ISO)和美国汽车工程师学会(Society of Automotive Engineers，简称 SAE)。

当“能量辐射体”(能量源)找到通往以某种意外方式作出反应的“接收体”的“路径”之后，电磁干扰问题便产生了。一般来说，设计师只能对路径进行控制，因为能量源和接收体规格一般都是固定的以满足性能、重量和成本要求。

能量源和接收体设备的布局和间距会影响电磁干扰行为。设计周期之初的架构建立阶段，设计工程师可使用电气设计工具，根据针对具体设备的间距规则创建自定义间距限制。

Capital 等软件具有多种功能，可帮助减轻这些影响

d.确保所有情况下的安全环境

电动汽车和混合动力车的高电压和电流可带来毁灭性的电击风险。接触高于 80V 的直流电可能致命。由于一些电动汽车和混合动力车的电压可达到 600V 直流电，因此必须考虑所有可能的安全情况并为之进行设计。

Capital 之类的工具可精确模拟故障引发的电力影响。模拟也让设计人员能够预测设计错误的电力影响，如潜电路，开关和负荷以某种方式结合可导致某个电气功能的意外操作或故障，从而带来一系列后果 -- 从驾驶者手足无措到车灯等关乎安全的重要功能的失灵等更严重的后果。[!--empirenews.page--]

e.设计最佳架构

对于开发任何类型的电动汽车平台的汽车设计工程师而言，必须考虑很多配置并以最佳的方式进行组装。这就不可避免地产生了一些问题，例如：

电池可占用的空间有多大?如何充电?

电池是否应该“分置于”两个或更多位置?

哪种电机配置最适合车辆的预期用途?

由于电动汽车平台依然不太成熟，其中许多问题几乎没有公认的解决方案。

模拟工具可利用图形和数字报告，帮助评估采用不同设计方案的成本和重量。虚拟原型(而非实体模型)使设计工程师能够迅速建立需要运用不同解决方案的情况，以确定哪种方案重量更轻、使用的电线和组件更少等等。例如，通过模拟可比较单电池组部分混合动力车设计(电池组位于车尾)与双电池组设计(电池组位于车身和车头)(图2)。软件显示单电池组设计布线更少、重量更轻、成本更低、整体组件更少(图3)。

上图：电池组位于车尾。下图：电池组位于车身和车头。

经 Capital 分析得出，单电池组设计布线更少、重量更轻、成本更低、组件更少。

4.研究报告总结

设计电动汽车或混合动力车面临诸多挑战，需要开发全新的设计配置来寻找最佳方案。新模型开发所需的时间、成本和费用要求设计人员在整个过程中充分利用模拟和虚拟原型。市面上的设计工具现已具备虚拟电气原型所需的综合软件模拟和分析能力，可帮助工程师解决设计轻量级、经济型配电系统时面临的难题;通过详细的电池建模确定最佳充电和需求行为;预计并减少安全和电气干扰问题;同时仍能严格执行新产品的开发进度。