Cadence為電動汽車能效提升注入新動力

BenGu，Cadence 全球副總裁兼多物理場仿真事業部總經理。

如下內容曾以 Forcing the Pace of Innovation 發表于 NewElectronics2024 展望刊。

隨著汽車加速邁進電動化時代，在電動汽車（EV）的競爭激烈和消費者期望不斷上升的大潮中，設計創新成為推動力。一方面，傳統的車企如今正面臨著眾多的新挑戰，他們正在加速推出自己的電動產品系列來緊跟市場節奏；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度并試圖重塑電動汽車的形式。

根據 European Alternative Fuels Observatory 的歐洲市場數據顯示，2015 年電池驅動和插電式混合動力 EV 僅占當年新車銷售的 1%；而2022年這個數字超過了 21%。這樣顯著的增長不僅是市場動力的體現，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 設計師的挑戰在于如何進一步提高車輛能效，這將直接關系到電車的續航里程，也是消費者極為關注的一個核心指標。盡管絕大多數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者打退堂鼓。此外，EV 制造商在內部還需考慮如稀有資源獲取的能力和不斷變化的監管政策的影響等多重挑戰。這些因素都在推動著向更高能效方面的設計探索。

EV 市場一大顯著的特點在于其肉眼可見、瞬息萬變的變革速度。電動汽車的設計優化現已進入到為了單個品質因數的提升而殫精竭慮的階段。從老牌福特到新貴 Rivian，電動卡車廠商已經能“負重千鈞”；四門轎跑廠商 Lucid 聲稱其續航已經達到 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）加速僅需 2 秒的壯舉。

在這場技術競賽中，奔馳則憑其 Vision EQXX 概念車小勝一籌。它集成了多種最先進的技術，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效率，輕量化材料，高能量密度電池，低摩擦傳動系統和其他增強，這款概念車的續航長達 1000 公里（621 英里）。

EV 設計的新思路：協同優化

奔馳的 Vision EQXX 完美詮釋了能效在電車當中所占的比重，這也體現了其采納各種最先進技術后所能達到的高度。在汽車行業，類似這樣協同優化的例子其實并不少見，當然了，首先得讓設計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的電流負荷，這為設計師提供了一個新的思路：使用更輕便且成本更低的鋁導線替代傳統銅線圈。這樣減輕的重量可以轉化為續航里程的增加或在續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定工作的電子交換系統和電路板（PCB）。

雖然在當下的電動汽車設計中，碳化硅（SiC）已經被證明可以滿足高電壓交換需求，但設計師還是需要在對照實驗環境中，驗證這種高交換頻率對電磁兼容性（EMC）的系統性影響。再比如，對車身的改變可以提高空氣動力學性能，但同時也會影響前格柵的傳感器雷達系統。類似這樣的例子在汽車設計領域還有很多。

對于 EV 設計師而言，這些多變量優化問題構成了實實在在的挑戰。如果無法在多個領域快速準確地完成設計探索，那么所有的優化和能效提升就只能是“紙上談兵”。但目前而言，很多現有的工具和設計流程幫助并不大，它們往往只專注于單一領域，簡單粗暴地把設計數據丟進數據庫，簡單分析后再扔進另外一個工具，最后檢查下是否違反了該領域的任何限制條件。而協同優化的方法則大相徑庭，EV 設計師不僅可以用其來檢測是否存在設計違規，還可以應對產品上市時間的壓力，并解決探索階段在不同設計領域的循環往復帶來的高成本問題。

Cadence 全面解決方案

推動電動汽車設計效率革命

面對日益復雜的 EV 設計，有效的解決方案需要從兩個維度出發。首先，針對單學科設計問題，需要在設計流程早期就啟動分析流程，即實現所謂的“分析左移”，讓其成為設計流程的一個持續環節，而不是臨近結束才突兀地加入。其次，對于更為復雜的系統性問題，廠商需要提供可同時覆蓋多學科的綜合設計工具，讓設計探索更有全局觀。舉個例子，可以在 PCB 版圖設計時同時檢查信號完整性，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的影響。

服務于 EV 市場的供應商，例如，意法半導體（STMicroelectronics），已經開始采用這種設計分析一體化流程，確保設計具備足夠的可靠性。比如，想了解某個零件是否適用于復雜 PCB 嚴苛的高功耗應用，則可以通過分析設備在不同工作溫度下的變化的可靠性來實現。這個過程需要在設計階段進行電熱協同仿真，以預估焦耳熱對其內部 IR 電壓降的影響。

要實現這樣復雜和多學科協同優化的工作，不得不提到 Cadence Allegro PCB 設計平臺。這個平臺的一個顯著特點是集成了 Celsius 熱求解器，它的設計理念和功能恰好體現了我們之前討論的“分析左移”和綜合設計工具的理念。通過 Celsius 熱求解器，Cadence Allegro 支持在設計過程中進行實時分析，這大大加快了分析步驟，并確保了設計的連貫性和高效性。

針對更復雜的問題，Cadence 提供了更精密的設計流程和工具。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；多結構分析則完整覆蓋了從電源到 PCB，再到中介層和散熱設備的全過程；同時還能進行包括電子設備冷卻在內的系統級熱分析。

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 設計的系統設計平臺、RF 和微波設計，以及 PCB 與封裝。這些解決方案都有各自匹配的系統分析技術，比如 EMC 簽核，信號與電源完整性分析，以及熱和電子設備冷卻檢測。需要強調的是，Cadence 還可以提供計算流體力學分析套件，這是車身設計和高效電子設備冷卻系統開發的必備工具。

總結

電動汽車（EV）設計開發是一項極具挑戰的多學科合作過程。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。因為更高的續航里程不僅是吸引消費者的重要因素，同時也是各大 EV 制造商競相追求的核心競爭力。

在這個追求創新和高能效的 EV 變革浪潮中，Cadence 的角色不可小覷。其協同優化策略，將“分析左移”深度融入設計流程，通過在設計流程的早期階段就融入分析工具，能夠讓設計探索更加高效、精準，確保設計團隊少走彎路。

Cadence 所提供的一系列針對 EV 設計的工具和套件，以及持續致力于工具間集成和平臺化的努力，正是行業發展的強力推動器。這些先進的工具不僅為 EV 設計師們提供了強大的支持，更是在能效提升這一關鍵戰場上，讓理論轉化為實際操作的橋梁。隨著技術的不斷進步和創新思維的不斷深入，電動汽車設計的未來充滿無限可能。

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Cadence 是電子系統設計領域的關鍵領導者，擁有超過 30 年的計算軟件專業積累?；?a target="_blank">公司的智能系統設計戰略，Cadence 致力于提供軟件、硬件和 IP 產品，助力電子設計概念成為現實。Cadence 的客戶遍布全球，皆為最具創新能力的企業，他們向超大規模計算、5G 通訊、汽車、移動設備、航空、消費電子、工業和醫療等最具活力的應用市場交付從芯片、電路板到完整系統的卓越電子產品。Cadence 已連續九年名列美國財富雜志評選的 100 家最適合工作的公司。