配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具為向電動(dòng)汽車(chē)的過(guò)渡鋪平道路

2012年07月30日 15:36 來(lái)源:明導(dǎo)國(guó)際 作者:秩名 我要評(píng)論(0)

  引言

  汽車(chē)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(kāi)發(fā)高效經(jīng)濟(jì)的新型電動(dòng)汽車(chē)平臺(tái)。電動(dòng)汽車(chē)的歷史差不多與傳統(tǒng)燃料汽車(chē)一樣悠久,但是對(duì)于今天的大多數(shù)人來(lái)說(shuō)它們還是“新鮮事物”。

  1900年,美國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)基本由三種推進(jìn)系統(tǒng)組成(見(jiàn)圖1)。汽油類(lèi)汽車(chē)排名第三,市場(chǎng)份額僅為22%。

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  圖1:電動(dòng)汽車(chē)在1900年左右達(dá)到頂峰,當(dāng)時(shí)超過(guò)了內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。

  但是1900年是電動(dòng)汽車(chē)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(chē)的統(tǒng)治地位得以確立,并且在接下來(lái)的一個(gè)世紀(jì)里基本上沒(méi)受到任何挑戰(zhàn)。

  不斷增長(zhǎng)的油價(jià)壓力和環(huán)境問(wèn)題迫使汽車(chē)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(lái)加快開(kāi)發(fā)面向未來(lái)市場(chǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的電動(dòng)汽車(chē)。

  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(mén)乘用車(chē),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(chē)(以及最終達(dá)到所有電動(dòng)汽車(chē)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(méi)有軟件工具來(lái)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(wèn)題,并且依然滿足緊迫的新產(chǎn)品開(kāi)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(chē)帶來(lái)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

  現(xiàn)在,消費(fèi)者在購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)時(shí)必須權(quán)衡與傳統(tǒng)燃料汽車(chē)相比的重大折中。相對(duì)較高的購(gòu)買(mǎi)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(chē),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(lái)生產(chǎn)混合動(dòng)力汽車(chē)。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(chē)的電池要比純電動(dòng)汽車(chē)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(chē)中,同時(shí)使汽車(chē)成本和重量保持在可控范圍。汽車(chē)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(chē)(及眾多衍生品)和純電動(dòng)汽車(chē)的推進(jìn)技術(shù)使得汽車(chē)的電氣內(nèi)容和復(fù)雜性顯著增加。

  所有電動(dòng)汽車(chē)平臺(tái)都會(huì)帶來(lái)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(wèn)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。

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  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(guò)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(chē)和電動(dòng)汽車(chē)無(wú)疑增加了模擬的復(fù)雜性。傳統(tǒng)的模擬場(chǎng)景離不開(kāi)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(wú)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(chē)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(lèi)似的”混合動(dòng)力配置中為一輛汽車(chē)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(jiàn)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(chē)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(lái)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。

  功能全面的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電路的定性和數(shù)值分析。電池和發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)。工程師可以創(chuàng)建基于駕駛循環(huán)的“需求模型”,并通過(guò)操作一系列場(chǎng)景來(lái)決定電池和發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳組合。

  當(dāng)需要更加詳細(xì)的研究時(shí),配電系統(tǒng)平臺(tái)能夠向一個(gè)可兼容的時(shí)間域/交流電分析工具發(fā)送數(shù)據(jù),對(duì)設(shè)計(jì)的多物理特性進(jìn)行評(píng)估(如圖3所示)。先進(jìn)的傳動(dòng)系統(tǒng)控制算法模型、采用空間矢量調(diào)制轉(zhuǎn)換策略的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率電子元件模型和基于有限元分析 (FEA) 的準(zhǔn)確機(jī)械模型幾乎可以被組裝和模擬成一個(gè)完全集成的系統(tǒng)。

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