如今油價穩(wěn)步上漲和環(huán)境問題迫使汽車設計和生產(chǎn)業(yè)不得不認真對待電動汽車和電動卡車。但電動汽車和混合動力車引發(fā)的具體設計挑戰(zhàn)遠遠超過了傳統(tǒng)動力汽車。沒有以往工業(yè)記錄參考的全新電氣架構(gòu)設計帶來了新的風險。因此盡量降低風險并在汽車上市前評估設計選擇的虛擬測試環(huán)境是十分必要的。

　　電池性能對于電動汽車和混合動力車的成功極為關鍵。電池性能的三大要素包括電池的能量密度（以千瓦時 （kWh） 計算）、電池的壽命以及成本。只有當這三大要素得到了顯著改進時，混合動力車才可能廣泛普及。

　　汽車要選擇合適的電池類型。對于 Tesla 這樣的純電動汽車而言，電池往往體積更大、功率更高。這些電池往往都是電量耗盡后再重新充滿。由于這種車輛沒有替代動力來源，因此在接近“耗盡”點時的電量計算十分重要。這些電池的電壓往往大于300伏特 （V），容量高達60 kWh。

　　相比而言，混合動力車的電池功率較低?；旌蟿恿囯姵乜赡茉谑褂闷趦?nèi)只經(jīng)過1000次深循環(huán)，但淺循環(huán)可能高達100萬次，并且從來不會真正達到全放狀態(tài)，也常常不能達到全充狀態(tài)?；旌蟿恿囯姵氐碾妷阂话愦笥?44 V，容量最高達10 kWh——遠遠低于電動汽車電池，這是因為混合動力車配有替代動力來源。

　　電動汽車或混合動力車電池的電源管理今后將成為關鍵問題。電源管理的一大要點就是控制充電和發(fā)電；例如，汽車剎車時，必須對反饋到電池組內(nèi)的再生電源加以控制。車內(nèi)通訊網(wǎng)絡必須進一步加強，從而控制這些系統(tǒng)并為正在駕駛或不在車內(nèi)的駕車者提供汽車充電狀態(tài)信息。此外，這類信息也需要反饋給經(jīng)銷商以了解電池組的健康狀況。

　　通常被傳統(tǒng)熱機忽略的車艙溫度、轉(zhuǎn)向和娛樂等輔助設施將需要電池提供動力，因此也需要進行管理。還可能包含改進過的導航系統(tǒng)，用于計算最有效的路線來管理電源，幫助駕駛員找到最近的充電站，或計算出目的地距離，以確保車輛電源的電量充足。在這些需求的促進下，電動汽車和混合動力車將加強電氣工程內(nèi)容設計和對道路車流情況的計算。

　　客戶希望短期內(nèi)原始設備制造商 （OEM） 能提供“增程式”混合動力車和插電式混合動力車。這些類型的車輛結(jié)合了傳統(tǒng)發(fā)動機和電機，但在電子構(gòu)造方面比將要取代的傳統(tǒng)汽車更加復雜。

　　關鍵設計挑戰(zhàn)

　　設計工程師面臨的一項主要挑戰(zhàn)是克服里程方面的擔憂，也就是說他們需要模擬行駛循環(huán)情況，從而讓使用現(xiàn)有電源的車輛的里程和性能達到最高。

　　另一項設計挑戰(zhàn)是需要減少電磁干擾，并且能夠模擬和防止高電流與電壓切換的影響。

　　安全性是設計工程師考慮的重中之重，他們必須能夠確保人們在所有環(huán)境下的安全，包括高電流和電壓，特別是出現(xiàn)故障和碰撞的時候。

　　電氣復雜性的加大對從架構(gòu)上優(yōu)化車輛布局設計提出了更多要求。設計師也因此面臨全面降低車輛成本和重量的壓力。

　　最終，車輛電氣設計內(nèi)容的增加將對該車網(wǎng)絡形成更多需求，因此減少成本并確保網(wǎng)絡能按要求發(fā)揮有效功能顯得越來越重要。

　　電子設計自動化工具可用來解決這些挑戰(zhàn)。明導的 Capital Tools 套件 （Capital?） 為配電系統(tǒng) （EDS） 設計提供全面解決方案，涵蓋了系統(tǒng)要求、特征和功能，以及邏輯和物理架構(gòu)等上游流程，以及制造和服務等下游流程（圖1）。

　　圖1：Capital 等配電系統(tǒng)設計工具涵蓋了從概念到客戶服務的整個車輛生產(chǎn)流程

　　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乎安全的重要功能的失靈等更嚴重的后果。