如今油價穩(wěn)步上漲和環(huán)境問題迫使汽車設(shè)計和生產(chǎn)業(yè)不得不認(rèn)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(fā)的具體設(shè)計挑戰(zhàn)遠遠超過了傳統(tǒng)動力汽車。沒有以往工業(yè)記錄參考的全新電氣架構(gòu)設(shè)計帶來了新的風(fēng)險。因此盡量降低風(fēng)險并在汽車上市前評估設(shè)計選擇的虛擬測試環(huán)境是十分必要的。

　　電池性能對于電動汽車和混合動力車的成功極為關(guān)鍵。電池性能的三大要素包括電池的能量密度（以千瓦時 （kWh） 計算）、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時，混合動力車才可能廣泛普及。

　　汽車要選擇合適的電池類型。對于 Tesla 這樣的純電動汽車而言，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力來源，因此在接近“耗盡”點時的電量計算十分重要。這些電池的電壓往往大于300伏特 （V），容量高達60 kWh。

　　相比而言，混合動力車的電池功率較低?；旌蟿恿囯姵乜赡茉谑褂闷趦?nèi)只經(jīng)過1000次深循環(huán)，但淺循環(huán)可能高達100萬次，并且從來不會真正達到全放狀態(tài)，也常常不能達到全充狀態(tài)?；旌蟿恿囯姵氐碾妷阂话愦笥?44 V，容量最高達10 kWh——遠遠低于電動汽車電池，這是因為混合動力車配有替代動力來源。

　　電動汽車或混合動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就是控制充電和發(fā)電；例如，汽車剎車時，必須對反饋到電池組內(nèi)的再生電源加以控制。車內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò)必須進一步加強，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力，因此也需要進行管理。還可能包含改進過的導(dǎo)航系統(tǒng)，用于計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。在這些需求的促進下，電動汽車和混合動力車將加強電氣工程內(nèi)容設(shè)計和對道路車流情況的計算。

　　客戶希望短期內(nèi)原始設(shè)備制造商 （OEM） 能提供“增程式”混合動力車和插電式混合動力車。這些類型的車輛結(jié)合了傳統(tǒng)發(fā)動機和電機，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)計挑戰(zhàn)

　　設(shè)計工程師面臨的一項主要挑戰(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到最高。

　　另一項設(shè)計挑戰(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)計工程師考慮的重中之重，他們必須能夠確保人們在所有環(huán)境下的安全，包括高電流和電壓，特別是出現(xiàn)故障和碰撞的時候。

　　電氣復(fù)雜性的加大對從架構(gòu)上優(yōu)化車輛布局設(shè)計提出了更多要求。設(shè)計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)計內(nèi)容的增加將對該車網(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)計自動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)計工具涵蓋了從概念到客戶服務(wù)的整個車輛生產(chǎn)流程

　　運行多個行駛循環(huán)

　　設(shè)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(shè)備；如果是混合動力車，則可能需要傳統(tǒng)的發(fā)動機啟動，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)熱機來提供動力的系統(tǒng)，如動力轉(zhuǎn)向和制動輔助系統(tǒng)、電動座椅和車窗、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，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；比如溫度對電池的影響就可以模擬出來。

　　第二步是設(shè)計車輛電路，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部分的多個系統(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，因此可運行多個行駛循環(huán)且自動在各種情況下運行。行駛循環(huán)模擬全程都可以監(jiān)測和報告電池狀況。

　　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(wǎng)絡(luò)信號會帶來較高的信號間交叉耦合風(fēng)險，這會導(dǎo)致各種問題，如個別組件或整體系統(tǒng)出現(xiàn)故障。設(shè)計目標(biāo)是盡量減少車內(nèi)和輻射干擾。設(shè)計工程師還必須滿足各種機構(gòu)提出的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，如國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，簡稱 ISO）和美國汽車工程師學(xué)會（Society of Automotive Engineers，簡稱 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)計師只能對路徑進行控制，因為能量源和接收體規(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)備的布局和間距會影響電磁干擾行為。設(shè)計周期之初的架構(gòu)建立階段，設(shè)計工程師可使用電氣設(shè)計工具，根據(jù)針對具體設(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 （MIRA） 最近發(fā)布的一份報告建議，盡可能拉近電子傳動部件及其所控制的電機之間的距離。理想的接地設(shè)計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化功能，確保適用于所有車輛設(shè)計的最佳方案。

　　信號路由也可用于控制電磁干擾。有時，信號必須遠離嘈雜區(qū)域或通過單獨線束發(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)則的信號路由提供支持；而且隨著實體設(shè)計不斷完善，還可支持將信號分離編碼輸出至 3D MCAD 工具。諸多這樣的功能最初用于航空設(shè)計，目前已被眾多領(lǐng)先公司所采用。電氣數(shù)據(jù)也可從一個工具輸出至另一個工具，用于電磁干擾估測和模擬。

　　有時還需要屏蔽。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)計工具可對成本進行精確預(yù)估，讓設(shè)計工程師能夠在選出最佳方法之前進行一系列比較研究。

　　確保所有情況下的安全環(huán)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(fēng)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(shè)計。

　　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，而且因為與直流電電壓發(fā)生耦合使部分車體出現(xiàn)非常危險的通電情況。設(shè)計錯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，而現(xiàn)在卻可通過一些電氣設(shè)計工具實現(xiàn)自動化。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)計問題，并提供必要的反饋，這樣設(shè)計工程師可通過修改設(shè)計進行糾正。

　　模擬也讓設(shè)計人員能夠預(yù)測設(shè)計錯誤的電力影響，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)計最佳架構(gòu)

　　對于開發(fā)任何類型的電動汽車平臺的汽車設(shè)計工程師而言，必須考慮很多配置并以最佳的方式進行組裝。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”兩個或更多位置？

　　? 哪種電機配置最適合車輛的預(yù)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(rèn)的解決方案。

　　模擬工具可利用圖形和數(shù)字報告，幫助評估采用不同設(shè)計方案的成本和重量。虛擬原型（而非實體模型）使設(shè)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(shè)計（電池組位于車尾）與雙電池組設(shè)計（電池組位于車身和車頭）（圖2）。軟件顯示單電池組設(shè)計布線更少、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)計布線更少、重量更輕、成本更低、組件更少。

　　結(jié)論

　　設(shè)計電動汽車或混合動力車面臨諸多挑戰(zhàn)，需要開發(fā)全新的設(shè)計配置來尋找最佳方案。新模型開發(fā)所需的時間、成本和費用要求設(shè)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(shè)計工具現(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)計輕量級、經(jīng)濟型配電系統(tǒng)時面臨的難題；通過詳細的電池建模確定最佳充電和需求行為；預(yù)計并減少安全和電氣干擾問題；同時仍能嚴(yán)格執(zhí)行新產(chǎn)品的開發(fā)進度。

　　作者：明導(dǎo)國際公司Phil Davies