先進(jìn)的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具為向電動(dòng)汽車的過渡鋪平道

引言

汽車設(shè)計(jì)人員目前面臨一個(gè)既新又舊的挑戰(zhàn)：那就是開發(fā)高效經(jīng)濟(jì)的新型電動(dòng)汽車平臺(tái)。電動(dòng)汽車的歷史差不多與傳統(tǒng)燃料汽車一樣悠久，但是對(duì)于今天的大多數(shù)人來說它們還是新鮮事物。

1900年，美國(guó)汽車市場(chǎng)基本由三種推進(jìn)系統(tǒng)組成(見圖1)。汽油類汽車排名第三，市場(chǎng)份額僅為22%。

圖1：電動(dòng)汽車在1900年左右達(dá)到頂峰，當(dāng)時(shí)超過了內(nèi)燃機(jī)汽車。

但是1900年是電動(dòng)汽車的頂點(diǎn)。很快，隨著石油的大量發(fā)現(xiàn)，汽油變得普及而便宜。汽油驅(qū)動(dòng)汽車的統(tǒng)治地位得以確立，并且在接下來的一個(gè)世紀(jì)里基本上沒受到任何挑戰(zhàn)。

不斷增長(zhǎng)的油價(jià)壓力和環(huán)境問題迫使汽車行業(yè)不得不認(rèn)真考慮電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員需要一些工具來加快開發(fā)面向未來市場(chǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的電動(dòng)汽車。

一切始于電池技術(shù)

當(dāng)今復(fù)雜的電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高能量密度、合理的質(zhì)量和適當(dāng)?shù)某潆姇r(shí)間。很多現(xiàn)代化的電池組都使用了鋰離子等化學(xué)元素，鋰離子可以增加行駛里程同時(shí)減輕重量。但是如果將汽油能量密度 12 kWh/kg 與普通鋰離子電池的 0.12 kWh/kg 2相比較，即便是最好的電池驅(qū)動(dòng)一輛四門乘用車，每充一次電最多也只能跑250公里(150英里)3。

設(shè)計(jì)電池驅(qū)動(dòng)汽車(以及最終達(dá)到所有電動(dòng)汽車都由電池驅(qū)動(dòng)的目標(biāo))是一個(gè)牽涉到多個(gè)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)——如果沒有軟件工具來幫助工程師設(shè)計(jì)重量輕、成本低的配電系統(tǒng);建立精細(xì)的電池運(yùn)轉(zhuǎn)、充電和需求模擬模型;預(yù)測(cè)安全和電氣干擾問題，并且依然滿足緊迫的新產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度，這個(gè)挑戰(zhàn)就很難解決。

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車帶來設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

現(xiàn)在，消費(fèi)者在購(gòu)買電動(dòng)汽車時(shí)必須權(quán)衡與傳統(tǒng)燃料汽車相比的重大折中。相對(duì)較高的購(gòu)買價(jià)格、電池更換成本和有限的行駛里程足以讓消費(fèi)者去追捧傳統(tǒng)燃料汽車，而且劣勢(shì)還不止這些。

很多原始設(shè)備制造商選擇結(jié)合使用電動(dòng)與傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)來生產(chǎn)混合動(dòng)力汽車。這些平臺(tái)同時(shí)發(fā)揮了電池與傳統(tǒng)技術(shù)的長(zhǎng)處。

混合動(dòng)力汽車的電池要比純電動(dòng)汽車的小，因?yàn)樗皇情g歇地使用。較小的電池組使設(shè)計(jì)人員更容易將其設(shè)計(jì)進(jìn)汽車中，同時(shí)使汽車成本和重量保持在可控范圍。汽車在運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)電池也可以充電。但是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(及眾多衍生品)和純電動(dòng)汽車的推進(jìn)技術(shù)使得汽車的電氣內(nèi)容和復(fù)雜性顯著增加。

所有電動(dòng)汽車平臺(tái)都會(huì)帶來很多新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，涉及系統(tǒng)模擬、電磁干擾 (EMI)、失效模式與效果分析 (FMEA)、潛在通路分析 (SCA) 等等。

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理是解決電氣設(shè)計(jì)復(fù)雜性問題的核心所在。以數(shù)據(jù)為中心的配電系統(tǒng) (EDS) 設(shè)計(jì)工具包(如圖2所示)就扮演著這個(gè)核心角色，并輔以根據(jù)各自交流電分析能力而選擇的其它工具。

圖2：以數(shù)據(jù)為中心的流程在從產(chǎn)品定義一直到維修點(diǎn)的設(shè)計(jì)過程中提供了一致的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

模擬、建模和參數(shù)分析相互協(xié)作

混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車無疑增加了模擬的復(fù)雜性。傳統(tǒng)的模擬場(chǎng)景離不開定性邏輯型電流或數(shù)值型直流電模擬發(fā)動(dòng)機(jī)，但無法處理多相交流電電壓和電流以及高達(dá)50千赫的轉(zhuǎn)換頻率。此外，各汽車系統(tǒng)域之間相互作用的加強(qiáng)也使多模型系統(tǒng)的驗(yàn)證成為一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。

當(dāng)設(shè)計(jì)師在一個(gè)類似的混合動(dòng)力配置中為一輛汽車同時(shí)配備傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)，除了必須模擬常見的直流弱電流電路行為之外，設(shè)計(jì)師還要對(duì)各種相互影響進(jìn)行評(píng)估，其中包括直流-直流轉(zhuǎn)換器對(duì)整輛車的影響。

多相交流電為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。這就需要新的模擬和建模技術(shù)來最大程度地優(yōu)化電池，延長(zhǎng)續(xù)駛里程、減輕重量并縮短充電時(shí)間。最后，設(shè)計(jì)師還必須能夠細(xì)細(xì)研究一下電動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同駕駛循環(huán)條件下的相互影響。

功能全面的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電路的定性和數(shù)值分析。電池和發(fā)動(dòng)機(jī)行為可以被描述為 VHDL-AMS 等格式，從而模擬出溫度或充電影響等效應(yīng)。工程師可以創(chuàng)建基于駕駛循環(huán)的需求模型，并通過操作一系列場(chǎng)景來決定電池和發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳組合。

當(dāng)需要更加詳細(xì)的研究時(shí)，配電系統(tǒng)平臺(tái)能夠向一個(gè)可兼容的時(shí)間域/交流電分析工具發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)的多物理特性進(jìn)行評(píng)估(如圖3所示)。先進(jìn)的傳動(dòng)系統(tǒng)控制算法模型、采用空間矢量調(diào)制轉(zhuǎn)換策略的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率電子元件模型和基于有限元分析 (FEA) 的準(zhǔn)確機(jī)械模型幾乎可以被組裝和模擬成一個(gè)完全集成的系統(tǒng)。

圖3：領(lǐng)先的配電系統(tǒng)工具可以分析直流電現(xiàn)象、溫度效應(yīng)等。通過高效的相互合作，一個(gè)系統(tǒng)建模工具集可以增加對(duì)時(shí)間域和交流電行為的多物理分析和預(yù)測(cè)。

配電系統(tǒng)平臺(tái)與系統(tǒng)建模工具的配對(duì)解決了高電平設(shè)計(jì)的權(quán)衡問題，例如比較感應(yīng)電機(jī)與無刷直流電機(jī)的駕駛性能或電池壽命。同樣，這也有助于決定低電平設(shè)計(jì)的取舍問題，例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率與轉(zhuǎn)換頻率或功率設(shè)備組件選擇。

近年來，復(fù)雜的控制系統(tǒng)(如碰撞躲避系統(tǒng))增加了汽車網(wǎng)絡(luò)的通信量，因此需要擴(kuò)大相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)容量。電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車也延續(xù)了這一趨勢(shì)。一個(gè)簡(jiǎn)單的混合動(dòng)力汽車停止/啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可能涉及多達(dá)26個(gè)獨(dú)立電子控制單元之間的通信2。最后，F(xiàn)lexray(10兆比特/秒)等技術(shù)將取代更舊、速度更慢的 CAN(1兆比特/秒)網(wǎng)絡(luò)。顯然，選擇一個(gè)能建立各種抽象性和復(fù)雜性水平不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議模型的配電系統(tǒng)解決方案非常重要。

支持安全性

對(duì)人類來講，大于80伏的直流電即可致命。由于有些電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電壓可能達(dá)到600伏直流電，因此每種能想象得到的安全隱患都必須要考慮到。