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

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。