電動汽車設計的風險最小化及挑戰(zhàn)管理

運行多個行駛循環(huán)

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(tǒng)的發(fā)動機啟動，當然也需要車內(nèi)暖氣和空調(diào)設備，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。

第二步是設計車輛電路，然后建立并將模擬模型附到系統(tǒng)內(nèi)的設備上。

第三步是整合代表車輛各個部分的多個系統(tǒng)。根據(jù)客戶選配方案的復雜性的不同，可能需要建立多種適用于“極度復雜”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(tǒng)出現(xiàn)故障。設計目標是盡量減少車內(nèi)和輻射干擾。設計工程師還必須滿足各種機構(gòu)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(chǎn)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(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(gòu)建立階段，設計工程師可使用電氣設計工具，根據(jù)針對具體設備的間距規(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[2]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)則的設備和接地布局的自動化功能，確保適用于所有車輛設計的最佳方案。

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等電氣設計工具可對成本進行精確預估，讓設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(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。設計錯誤或意外的電路行為可能導致觸電。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計問題，并提供必要的反饋，這樣設計工程師可通過修改設計進行糾正。

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(guān)和負荷以某種方式結(jié)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(guān)乎安全的重要功能的失靈等更嚴重的后果。

設計最佳架構(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？

●電池是否應該“分置于”兩個或更多位置？

●哪種電機配置最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(shù)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）。