Cadence 为电动汽车能效提升注入新动力

如下内容曾以Forcing the Pace of Innovation发表于NewElectronics2024展望刊。

随着汽车加速迈进电动化时代，在电动汽车（EV）的竞争激烈和消费者期望不断上升的大潮中，设计创新成为推动力。一方面，传统的车企如今正面临着众多的新挑战，他们正在加速推出自己的电动产品系列来紧跟市场节奏；另一方面，“轻装上阵”的造车新势力来势汹汹，他们则在重新解读用户对交通工具的态度并试图重塑电动汽车的形式。

根据European Alternative Fuels Observatory的欧洲市场数据显示，2015 年电池驱动和插电式混合动力 EV 仅占当年新车销售的 1%；而2022年这个数字超过了 21%。这样显著的增长不仅是市场动力的体现，更是对提升电动汽车能效的迫切呼声的反映。

面对这样的市场需求，EV 设计师的挑战在于如何进一步提高车辆能效，这将直接关系到电车的续航里程，也是消费者极为关注的一个核心指标。尽管绝大多数的使用场景都是短途旅行，但里程焦虑依旧会让一批潜在消费者打退堂鼓。此外，EV 制造商在内部还需考虑如稀有资源获取的能力和不断变化的监管政策的影响等多重挑战。这些因素都在推动着向更高能效方面的设计探索。

EV 市场一大显著的特点在于其肉眼可见、瞬息万变的变革速度。电动汽车的设计优化现已进入到为了单个品质因数的提升而殚精竭虑的阶段。从老牌福特到新贵Rivian，电动卡车厂商已经能“负重千钧”；四门轿跑厂商Lucid声称其续航已经达到 500英里（约 800 公里）；Rimac Nevera等极限跑车厂商则在追求极致的加速性能，可以做到 0-60mph（大约 96.6 公里/小时）加速仅需 2 秒的壮举。

在这场技术竞赛中，奔驰则凭其 Vision EQXX 概念车小胜一筹。它集成了多种最先进的技术，被称为“奔驰有史以来能效最高的车型”。得益于极高的空气动力学效率，轻量化材料，高能量密度电池，低摩擦传动系统和其他增强，这款概念车的续航长达 1000 公里（621 英里）。

EV 设计的新思路：协同优化

奔驰的 Vision EQXX 完美诠释了能效在电车当中所占的比重，这也体现了其采纳各种最先进技术后所能达到的高度。在汽车行业，类似这样协同优化的例子其实并不少见，当然了，首先得让设计师们接触到这些资源。

以电动汽车（EV）为例，通过提升电池组的直流电工作电压，就能有效降低传动系统的电流负荷，这为设计师提供了一个新的思路：使用更轻便且成本更低的铝导线替代传统铜线圈。这样减轻的重量可以转化为续航里程的增加或在续航不变的情况下配置更小更轻的电池。为了挖掘这一潜在能效提升带来的获益，就需要依赖于能在高工作电压下稳定工作的电子交换系统和电路板（PCB）。

虽然在当下的电动汽车设计中，碳化硅（SiC）已经被证明可以满足高电压交换需求，但设计师还是需要在对照实验环境中，验证这种高交换频率对电磁兼容性（EMC）的系统性影响。再比如，对车身的改变可以提高空气动力学性能，但同时也会影响前格栅的传感器雷达系统。类似这样的例子在汽车设计领域还有很多。

对于 EV 设计师而言，这些多变量优化问题构成了实实在在的挑战。如果无法在多个领域快速准确地完成设计探索，那么所有的优化和能效提升就只能是“纸上谈兵”。但目前而言，很多现有的工具和设计流程帮助并不大，它们往往只专注于单一领域，简单粗暴地把设计数据丢进数据库，简单分析后再扔进另外一个工具，最后检查下是否违反了该领域的任何限制条件。而协同优化的方法则大相径庭，EV 设计师不仅可以用其来检测是否存在设计违规，还可以应对产品上市时间的压力，并解决探索阶段在不同设计领域的循环往复带来的高成本问题。

Cadence 全面解决方案

推动电动汽车设计效率革命

面对日益复杂的 EV 设计，有效的解决方案需要从两个维度出发。首先，针对单学科设计问题，需要在设计流程早期就启动分析流程，即实现所谓的“分析左移”，让其成为设计流程的一个持续环节，而不是临近结束才突兀地加入。其次，对于更为复杂的系统性问题，厂商需要提供可同时覆盖多学科的综合设计工具，让设计探索更有全局观。举个例子，可以在 PCB 版图设计时同时检查信号完整性，探索不同电池冷却策略对性能的影响，或分析材料变更对线圈电力传输参数的影响。

服务于 EV 市场的供应商，例如，意法半导体（STMicroelectronics），已经开始采用这种设计分析一体化流程，确保设计具备足够的可靠性。比如，想了解某个零件是否适用于复杂 PCB 严苛的高功耗应用，则可以通过分析设备在不同工作温度下的变化的可靠性来实现。这个过程需要在设计阶段进行电热协同仿真，以预估焦耳热对其内部 IR 电压降的影响。

要实现这样复杂和多学科协同优化的工作，不得不提到Cadence Allegro PCB 设计平台。这个平台的一个显著特点是集成了 Celsius 热求解器，它的设计理念和功能恰好体现了我们之前讨论的“分析左移”和综合设计工具的理念。通过 Celsius 热求解器，Cadence Allegro 支持在设计过程中进行实时分析，这大大加快了分析步骤，并确保了设计的连贯性和高效性。

针对更复杂的问题，Cadence 提供了更精密的设计流程和工具。比如，电源完整性分析流程可以处理电源树，IR 电压降分析和解耦电容器（decaps）的回路电感；IC 封装分析适用于直流电电热性能和交流解耦电容器行为；多结构分析则完整覆盖了从电源到 PCB，再到中介层和散热设备的全过程；同时还能进行包括电子设备冷却在内的系统级热分析。

这些工具都集成在了 Cadence 多种可供选择的解决方案中，包括面向模拟和定制 IC 设计的系统设计平台、RF 和微波设计，以及 PCB 与封装。这些解决方案都有各自匹配的系统分析技术，比如 EMC 签核，信号与电源完整性分析，以及热和电子设备冷却检测。需要强调的是，Cadence 还可以提供计算流体力学分析套件，这是车身设计和高效电子设备冷却系统开发的必备工具。

总结

电动汽车（EV）设计开发是一项极具挑战的多学科合作过程。更何况还要在日益激烈的市场竞争中，不断满足更高的能效需求。因为更高的续航里程不仅是吸引消费者的重要因素，同时也是各大 EV 制造商竞相追求的核心竞争力。

在这个追求创新和高能效的 EV 变革浪潮中，Cadence 的角色不可小觑。其协同优化策略，将“分析左移”深度融入设计流程，通过在设计流程的早期阶段就融入分析工具，能够让设计探索更加高效、精准，确保设计团队少走弯路。

Cadence 所提供的一系列针对 EV 设计的工具和套件，以及持续致力于工具间集成和平台化的努力，正是行业发展的强力推动器。这些先进的工具不仅为 EV 设计师们提供了强大的支持，更是在能效提升这一关键战场上，让理论转化为实际操作的桥梁。随着技术的不断进步和创新思维的不断深入，电动汽车设计的未来充满无限可能。

EV 市场蓬勃发展，电池供电的问题在电子电机驱动解决方案中十分重要。为了实现更高的能效和性能，产品的功率级必须能够管理较大的电流，且满足严格的电能耗散和尺寸要求。正如文中提到的，需要在设计早期启动分析流程，且在多个领域协同优化，如电热协同仿真。