Cadence 為電動汽車能效提升注入新動力

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)電動化時(shí)代，在電動汽車（EV）的競爭激烈和消費(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產(chǎn)品系列來緊跟市場節(jié)奏；另一方面，“輕裝上陣”的造車新勢力來勢洶洶，他們則在重新解讀用戶對交通工具的態(tài)度并試圖重塑電動汽車的形式。

根據(jù)European Alternative Fuels Observatory的歐洲市場數(shù)據(jù)顯示，2015 年電池驅(qū)動和插電式混合動力 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動力的體現(xiàn)，更是對提升電動汽車能效的迫切呼聲的反映。

面對這樣的市場需求，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)的使用場景都是短途旅行，但里程焦慮依舊會讓一批潛在消費(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)。這些因素都在推動著向更高能效方面的設(shè)計(jì)探索。

EV 市場一大顯著的特點(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。

在這場技術(shù)競賽中，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力學(xué)效率，輕量化材料，高能量密度電池，低摩擦傳動系統(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)師還是需要在對照實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，驗(yàn)證這種高交換頻率對電磁兼容性（EMC）的系統(tǒng)性影響。再比如，對車身的改變可以提高空氣動力學(xué)性能，但同時(shí)也會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是否存在設(shè)計(jì)違規(guī)，還可以應(yīng)對產(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

推動電動汽車設(shè)計(jì)效率革命

面對日益復(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，針對單學(xué)科設(shè)計(jì)問題，需要在設(shè)計(jì)流程早期就啟動分析流程，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)檢查信號完整性，探索不同電池冷卻策略對性能的影響，或分析材料變更對線圈電力傳輸參數(shù)的影響。

服務(wù)于 EV 市場的供應(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。這個(gè)平臺的一個(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、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，信號與電源完整性分析，以及熱和電子設(shè)備冷卻檢測。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競爭中，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 制造商競相追求的核心競爭力。

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 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化的努力，正是行業(yè)發(fā)展的強(qiáng)力推動器。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，電動汽車設(shè)計(jì)的未來充滿無限可能。

EV 市場蓬勃發(fā)展，電池供電的問題在電子電機(jī)驅(qū)動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。