引言

　　汽車設計人員目前面臨一個既新又舊的挑戰：那就是開發高效經濟的新型電動汽車平臺。電動汽車的歷史差不多與傳統燃料汽車一樣悠久，但是對于今天的大多數人來說它們還是“新鮮事物”。

　　1900年，美國汽車市場基本由三種推進系統組成（見圖1）。汽油類汽車排名第三，市場份額僅為22%。

　　圖1：電動汽車在1900年左右達到頂峰，當時超過了內燃機汽車。

　　但是1900年是電動汽車的頂點。很快，隨著石油的大量發現，汽油變得普及而便宜。汽油驅動汽車的統治地位得以確立，并且在接下來的一個世紀里基本上沒受到任何挑戰。

　　不斷增長的油價壓力和環境問題迫使汽車行業不得不認真考慮電動推進系統。設計人員需要一些工具來加快開發面向未來市場的安全、可靠、經濟的電動汽車。

　　一切始于電池技術

　　當今復雜的電池技術實現了高能量密度、合理的質量和適當的充電時間。很多現代化的電池組都使用了鋰離子等化學元素，鋰離子可以增加行駛里程同時減輕重量。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”電池驅動一輛四門乘用車，每充一次電最多也只能跑250公里（150英里）3。

　　設計電池驅動汽車（以及最終達到所有電動汽車都由電池驅動的目標）是一個牽涉到多個領域的挑戰——如果沒有軟件工具來幫助工程師設計重量輕、成本低的配電系統；建立精細的電池運轉、充電和需求模擬模型；預測安全和電氣干擾問題，并且依然滿足緊迫的新產品開發進度，這個挑戰就很難解決。

　　混合動力電動汽車帶來設計挑戰

　　現在，消費者在購買電動汽車時必須權衡與傳統燃料汽車相比的重大折中。相對較高的購買價格、電池更換成本和有限的行駛里程足以讓消費者去追捧傳統燃料汽車，而且劣勢還不止這些。

　　很多原始設備制造商選擇結合使用電動與傳統燃料發動機技術來生產混合動力汽車。這些平臺同時發揮了電池與傳統技術的長處。

　　混合動力汽車的電池要比純電動汽車的小，因為它只是間歇地使用。較小的電池組使設計人員更容易將其設計進汽車中，同時使汽車成本和重量保持在可控范圍。汽車在運轉的同時電池也可以充電。但是混合動力電動汽車（及眾多衍生品）和純電動汽車的推進技術使得汽車的電氣內容和復雜性顯著增加。

　　所有電動汽車平臺都會帶來很多新的設計挑戰，涉及系統模擬、電磁干擾 （EMI）、失效模式與效果分析 （FMEA）、潛在通路分析 （SCA） 等等。

　　設計數據管理是解決電氣設計復雜性問題的核心所在。以數據為中心的配電系統 （EDS） 設計工具包（如圖2所示）就扮演著這個核心角色，并輔以根據各自交流電分析能力而選擇的其它工具。

　　圖2：以數據為中心的流程在從產品定義一直到維修點的設計過程中提供了一致的數據基礎。

　　模擬、建模和參數分析相互協作

　　混合動力汽車和電動汽車無疑增加了模擬的復雜性。傳統的模擬場景離不開定性邏輯型電流或數值型直流電模擬發動機，但無法處理多相交流電電壓和電流以及高達50千赫的轉換頻率。此外，各汽車系統域之間相互作用的加強也使多模型系統的驗證成為一個關鍵的考慮因素。

　　當設計師在一個“類似的”混合動力配置中為一輛汽車同時配備傳統的汽油發動機和電動機，除了必須模擬常見的直流弱電流電路行為之外，設計師還要對各種相互影響進行評估，其中包括直流-直流轉換器對整輛車的影響。

　　多相交流電為電動機提供動力。這就需要新的模擬和建模技術來最大程度地優化電池，延長續駛里程、減輕重量并縮短充電時間。最后，設計師還必須能夠細細研究一下電動機、汽油發動機、變速箱和驅動系統在不同駕駛循環條件下的相互影響。

　　功能全面的配電系統設計平臺可以輕松實現對直流電路的定性和數值分析。電池和發動機行為可以被描述為 VHDL-AMS 等格式，從而模擬出溫度或充電影響等效應。工程師可以創建基于駕駛循環的“需求模型”，并通過操作一系列場景來決定電池和發動機的最佳組合。

　　當需要更加詳細的研究時，配電系統平臺能夠向一個可兼容的時間域/交流電分析工具發送數據，對設計的多物理特性進行評估（如圖3所示）。先進的傳動系統控制算法模型、采用空間矢量調制轉換策略的發動機驅動功率電子元件模型和基于有限元分析 （FEA） 的準確機械模型幾乎可以被組裝和模擬成一個完全集成的系統。