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车辆电气化对电气系统设计的影响

发布日期:2018-08-20

简介:

 电气分配系统 (EDS) 是在更广泛的多领域范围内设计的。鉴于过去 12-18 个月车辆电气化和自动驾驶的加 速发展趋势,汽车制造商和供应商正在重新审视其 EDS 流程和工具。不仅仅是成熟的业内企业对 EDS 供 应商提出了更多要求。最近的统计表明,约有 300 家公司正在研发电动汽车和轻型卡车,其中近 100 家公 司已宣布自动驾驶计划。这些公司中有许多是汽车行业的新进入者,正在努力颠覆现状。 自动驾驶和电气化要求对车内电气和电子架构进行重大变革。其部分原因是电气化引入的高电压,更多 安全考量,以及显著减轻车重以使行驶距离最大化,以及自动驾驶引入的“失效运行”的设计,大大增 加的数据网络负载和虚拟验证要求。电气化自动驾驶汽车竞赛已拉开帷幕。 本文将考察自动驾驶和电气化的一些启示,然后深入探讨高压电气化对电气系统设计方式的技术影响。


电气化程度的提高 

传统观点认为,在过去的一二十年里,全球汽车行业经历了一轮比一轮剧烈的颠覆。首先是中国作为主 要汽车市场(目前在需求和供应方面均为世界最大市场)的崛起,其次是主流混合动力电动汽车的推 出,最后是自动驾驶和移动服务的兴起。 下面的图片说明了为什么最终是自动驾驶对 EDS 的影响最大。左边的第一幅图片是 Chevy Bolt EV 低压线 束的照片,这款车于 2016 年推出,备受好评,部分原因是其一次充电可行驶近 400 公里。现在考虑右边 的第二幅图片,其为 Bolt 的自动驾驶版本,目前尚未量产。自动驾驶对 EDS 的影响是显而易见的。实际上, 在 2017 年 11 月给通用投资者所作的演示中,该公司介绍,与非自动驾驶版本相比,其新增 40 个传感器,新 硬件内容增加 40%。



不过,自动驾驶距离大众仍有数年时间,尤其是 L4/L5 级几乎完全无需干预的驾驶。尽管充斥着市场营销 的嘈杂和大量新闻报道,但大多数人预期自动驾驶将进入一个众所周知的“幻觉破灭期”—— Gartner 如 是说。事实上,最近的自动驾驶故事似乎将重点放在更朴实的应用上,例如以相对较低的速度在有地理 围栏的区域中运行的班车。




图 3:2017 年 6 月至 10 月公布的电动汽车计划;图片由 Teslarati 的 Chad Berndt 提供 (参见:https://www.teslarati.com/automakers-come-acceptance-ev-revolution-begun/)。


但在电气化方面,情况并非如此,电气化发展正在加速,从而也影响到产品开发时间,包括 EDS 设计团队 的工作。上图仅显示了 2017 年 6 月至 10 月间企业和政府就电气化计划发布的部分公告。大量这种匆忙进 入市场的情况,以及后续的产品开发时间压力,都是由于害怕落后而不是试图成为先行者所造成的。此 类活动的结果是,设计组织需要适当的流程和工具来帮助他们快速响应变化。旧的交互式流程不足以满 足现在尽快行动的需要,导致企业组织投资于高水平的设计自动化和虚拟验证。


多领域设计和安全 

电动汽车需要更多地关注真正的多领域系统级设计。一个简单例子是再生制动。大功率电动机、动力电 子设备和高容量蓄电池组的加入,意味着制动系统现在必须考虑大功率电子器件的动态特性、电动机特 性、电池电气安全性以及电池化学特性,以便了解和管理制动能量的捕获。它不再仅仅被作为摩擦制动 产生的热量而排出,而且还能通过电池储能再次转换成有用的能量。该系统的设计要求机械、电气和热 领域之间的集成度达到更高水平。工程软件工具之间有必要进行真正的多领域数据交换,以便从概念阶 段早期开始即向系统设计提供信息。在最先进的汽车 OEM 企业中,当设计高压电动动力系统时,热、电 气和机械设计人员的合作越来越紧密,因为他们各自的“独立”决策都会对其他人产生重大影响。(请 参阅 Mentor 白皮书“汽车 ECAD-MCAD 协同设计让设计一次成功”。) 


高压电气系统设计的一个必要方面,同时也是主要方面是确保存在防止触电的安全机制(采用良好的专 业工程实践,并且满足 UN ECE Reg 100 第 5 部分要求)。高压电动车辆设计中引入高压互锁回路 (HVIL), 以在车辆故障排查或纠正时移除高压连接器等情况下保障电气安全。最好在设计阶段就验证 HVIL 保护。 必须确认 HVIL 电路设计中没有意外遗漏高压连接器和元器件。此外,我们还需要确认,当连续性被破坏 时电路能提供所需的保护,并且在该电路内的正确位置进行电路检测,以便快捷地定位故障。这是车辆 整体电气安全和故障检测策略的关键部分。使用 Mentor Capital 工具,公司可以生成一套支持自动产生 HVIL 电路的设计规则和检查,以优化长度和布线等,以及检查电路完整性。


图 4:特斯拉 Model X 线束 3D 扫描,图片由 Caresoft 的 Chandrashekaran R 提供。


其他考量:热量、重量和车辆启动/关停 

连接器的局部加热是一个问题,如果工具支持机械、热、电气的跨领域集成,那么将能更好地解决该问 题。一个相关的设计考虑是超高功率直流充电系统 (150-350kW+),这需要对车辆侧充电器配接连接器进 行细致的热分析,并将高压电缆连接到电池。另外,能够分析高压系统中的总热损耗也是有利的,这有 助于估算行驶距离,并确保高压电缆维持适当的热间隙。 在设计阶段确保设计的高压电气系统处于隔离状态,可以减少后期的重新设计和潜在的物理返工。在电 气系统设计软件中嵌入设计规则检查,可以使这种检查自动化进行,从而在早期阶段对设计产生更高的 信心。 优化封装和重量需要电气和机械设计工具之间深度整合。这是电动汽车的一个关键问题。例如,2017 款 大众高尔夫 SE 汽油版与电动版的同类对比显示,电动版的空车重量增加了 32%。当增加自动驾驶包之后, 情况变得更加明显。密歇根大学和福特公司的研究人员在 2018 年 2 月的一篇论文中指出,尽管车辆能够 优化驾驶曲线,但大型自动驾驶系统实际上可能会增加自动驾驶电动车辆的净能耗。


电气分配系统是车辆中第三重的系统(仅次于底盘和动力总成),因此减少 EDS 质量对实现车辆总重目 标有重要贡献。设计电动汽车连接器和电缆时,管理传导大电流所需的物理尺寸和质量是更重大的挑战 之一。例如,OEM 在考虑去除和/或减少高压电缆屏蔽以优化重量和封装。显然,这意味着需要通过工 具集成来管理电磁干扰,以分析高压电缆、电池管理系统和电力电子设备等来源产生的高频和低频辐 射。随之而来的是需要评估和优化电缆和线束布线,这意味着设计团队需要能与 3D CAD 紧密集成的工具 (例如 Capital 和 NX)。 最后,分析高压系统的最佳启动/关停顺序是现在的一个重要考量。一个例子是支持对高压电气系统电 容进行分析,以计算系统自检焊接高压接触器的正确时间(所有电动车辆在高压系统启动和/或关停时 都要运行该测试)。它通常是一种功能性安全驱动的缓解措施。另外,确认特定车辆模式(例如充电模式 与驾驶模式)下仅唤醒所需的高压系统组件也很重要。



图 5:用于定义电气系统和网络领域的 Mentor Graphics Capital UI。


Mentor Capital 产品组合支持电气系统和网络领域,代表了我们跨组织变革设计能力的方式。通过使用基于模 型的设计范式,Capital 可以定义系统架构,然后利用内置指标和设计规则检查比较和对比多种潜在架构, 以确保平台设计符合最初的意图。这些工具随后便可自动集成将要纳入该车辆代表性拓扑布局中的电气 系统。系统设备自动放置并互连,整个布线系统利用公司嵌入软件中的规则和约束条件自动生成。其结 果是以前要花费数月的设计任务现在可以在几小时或几天内完成,并且极为重要的是,设计可以在创建 时进行验证。数据可以在不同车辆计划和下游制造与服务流程中重复使用。 目光长远的汽车制造商和供应商正在采用这些方法以在竞争日益激烈的世界中获得“不公平优势”。 这将使他们在应对每天面临的技术与业务交织的挑战时占据先机。 


如需更多信息 ■ www.mentorautomotive.com ■ 



Dan Scott, “Growing up — the automotive electrical distribution system (EDS) maturity landscape,” on-demand webinar ■ Walden C. Rhines, “Discontinuities in Automotive EE Design,” IESF conference keynote (video) 作者简介: Dan Scott 在英国工作,担任 Mentor, a Siemens business 集成电 气系统部的市场总监。 联系方式:dan_scott@mentor.com。