如下內(nèi)容曾以Forcing the Pace of Innovation發(fā)表于NewElectronics2024展望刊。
隨著汽車加速邁進(jìn)電動(dòng)化時(shí)代,在電動(dòng)汽車(EV)的競(jìng)爭激烈和消費(fèi)者期望不斷上升的大潮中,設(shè)計(jì)創(chuàng)新成為推動(dòng)力。一方面,傳統(tǒng)的車企如今正面臨著眾多的新挑戰(zhàn),他們正在加速推出自己的電動(dòng)產(chǎn)品系列來緊跟市場(chǎng)節(jié)奏;另一方面,“輕裝上陣”的造車新勢(shì)力來勢(shì)洶洶,他們則在重新解讀用戶對(duì)交通工具的態(tài)度并試圖重塑電動(dòng)汽車的形式。
根據(jù)European Alternative Fuels Observatory的歐洲市場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示,2015 年電池驅(qū)動(dòng)和插電式混合動(dòng)力 EV 僅占當(dāng)年新車銷售的 1%;而2022年這個(gè)數(shù)字超過了 21%。這樣顯著的增長不僅是市場(chǎng)動(dòng)力的體現(xiàn),更是對(duì)提升電動(dòng)汽車能效的迫切呼聲的反映。
面對(duì)這樣的市場(chǎng)需求,EV 設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)在于如何進(jìn)一步提高車輛能效,這將直接關(guān)系到電車的續(xù)航里程,也是消費(fèi)者極為關(guān)注的一個(gè)核心指標(biāo)。盡管絕大多數(shù)的使用場(chǎng)景都是短途旅行,但里程焦慮依舊會(huì)讓一批潛在消費(fèi)者打退堂鼓。此外,EV 制造商在內(nèi)部還需考慮如稀有資源獲取的能力和不斷變化的監(jiān)管政策的影響等多重挑戰(zhàn)。這些因素都在推動(dòng)著向更高能效方面的設(shè)計(jì)探索。
EV 市場(chǎng)一大顯著的特點(diǎn)在于其肉眼可見、瞬息萬變的變革速度。電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)優(yōu)化現(xiàn)已進(jìn)入到為了單個(gè)品質(zhì)因數(shù)的提升而殫精竭慮的階段。從老牌福特到新貴Rivian,電動(dòng)卡車廠商已經(jīng)能“負(fù)重千鈞”;四門轎跑廠商Lucid聲稱其續(xù)航已經(jīng)達(dá)到 500英里(約 800 公里);Rimac Nevera等極限跑車廠商則在追求極致的加速性能,可以做到 0-60mph(大約 96.6 公里/小時(shí))加速僅需 2 秒的壯舉。
在這場(chǎng)技術(shù)競(jìng)賽中,奔馳則憑其 Vision EQXX 概念車小勝一籌。它集成了多種最先進(jìn)的技術(shù),被稱為“奔馳有史以來能效最高的車型”。得益于極高的空氣動(dòng)力學(xué)效率,輕量化材料,高能量密度電池,低摩擦傳動(dòng)系統(tǒng)和其他增強(qiáng),這款概念車的續(xù)航長達(dá) 1000 公里(621 英里)。
EV 設(shè)計(jì)的新思路:協(xié)同優(yōu)化
奔馳的 Vision EQXX 完美詮釋了能效在電車當(dāng)中所占的比重,這也體現(xiàn)了其采納各種最先進(jìn)技術(shù)后所能達(dá)到的高度。在汽車行業(yè),類似這樣協(xié)同優(yōu)化的例子其實(shí)并不少見,當(dāng)然了,首先得讓設(shè)計(jì)師們接觸到這些資源。
以電動(dòng)汽車(EV)為例,通過提升電池組的直流電工作電壓,就能有效降低傳動(dòng)系統(tǒng)的電流負(fù)荷,這為設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)新的思路:使用更輕便且成本更低的鋁導(dǎo)線替代傳統(tǒng)銅線圈。這樣減輕的重量可以轉(zhuǎn)化為續(xù)航里程的增加或在續(xù)航不變的情況下配置更小更輕的電池。為了挖掘這一潛在能效提升帶來的獲益,就需要依賴于能在高工作電壓下穩(wěn)定工作的電子交換系統(tǒng)和電路板(PCB)。
雖然在當(dāng)下的電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中,碳化硅(SiC)已經(jīng)被證明可以滿足高電壓交換需求,但設(shè)計(jì)師還是需要在對(duì)照實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,驗(yàn)證這種高交換頻率對(duì)電磁兼容性(EMC)的系統(tǒng)性影響。再比如,對(duì)車身的改變可以提高空氣動(dòng)力學(xué)性能,但同時(shí)也會(huì)影響前格柵的傳感器雷達(dá)系統(tǒng)。類似這樣的例子在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域還有很多。
對(duì)于 EV 設(shè)計(jì)師而言,這些多變量優(yōu)化問題構(gòu)成了實(shí)實(shí)在在的挑戰(zhàn)。如果無法在多個(gè)領(lǐng)域快速準(zhǔn)確地完成設(shè)計(jì)探索,那么所有的優(yōu)化和能效提升就只能是“紙上談兵”。但目前而言,很多現(xiàn)有的工具和設(shè)計(jì)流程幫助并不大,它們往往只專注于單一領(lǐng)域,簡單粗暴地把設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)丟進(jìn)數(shù)據(jù)庫,簡單分析后再扔進(jìn)另外一個(gè)工具,最后檢查下是否違反了該領(lǐng)域的任何限制條件。而協(xié)同優(yōu)化的方法則大相徑庭,EV 設(shè)計(jì)師不僅可以用其來檢測(cè)是否存在設(shè)計(jì)違規(guī),還可以應(yīng)對(duì)產(chǎn)品上市時(shí)間的壓力,并解決探索階段在不同設(shè)計(jì)領(lǐng)域的循環(huán)往復(fù)帶來的高成本問題。
Cadence 全面解決方案
推動(dòng)電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)效率革命
面對(duì)日益復(fù)雜的 EV 設(shè)計(jì),有效的解決方案需要從兩個(gè)維度出發(fā)。首先,針對(duì)單學(xué)科設(shè)計(jì)問題,需要在設(shè)計(jì)流程早期就啟動(dòng)分析流程,即實(shí)現(xiàn)所謂的“分析左移”,讓其成為設(shè)計(jì)流程的一個(gè)持續(xù)環(huán)節(jié),而不是臨近結(jié)束才突兀地加入。其次,對(duì)于更為復(fù)雜的系統(tǒng)性問題,廠商需要提供可同時(shí)覆蓋多學(xué)科的綜合設(shè)計(jì)工具,讓設(shè)計(jì)探索更有全局觀。舉個(gè)例子,可以在 PCB 版圖設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)檢查信號(hào)完整性,探索不同電池冷卻策略對(duì)性能的影響,或分析材料變更對(duì)線圈電力傳輸參數(shù)的影響。
服務(wù)于 EV 市場(chǎng)的供應(yīng)商,例如,意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics),已經(jīng)開始采用這種設(shè)計(jì)分析一體化流程,確保設(shè)計(jì)具備足夠的可靠性。比如,想了解某個(gè)零件是否適用于復(fù)雜 PCB 嚴(yán)苛的高功耗應(yīng)用,則可以通過分析設(shè)備在不同工作溫度下的變化的可靠性來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過程需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行電熱協(xié)同仿真,以預(yù)估焦耳熱對(duì)其內(nèi)部 IR 電壓降的影響。
要實(shí)現(xiàn)這樣復(fù)雜和多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化的工作,不得不提到Cadence Allegro PCB 設(shè)計(jì)平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是集成了 Celsius 熱求解器,它的設(shè)計(jì)理念和功能恰好體現(xiàn)了我們之前討論的“分析左移”和綜合設(shè)計(jì)工具的理念。通過 Celsius 熱求解器,Cadence Allegro 支持在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,這大大加快了分析步驟,并確保了設(shè)計(jì)的連貫性和高效性。
針對(duì)更復(fù)雜的問題,Cadence 提供了更精密的設(shè)計(jì)流程和工具。比如,電源完整性分析流程可以處理電源樹,IR 電壓降分析和解耦電容器(decaps)的回路電感;IC 封裝分析適用于直流電電熱性能和交流解耦電容器行為;多結(jié)構(gòu)分析則完整覆蓋了從電源到 PCB,再到中介層和散熱設(shè)備的全過程;同時(shí)還能進(jìn)行包括電子設(shè)備冷卻在內(nèi)的系統(tǒng)級(jí)熱分析。
這些工具都集成在了 Cadence 多種可供選擇的解決方案中,包括面向模擬和定制 IC 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)、RF 和微波設(shè)計(jì),以及 PCB 與封裝。這些解決方案都有各自匹配的系統(tǒng)分析技術(shù),比如 EMC 簽核,信號(hào)與電源完整性分析,以及熱和電子設(shè)備冷卻檢測(cè)。需要強(qiáng)調(diào)的是,Cadence 還可以提供計(jì)算流體力學(xué)分析套件,這是車身設(shè)計(jì)和高效電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)開發(fā)的必備工具。
總結(jié)
電動(dòng)汽車(EV)設(shè)計(jì)開發(fā)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的多學(xué)科合作過程。更何況還要在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭中,不斷滿足更高的能效需求。因?yàn)楦叩睦m(xù)航里程不僅是吸引消費(fèi)者的重要因素,同時(shí)也是各大 EV 制造商競(jìng)相追求的核心競(jìng)爭力。
在這個(gè)追求創(chuàng)新和高能效的 EV 變革浪潮中,Cadence 的角色不可小覷。其協(xié)同優(yōu)化策略,將“分析左移”深度融入設(shè)計(jì)流程,通過在設(shè)計(jì)流程的早期階段就融入分析工具,能夠讓設(shè)計(jì)探索更加高效、精準(zhǔn),確保設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)少走彎路。
Cadence 所提供的一系列針對(duì) EV 設(shè)計(jì)的工具和套件,以及持續(xù)致力于工具間集成和平臺(tái)化的努力,正是行業(yè)發(fā)展的強(qiáng)力推動(dòng)器。這些先進(jìn)的工具不僅為 EV 設(shè)計(jì)師們提供了強(qiáng)大的支持,更是在能效提升這一關(guān)鍵戰(zhàn)場(chǎng)上,讓理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作的橋梁。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新思維的不斷深入,電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的未來充滿無限可能。
EV 市場(chǎng)蓬勃發(fā)展,電池供電的問題在電子電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案中十分重要。為了實(shí)現(xiàn)更高的能效和性能,產(chǎn)品的功率級(jí)必須能夠管理較大的電流,且滿足嚴(yán)格的電能耗散和尺寸要求。正如文中提到的,需要在設(shè)計(jì)早期啟動(dòng)分析流程,且在多個(gè)領(lǐng)域協(xié)同優(yōu)化,如電熱協(xié)同仿真。
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