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电动汽车和混合动力车设计的风险最小化及挑战管理

作者:Phil Davies

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。

电池性能对于电动汽车和混合动力车的成功极为关键。电池性能的三大要素包括电池的能量密度(以千瓦时 (kWh) 计算)、电池的寿命以及成本。只有当这三大要素得到了显著改进时,混合动力车才可能广泛普及。

汽车要选择合适的电池类型。对于 Tesla [1] [http://automotive.cn.mentor.com/news-publications/tesla] 这样的纯电动汽车而言,电池往往体积更大、功率更高。这些电池往往都是电量耗尽后再重新充满。由于这种车辆没有替代动力来源,因此在接近“耗尽”点时的电量计算十分重要。这些电池的电压往往大于300伏特 (V),容量高达60 kWh。

相比而言,混合动力车的电池功率较低。混合动力车电池可能在使用期内只经过1000次深循环,但浅循环可能高达100万次,并且从来不会真正达到全放状态,也常常不能达到全充状态。混合动力车电池的电压一般大于144 V,容量最高达10 kWh——远远低于电动汽车电池,这是因为混合动力车配有替代动力来源。

电动汽车或混合动力车电池的电源管理今后将成为关键问题。电源管理的一大要点就是控制充电和发电;例如,汽车刹车时,必须对反馈到电池组内的再生电源加以控制。车内通讯网络必须进一步加强,从而控制这些系统并为正在驾驶或不在车内的驾车者提供汽车充电状态信息。此外,这类信息也需要反馈给经销商以了解电池组的健康状况。

通常被传统热机忽略的车舱温度、转向和娱乐等辅助设施将需要电池提供动力,因此也需要进行管理。还可能包含改进过的导航系统,用于计算最有效的路线来管理电源,帮助驾驶员找到最近的充电站,或计算出目的地距离,以确保车辆电源的电量充足。在这些需求的促进下,电动汽车和混合动力车将加强电气工程内容设计和对道路车流情况的计算。

客户希望短期内原始设备制造商 (OEM) 能提供“增程式”混合动力车和插电式混合动力车。这些类型的车辆结合了传统发动机和电机,但在电子构造方面比将要取代的传统汽车更加复杂。

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)。

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

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。

模拟第一步就是建立包含众多车用可选电池类型的数据手册,包括锂离子电池和镍氢电池。这些电池可在 Capital 等工具中模拟,复杂程度较高;比如温度对电池的影响就可以模拟出来。

第二步是设计车辆电路,然后建立并将模拟模型附到系统内的设备上。

第三步是整合代表车辆各个部分的多个系统。根据客户选配方案的复杂性的不同,可能需要建立多种适用于“极度复杂”的车辆配置的系统。

第四步是为任何需要模拟的系统建立需求模型。比如,Capital 支持模拟脚本,因此可运行多个行驶循环且自动在各种情况下运行。行驶循环模拟全程都可以监测和报告电池状况。

第五步是分析数据结果,然后做出正确判断,为车辆选择符合要求的电池。

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;其中大多数功能侧重于能量源和接收体之间的耦合路径或受电磁干扰影响的设备。合理布局是控制电磁干扰影响的有效途径。汽车工业研究协会 (MIRA) 最近发布的一份报告 [2] 建议,尽可能拉近电子传动部件及其所控制的电机之间的距离。理想的接地设计方案也可有效控制电磁干扰。Capital 软件可提供支持基于规则的设备和接地布局的自动化功能,确保适用于所有车辆设计的最佳方案。

信号路由也可用于控制电磁干扰。有时,信号必须远离嘈杂区域或通过单独线束发送,以便能够阻止高低电压间的交叉耦合。架构开发阶段之初,Capital 可为基于规则的信号路由提供支持;而且随着实体设计不断完善,还可支持将信号分离编码输出至 3D MCAD 工具。诸多这样的功能最初用于航空设计,目前已被众多领先公司所采用。电气数据也可从一个工具输出至另一个工具,用于电磁干扰估测和模拟。

有时还需要屏蔽。尽管屏蔽是控制电磁干扰的有效方法,但成本很高;然而,Capital 等电气设计工具可对成本进行精确预估,让设计工程师能够在选出最佳方法之前进行一系列比较研究。

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。例如,碰撞使接地系统发生故障,而且因为与直流电电压发生耦合使部分车体出现非常危险的通电情况。设计错误或意外的电路行为可能导致触电。采用故障模式与影响分析 (FMEA) 可精确确定并区分潜在故障模式的优先顺序。故障模式与影响分析工作一般比较耗时,而现在却可通过一些电气设计工具实现自动化。根据故障模式与影响分析的结果可更好地了解最重要的设计问题,并提供必要的反馈,这样设计工程师可通过修改设计进行纠正。

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。

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)。

图2:上图:电池组位于车尾。下图:电池组位于车身和车头。

图3: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。

结论

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。

参考

1. http://automotive.cn.mentor.com/news-publications/tesla

2. MIRA Report Number 01-845060, carried out for Radiocommunication Agency, “Investigation of electromagnetic emissions from alternative powertrain road vehicles.”

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。