基于現(xiàn)代高級軟件CHS的整車電氣系統(tǒng)設(shè)計流程

賈文勇，楊 陽

（1.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011；2.吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長春 130022）

整車電氣系統(tǒng)，又可以稱作電源分配系統(tǒng)，主要負(fù)擔(dān)著整車電氣設(shè)備以及各種可能的車載用電器的電源供應(yīng)和部分電子信號的互聯(lián)通信。電線束通常是由導(dǎo)線、連接器、保護(hù)材料等組成。由于車載電子設(shè)備、元件應(yīng)用的普及，電氣系統(tǒng)在現(xiàn)代車輛設(shè)計中擁有越來越高的重要性，電氣系統(tǒng)的可靠性直接影響到了車輛和車載電子設(shè)備在各種復(fù)雜、極端情況下的可靠性和工作性能。

CHS的出現(xiàn)將逐步取代CAD主導(dǎo)的線束圖紙設(shè)計，它基于以數(shù)據(jù)為中心的思想，支持廣泛使用的Oracle數(shù)據(jù)庫，整個流程中所有的數(shù)據(jù)實(shí)施統(tǒng)一管理，支持功能強(qiáng)大的仿真和分析，提供系統(tǒng)級仿真技術(shù)和軟件的接口。CHS生成式流程通過原理圖設(shè)計、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立、設(shè)計規(guī)則自動綜合生成接線圖和與三維設(shè)計軟件的數(shù)據(jù)交互，使得汽車電線束的設(shè)計變得可靠高效。

1 標(biāo)準(zhǔn)件庫的建立

標(biāo)準(zhǔn)件庫的建立是整個線束設(shè)計工作的基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)件庫主要包括：Capital Symbol和Capital Library 2個庫，庫中包含了設(shè)備、尾附件、搭鐵符號、焊點(diǎn)、線色、線徑、端子、連接器和圖幅模板等線束設(shè)計所需要的所有元器件與原材料的信息。所有的設(shè)計者都從標(biāo)準(zhǔn)件庫中調(diào)用符號做原理設(shè)計，實(shí)現(xiàn)圖形符號的統(tǒng)一化?？山⒍喾N標(biāo)準(zhǔn)的符號庫，以適應(yīng)于不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)需求，如圖1所示。

插接器符號可以整體從CAD中以DXF格式導(dǎo)入，在另存為DXF格式時應(yīng)將符號左下角放置在原點(diǎn)處，這樣調(diào)入符號時鼠標(biāo)就位于圖示原點(diǎn)處并且方便使符號跟隨鼠標(biāo)移動。同時，還要注意修改符號的名稱，導(dǎo)入后需要對符號進(jìn)行調(diào)整，可以通過設(shè)置格點(diǎn)選項(xiàng)，規(guī)定圖形每次移動的步長。以開關(guān)類為例，計算好CAD與CHS柵格點(diǎn)之間的尺寸對應(yīng)關(guān)系，符號文字標(biāo)注列定義為每格5 mm或6mm，外邊框?qū)R到格點(diǎn)，以此類推，燈具類、繼電器類等依次錄入。根據(jù)設(shè)備的不同屬性建分類文件夾，便于設(shè)計人員查找。

2 線束插接器庫的建立

線束插接器符號庫需要制定設(shè)計外形尺寸、線形風(fēng)格、線色、線寬等規(guī)則，這個規(guī)范的制定是由設(shè)計者根據(jù)自己設(shè)計團(tuán)隊(duì)的需要來制定的。插接器錄入的過程中，可根據(jù)二維圖幅的要求確定其尺寸，生成線束圖中的插接器孔位可根據(jù)設(shè)計者的需要顯示線徑、線色、線號等信息，所以插接器的外形尺寸必須恰當(dāng)。在插接件符號的每個孔位上都要添加RED基準(zhǔn)點(diǎn)，先加Cavity Datum，再加Wire Datum，如圖2所示。

要保證插接器的管腳定義必須與設(shè)備的管腳定義保持一致，否則生成的線束圖中會出現(xiàn)管腳對應(yīng)錯誤，使后續(xù)所有工作都變得徒勞。大多插接器的供應(yīng)商都會在插接器上標(biāo)注孔位號，但也有一部分廠家不做標(biāo)注的，設(shè)計人員可根據(jù)自己的情況對無編號插接器制定一個錄入標(biāo)準(zhǔn)。

3 Capital Library庫的建立

在Capital Library中通過電氣零件的分組，可以更好地管理電氣零件信息。每一類電氣零件都有自己特定的屬性，以滿足不同類型電氣零件的完整定義。舉例來說明這個問題：如果2個Device用同一個Symbol，用同一個線束端的連接器，并且線束端的連接器1pin到電源、2pin到信號、3pin到負(fù)極。第1個Device：第1pin是電源、第2pin是信號、第3pin是搭鐵線，那在原理圖中畫圖的時候，調(diào)入Symbol以后，就需要將第1pin連到正極，第2pin連接到信號接收的設(shè)備端，第3pin連接到負(fù)極；那么對應(yīng)的線束端的連接器就需要將連接器的1對應(yīng)Device的1，連接器的2對應(yīng)Device的2，連接器的3對應(yīng)Device的3。第2個Device：第1pin是搭鐵線、第2pin是信號、第3pin是電源，如果還是用這個Symbol的話，那在原理圖中調(diào)入Symbol以后，就需要將第1pin連到負(fù)極，第2pin連接到信號接收的設(shè)備端，第3pin連接到正極；那么對應(yīng)的線束端的連接器，就需要將連接器的3對應(yīng)Device的1，連接器的2對應(yīng)Device的2，連接器的1對應(yīng)Device的3。

因此，如果這2個Device用同一個Symbol，并且這2個Device對應(yīng)同一個線束端的連接器，那么Symbol中的1、2、3pin在每個Device表示的含義就不一樣了，與之相連的net線的去向也不一樣，要對應(yīng)的Footprint也就不一樣。Capital Library庫示例如圖3所示。

CHS數(shù)據(jù)集成是從整個產(chǎn)品的研發(fā)體系上，將各專業(yè)、總成的設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行整合交互，以達(dá)到最大限度利用現(xiàn)有資源，避免重復(fù)工作，提高工作品質(zhì)和準(zhǔn)確性的方法。在同一設(shè)計平臺下，使用中央數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)庫技術(shù)來存儲數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)集成的一個表現(xiàn)形式，如圖4所示。

4 原理圖設(shè)計

4.1 原理圖制圖規(guī)范制定與創(chuàng)建

原理圖的設(shè)計以電信號為主要表現(xiàn)對象，各個電子、電氣元件都會明確地表示出來，例如熔斷絲、繼電器等。在原理圖設(shè)計之前，需要根據(jù)企業(yè)自身要求提出制圖規(guī)范，圖紙上各類汽車零部件及總成的編號，采用如圖5所示原則進(jìn)行編制，其中編號由13位字符構(gòu)成。例如：組號以第1位和第2位數(shù)字組合表示，其中電氣件大多為37（電氣設(shè)備），38（儀器儀表）；分組號以第1位至第4位數(shù)字組合表示。熔斷絲以F開頭，后面是1到3位數(shù)字。繼電器以J開頭，后面是1到2位數(shù)字，依次建立搭鐵、導(dǎo)線、插接器等的編號規(guī)則。

4.2 電源分配

CHS原理圖繪制中的電源分配問題，始終是仁者見仁智者見智。方法有很多種，電源分配方法如圖6所示。將整車所有用電設(shè)備的熔斷絲逐個列出，分別是ON檔、ACC檔和常電端熔斷絲，而熔斷絲的另一端則與設(shè)備的連接線通過共享實(shí)現(xiàn)。這種方法使得整車的電源分配輸出非常緊湊，其它原理圖中只需共享相應(yīng)熔斷絲端net線即可。

5 系統(tǒng)綜合

系統(tǒng)綜合是整個系統(tǒng)電線束設(shè)計流程的核心模塊，集成的圖形化設(shè)計環(huán)境可以用于二維的線束布局設(shè)計，并根據(jù)邏輯設(shè)計、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計規(guī)則自動綜合生成接線圖，提供了當(dāng)前最先進(jìn)的、效率最高的汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計流程。

5.1 拓?fù)鋱D設(shè)計

在CAD中將輕型車的平面圖進(jìn)行比例調(diào)整，例如采用1∶5，以DXF格式文件導(dǎo)入，如圖7所示創(chuàng)建Skeleton文件，調(diào)入創(chuàng)建好的Skeleton之后，根據(jù)輕型車的電氣配置，創(chuàng)建Device類型的Slot。雙擊此Slot更名，需注意的是要求名稱與在原理圖中對應(yīng)的Device名稱保持一致，如果不一致會導(dǎo)致無法自動放置設(shè)備。

根據(jù)電氣件的布置位置，畫出所有的Slot，創(chuàng)建Bundle，如圖8所示。如果在Capital Logic中，Device已經(jīng)關(guān)聯(lián)了庫，而且Device庫文件已經(jīng)定義好了Footprint，這一步操作就不需要做了，因?yàn)槿绻贾脠D關(guān)聯(lián)了原理圖之后，Virtual Connector會根據(jù)Footprint自動關(guān)聯(lián)庫并更名。按照輕型車整車的電氣設(shè)備分布情況完成所有的Slot和Bundle。

5.2 拓?fù)鋱D中關(guān)聯(lián)原理

拓?fù)鋱D繪制完成后，需要將原理圖關(guān)聯(lián)到拓?fù)鋱D中。根據(jù)不同的Build List，可選擇不同版本的系統(tǒng)設(shè)計。如果有設(shè)計變更，可重新加入變更后的系統(tǒng)設(shè)計到系統(tǒng)綜合中，實(shí)現(xiàn)版本和設(shè)計變更的管理，如圖9所示。

5.3 Option在整車配置方案中的應(yīng)用

根據(jù)市場的不同需求定義具體的Model，進(jìn)而確定不同功能選項(xiàng)在具體車型中的選裝關(guān)系。車型選裝配置如圖10所示。例如：輕型車中對于ABS系統(tǒng)的定義就有液壓ABS系統(tǒng)和氣壓ABS系統(tǒng)兩種，原理圖中同樣的ABS電磁閥設(shè)備就會對應(yīng)2個不同的slot，所以首先需定義2個Opiton，不同配置中的Slot需要單獨(dú)定義，雙擊要定義的Slot，點(diǎn)擊Add Constraint，加入基本的規(guī)則，如圖10所示。

6 系統(tǒng)綜合與線束工程化

系統(tǒng)綜合后，所有的信號線全部根據(jù)具體的需求生成導(dǎo)線、線號欄等信息，如圖11所示。如果生成導(dǎo)線的結(jié)果不是設(shè)計所需，可以再設(shè)定具體的規(guī)則約束，進(jìn)行綜合，最終綜合出合理的接線關(guān)系。如有設(shè)計變更，只需修改原理圖，或修改綜合規(guī)則，再進(jìn)行系統(tǒng)綜合就可以得出設(shè)計變更后的系統(tǒng)綜合結(jié)果，使得電線束的設(shè)計準(zhǔn)確而又高效。

6.1 定量仿真分析，接線圖自動生成

設(shè)計的正確性，通?？梢苑譃閷υO(shè)計規(guī)則的驗(yàn)證和對設(shè)計意圖的驗(yàn)證2個方面。設(shè)計規(guī)則的驗(yàn)證，我們可以通過設(shè)計規(guī)則檢查來實(shí)現(xiàn)，它可以幫助工程師自動尋找設(shè)計中可能存在的 “規(guī)則性”錯誤。設(shè)計意圖的驗(yàn)證，一般要通過仿真分析來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計師所關(guān)心的仿真能力包括電路邏輯功能仿真、壓降電流仿真、極限分析、潛藏電路分析、FMEA報告等。

6.2 數(shù)據(jù)交互和傳遞

數(shù)據(jù)的交換和傳遞，包括原理到線束圖之間的內(nèi)部流程，也包括三維軟件與原理和線束軟件之間的數(shù)據(jù)交換，還包括PDM與電氣軟件之間的數(shù)據(jù)交換，最頻繁出現(xiàn)的，就是PDM設(shè)計變更。

大量的數(shù)據(jù)在不同的設(shè)計階段以不同的方式在不同的軟件之間頻繁、反復(fù)交換，非常容易產(chǎn)生人為的錯誤和數(shù)據(jù)權(quán)限的混亂，因此需要一套完善的設(shè)計變更策略，來配合數(shù)據(jù)版本狀態(tài)進(jìn)行自動化的數(shù)據(jù)交換，避免人工操作的數(shù)據(jù)遷移造成錯誤。在定義了插接器屬性及各個連接點(diǎn)的前提下，實(shí)現(xiàn)3D數(shù)據(jù)與CHS的交互，插接器屬性與線束分支屬性如圖12所示。

6.3 物理架構(gòu)的優(yōu)化

所謂物理架構(gòu)，是指車輛的線束在車內(nèi)的物理實(shí)現(xiàn)方式，也就是車輛整個線束的拓?fù)浼軜?gòu)。物理架構(gòu)的不同，很大程度上決定了整車的成本、質(zhì)量、可靠性和總線信號的品質(zhì)。架構(gòu)的優(yōu)化，可以通過導(dǎo)線綜合技術(shù)來實(shí)現(xiàn)快速的方案計算和對比，最終給出不同物理架構(gòu)的分析報告。插接器與電線束分支屬性如圖13所示。

7 總結(jié)

電氣系統(tǒng)和線束的品質(zhì)，跟電氣系統(tǒng)設(shè)計和線束設(shè)計密切相關(guān)。當(dāng)前一般的電氣設(shè)計流程和方法，還沒有能夠充分普及和利用現(xiàn)代最新的設(shè)計手段，冗余繁雜的工程師手工CAD制圖、缺乏監(jiān)控的數(shù)據(jù)遷移、缺乏仿真驗(yàn)證手段與三維設(shè)計等問題，成了制約線束設(shè)計和產(chǎn)品研發(fā)的一個瓶頸。

一個好的電氣系統(tǒng)設(shè)計平臺，需要滿足數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、三維系統(tǒng)與PDM的整合、數(shù)據(jù)品質(zhì)仿真分析和標(biāo)準(zhǔn)化圖紙風(fēng)格樣式的統(tǒng)一。為了解決電氣系統(tǒng)設(shè)計中存在的現(xiàn)有問題，未來急需建立起一個更現(xiàn)代化、更高級的電氣系統(tǒng)設(shè)計平臺和設(shè)計流程。