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先进的配电系统设计工具为向电动汽车的过渡铺平道路
作者:明导国际 Phil Davies
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汽车与公路设备展厅
乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ...
引言

汽车设计人员目前面临一个既新又旧的挑战:那就是开发高效经济的新型电动汽车平台。电动汽车的历史差不多与传统燃料汽车一样悠久,但是对于今天的大多数人来说它们还是"新鲜事物"。

1900年,美国汽车市场基本由三种推进系统组成(见图1)。汽油类汽车排名第三,市场份额仅为22%。

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图1:电动汽车在1900年左右达到顶峰,当时超过了内燃机汽车

但是1900年是电动汽车的顶点。很快,随着石油的大量发现,汽油变得普及而便宜。汽油驱动汽车的统治地位得以确立,并且在接下来的一个世纪里基本上没受到任何挑战。

不断增长的油价压力和环境问题迫使汽车行业不得不认真考虑电动推进系统。设计人员需要一些工具来加快开发面向未来市场的安全、可靠、经济的电动汽车。

一切始于电池技术

当今复杂的电池技术实现了高能量密度、合理的质量和适当的充电时间。很多现代化的电池组都使用了锂离子等化学元素,锂离子可以增加行驶里程同时减轻重量。但是如果将汽油能量密度 12 kWh/kg 与普通锂离子电池的 0.12 kWh/kg 2相比较,即便是"最好的"电池驱动一辆四门乘用车,每充一次电最多也只能跑250公里(150英里)3。

设计电池驱动汽车(以及最终达到所有电动汽车都由电池驱动的目标)是一个牵涉到多个领域的挑战——如果没有软件工具来帮助工程师设计重量轻、成本低的配电系统;建立精细的电池运转、充电和需求模拟模型;预测安全和电气干扰问题,并且依然满足紧迫的新产品开发进度,这个挑战就很难解决。

混合动力电动汽车带来设计挑战

现在,消费者在购买电动汽车时必须权衡与传统燃料汽车相比的重大折中。相对较高的购买价格、电池更换成本和有限的行驶里程足以让消费者去追捧传统燃料汽车,而且劣势还不止这些。

很多原始设备制造商选择结合使用电动与传统燃料发动机技术来生产混合动力汽车。这些平台同时发挥了电池与传统技术的长处。

混合动力汽车的电池要比纯电动汽车的小,因为它只是间歇地使用。较小的电池组使设计人员更容易将其设计进汽车中,同时使汽车成本和重量保持在可控范围。汽车在运转的同时电池也可以充电。但是混合动力电动汽车(及众多衍生品)和纯电动汽车的推进技术使得汽车的电气内容和复杂性显著增加。

所有电动汽车平台都会带来很多新的设计挑战,涉及系统模拟、电磁干扰 (EMI)、失效模式与效果分析 (FMEA)、潜在通路分析 (SCA) 等等。

设计数据管理是解决电气设计复杂性问题的核心所在。以数据为中心的配电系统 (EDS) 设计工具包(如图2所示)就扮演着这个核心角色,并辅以根据各自交流电分析能力而选择的其它工具。

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图2:以数据为中心的流程在从产品定义一直到维修点的设计过程中提供了一致的数据基础

模拟、建模和参数分析相互协作

混合动力汽车和电动汽车无疑增加了模拟的复杂性。传统的模拟场景离不开定性逻辑型电流或数值型直流电模拟发动机,但无法处理多相交流电电压和电流以及高达50千赫的转换频率。此外,各汽车系统域之间相互作用的加强也使多模型系统的验证成为一个关键的考虑因素。

当设计师在一个"类似的"混合动力配置中为一辆汽车同时配备传统的汽油发动机和电动机,除了必须模拟常见的直流弱电流电路行为之外,设计师还要对各种相互影响进行评估,其中包括直流-直流转换器对整辆车的影响。

多相交流电为电动机提供动力。这就需要新的模拟和建模技术来最大程度地优化电池,延长续驶里程、减轻重量并缩短充电时间。最后,设计师还必须能够细细研究一下电动机、汽油发动机、变速箱和驱动系统在不同驾驶循环条件下的相互影响。

功能全面的配电系统设计平台可以轻松实现对直流电路的定性和数值分析。电池和发动机行为可以被描述为 VHDL-AMS 等格式,从而模拟出温度或充电影响等效应。工程师可以创建基于驾驶循环的"需求模型",并通过操作一系列场景来决定电池和发动机的最佳组合。

当需要更加详细的研究时,配电系统平台能够向一个可兼容的时间域/交流电分析工具发送数据,对设计的多物理特性进行评估(如图3所示)。先进的传动系统控制算法模型、采用空间矢量调制转换策略的发动机驱动功率电子元件模型和基于有限元分析 (FEA) 的准确机械模型几乎可以被组装和模拟成一个完全集成的系统。

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图3:领先的配电系统工具可以分析直流电现象、温度效应等。通过高效的相互合作,一个系统建模工具集可以增加对时间域和交流电行为的多物理分析和预测

配电系统平台与系统建模工具的配对解决了高电平设计的权衡问题,例如比较感应电机与无刷直流电机的驾驶性能或电池寿命。同样,这也有助于决定低电平设计的取舍问题,例如电机驱动效率与转换频率或功率设备组件选择。

近年来,复杂的控制系统(如碰撞躲避系统)增加了汽车网络的通信量,因此需要扩大相应的网络容量。电动汽车和混合动力汽车也延续了这一趋势。一个简单的混合动力汽车停止/启动发动机系统可能涉及多达26个独立电子控制单元之间的通信2。最后,Flexray(10兆比特/秒)等技术将取代更旧、速度更慢的 CAN(1兆比特/秒)网络。显然,选择一个能建立各种抽象性和复杂性水平不同的网络架构和协议模型的配电系统解决方案非常重要。

支持安全性

对人类来讲,大于80伏的直流电即可致命。由于有些电动汽车和混合动力电动汽车的电压可能达到600伏直流电,因此每种能想象得到的安全隐患都必须要考虑到。

在配电系统工具的帮助下,设计师的责任是验证新设计是否符合功能要求和企业标准,同时还要最大程度地降低使用者在可预见的操作条件下受伤的风险。这包括创建脚本来检测缺陷,如潜在电路,另外在设计时还必须考虑到正常操作条件以外的情况。一个功能齐全的配电系统将提供失效模式与效果分析工具来帮助完成这一步骤。

电子干扰具有自己的规律

当今的汽车都配有复杂的电子控制系统,整辆车使用了许多低电平感应器信号,因此相互间的干扰也就变得越来越稀松平常。电动汽车和混合动力汽车将要解决这些问题。

基本上同时运作的高电压转换负荷与低电平信号和网络之间的结合必然会带来噪音和交叉耦合的问题。设计工程师必须解决这些实际问题,同时还需要满足国际标准化组织 (ISO) 和汽车工程师协会 (SAE) 等机构提出的严苛标准。

当能源"辐射体"(源)通过某种"路径"变成出现不良反应的"受体"时,电磁干扰问题就会出现。总体说来,为达到性能、重量和成本目标,源和受体规格很可能是固定的,因此设计师将只能对路径进行控制。

辐射体和受体设备的置放及邻近状态会对电磁干扰行为造成影响。在设计初期的架构构建阶段,设计师可使用配电系统工具,根据具体设备指定的分离规则创建自定义的约束。

信号分离也会产生影响。就某些应用(尤其是航空领域应用)而言,分离被纳入了规则。一款有用的配电系统工具集应该能够在需要的时候接收独立线路的分离代码,然后将这一信息传送至 MCAD 工具,用于三维分析。同样地,该工具必须能够在从定义一直到 MCAD 布局和制造绘图的过程中管理同轴屏蔽。

和之前描述的建模工具一样,基于有限元 (FE) 的电磁兼容和热分析解决方案可与配电系统相互作用。KBL 是这两款工具集之间的一种常见门户系统。

架构构建挑战

对于开发任何类型电动汽车平台的汽车设计师来说,需要考虑的配置有很多,而且还要以最理想的状态安装进车内。这就会不可避免地出现一些问题,由于电动汽车平台仍然是新事物,许多问题都几乎没有公认的解决方案:

电池可用的空间有多大?它们将如何充电?
电池需要"分开"置于两处或更多地方吗?
怎样的发动机配置最适合车辆的预期用途?

设计师所选择的配电系统工具必须能够帮助他们评估采用不同设计方案对成本和重量的影响,从而生成图形和数字报告。想象一下设计师是如何包装一系列混合动力电动汽车的电池的。解决方案将可能包括在汽车后面安装一个电池组或两个电池组(如图4所示)。

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图4:两个电池置放方案可能产生两种不同的重量、成本等

通过使用虚拟原型替代实体模型,配电系统设计工具使设计师能够迅速构建两种解决方案的场景,确定哪种方案的重量更轻、使用的电线和组件更少等。创建自定义报告甚至根据对于项目目标的重要性改变各个设计约束的优先顺序都是有可能的。

结论

电动汽车平台给设计师带来了很多新的挑战,从电池置放到配电,再到消除高低电平信号之间的串话。如今领先的配电系统设计环境融合了这些设计师完成产品计划和应对未来纯电动车需求所必备的特征。

作者简介

Phil Davies 是明导国际 (Mentor Graphics) 集成电气系统部门产品经理。他与 BAR 和本田 F1 车队合作了11年,期间他担任电子设计经理。他还拥有15年的电子和电气系统应用经验。他的经验涉及众多 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。

参考文献
1 Bryant University, "The History of American Technology/The Automobile Industry 1900-1909," http://web.bryant.edu/~ehu/h364/materials/cars/cars%20_10.htm
2 Chris Vowles (Axeon Batteries), NMI June 2010
3 mpower.co.uk - http://www.mpoweruk.com/traction.htm
4 Voltswagen.co.uk – Bluemotion 2
5 "No CAN Do," Dr. Willibert Schleuter (Audi), Automotive Engineer, April 2008
6 Clemson University International Center for Automotive Research (CU-ICAR)
7 Paul Hansen, IESF Nov 2009
8 Nancy Gioia, Ford Director of Sustainable Mobility Technologies, quoted in "Year of the Lithium-Ion" Battery," Automotive Engineering International, February 12, 2019(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (8/30/2012)
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