电动汽车功率控制单元软件数字化设计的研究综述及展望︱浙江大学作为纯电动汽车的核心零部件

作为纯电动汽车的核心零部件，功率控制单元高安全和高性能方面的需求对其软件设计和验证提出了功能范围的高覆盖率和验证环节的高效率两方面的挑战。软件数字化设计由于其灵活高效与低成本的特征，是功率控制单元的设计验证面向设计自动化的有效方式。
【电动汽车功率控制单元软件数字化设计的研究综述及展望︱浙江大学】浙江大学电气工程学院、台州学院智能制造学院、臻驱科技（上海）有限公司的研究人员何绍民、杨欢、王海兵、沈捷、李武华，在2021年第24期《电工技术学报》上撰文，以电动汽车功率控制单元的软件设计为蓝本，从数字平台、数学建模和数值算法三个角度，系统地梳理了电动汽车功率控制单元软件数字化设计的最新研究进展，围绕数字化设计对于运行速度、保真度，以及复杂度的技术需求，概括了功率控制单元现有数字平台的结构特点，并对其数学建模方法和数值算法进行归纳和总结，在此基础上对电力电子数字化设计的未来发展方向进行展望。

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发展电动汽车作为应对能源危机与环境污染的有效途径，是世界各国实现节能减排战略的关键。以电力电子装置为核心的功率控制单元（PowerControlUnit,PCU）是电动汽车能源转换的关键设备，也是打造电动汽车新兴产业链的重要环节，其绿色与高效的特征是交通电气化的必要保障。
电动汽车运行环境多变、工况复杂的应用特点，使其难以满足高安全、高性能与长寿命的突出需求。一方面，为保证较高的安全等级， PCU从子部件到集成系统均需具备高可靠性；另一方面，多变的运行环境令极限工况下高性能的稳定保持变得困难，寿命评估受到多物理系统耦合影响的难度增加。
为保证高安全与高性能， PCU的设计遵循电动汽车标准的V型开发流程，通过系统设计、解耦开发、集成验证的方式，保证设计的全功能覆盖以使性能优异可靠，但同时导致设计验证的环节增多，功能范围覆盖面扩大，造成设计验证的周期变长，效率低下。因此， PCU的设计验证面临着由功能范围的高覆盖率和验证环节的高效率带来的双重挑战。
数字化设计由于其灵活高效且低成本的优势，是解决PCU设计验证高覆盖率与高效率等挑战的有效方式。数字化设计在过去成功地加速了信息电子、机械制造等行业的产业升级，但在定制化程度高、功率等级高的电力电子领域，其应用范围仍有限。
随着电动汽车市场体量的不断增长， PCU的设计朝着功率电子设计自动化（PowerElectronicDesignAutomation,PEDA）的方向发展，数字化设计有望成为PCU设计开发的新趋势。数字化设计以数字平台为基础、数学建模为手段、数值算法为核心，如图1所示。数字平台集成了一定的计算资源，为数值运算提供了计算环境，通过数学建模将实际物理对象抽象成数学模型，并由数值算法进行模型的计算和更新，进而得到目标系统的模拟运行结果。

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图1数字化设计流程关系图
目前，国内外学术界与工业界围绕保真度、速度与复杂度等核心指标，在数字化设计上开展了研究工作，并积累了丰富的工程经验。其中速度体现为实时性、计算量两方面；保真度包含稳定性、收敛性和精度三方面；复杂度包含资源占用、可扩展性等方面。然而各数字化方法的结构形式、优化目标与技术路线等特征不尽相同，缺乏系统性的梳理。特别是软件层面迭代更新快、隐藏风险深，是PCU设计验证的难点。