關(guān)于電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技的《電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)最小化及挑戰(zhàn)管理》研究報(bào)告。

1.關(guān)于作者

Phil Davies 是明導(dǎo)集成電氣系統(tǒng)部門(mén) (IESD) 產(chǎn)品經(jīng)理。他曾在英美車隊(duì) (BAR) 和本田 F1 車隊(duì)擔(dān)任電子設(shè)計(jì)經(jīng)理長(zhǎng)達(dá)11年，并擁有15年的電子和電氣系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，涉及眾多 MCAD 和 ECAD 工具，包括 CATIA V5 與 Enovia、西門(mén)子 NX 與 Teamcentre、SAP 以及 VeSys Classic 的使用和部署。

2.背景

如今油價(jià)穩(wěn)步上漲和環(huán)境問(wèn)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(guò)了傳統(tǒng)動(dòng)力汽車。沒(méi)有以往工業(yè)記錄參考的全新電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)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。

3.全文要點(diǎn)與大綱如下：

a. 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(shuō)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(lái)越重要。

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具可用來(lái)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)。

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

b.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(lái)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(lè)、停車輔助系統(tǒng)、雷達(dá)和電話。

c.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(lái)較高的信號(hào)間交叉耦合風(fēng)險(xiǎn)，這會(huì)導(dǎo)致各種問(wèn)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(wèn)題便產(chǎn)生了。一般來(lái)說(shuō)，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

d.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(lái)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。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(kāi)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(lái)一系列后果 -- 從駕駛者手足無(wú)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。[!--empirenews.page--]

e.設(shè)計(jì)最佳架構(gòu)

對(duì)于開(kāi)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(wèn)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(wèn)題幾乎沒(méi)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(guò)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)。

上圖：電池組位于車尾。下圖：電池組位于車身和車頭。

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。

4.研究報(bào)告總結(jié)

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(kāi)發(fā)全新的設(shè)計(jì)配置來(lái)尋找最佳方案。新模型開(kāi)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(guò)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(guò)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(wèn)題;同時(shí)仍能嚴(yán)格執(zhí)行新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。