汽車電氣系統(tǒng)仿真建模研究

孫濤，葉金飛

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車電氣系統(tǒng)仿真建模研究

孫濤，葉金飛

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章提供一種汽車電氣系統(tǒng)仿真建模的方法，通過CHS軟件的Saint語言進行編程，對電氣系統(tǒng)部件進行抽象、建模，實現(xiàn)在設(shè)計早期對電氣系統(tǒng)進行測試驗證，解決現(xiàn)有的電氣系統(tǒng)測試驗證周期較長，設(shè)計變更成本高、測試結(jié)果不全面等問題。

電氣系統(tǒng)；仿真建模；測試驗證

CLC NO.: U467.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-83-03

1、引言

汽車電氣系統(tǒng)按功能進行分類，可以分為：電源啟動系統(tǒng)、電噴控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)、儀表與娛樂顯示系統(tǒng)、駕駛輔助控制系統(tǒng)、空調(diào)控制系統(tǒng)、主動安全系統(tǒng)、被動安全系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)等九大類，每一類系統(tǒng)按照車型定位及配置不同，又可以具體的進行劃分。系統(tǒng)內(nèi)部包括輸入部件、控制器、執(zhí)行部件，系統(tǒng)之間又進行必要的信息交互，組成整車電氣系統(tǒng)。

目前，電氣系統(tǒng)層面的驗證主要依靠工程師的設(shè)計經(jīng)驗，至少要到P0車階段，各零部件開發(fā)出來，并進行實車搭載，才能驗證系統(tǒng)的可靠性。對于驗證階段發(fā)現(xiàn)的問題，再進行設(shè)計變更，不僅造成試制樣品、工程、人力等資源的浪費，甚至造成整車延遲發(fā)布、產(chǎn)品召回的嚴重后果。對于電氣系統(tǒng)層次的驗證缺少一種有效的方法，在設(shè)計早期用于檢查系統(tǒng)的連接是否正確、系統(tǒng)之間是否存在潛在回路、保險與導(dǎo)線的選擇是否匹配、零部件布置及回路選擇是否合理等問題。

Capital是Mentor公司開發(fā)的專業(yè)的電氣系統(tǒng)自動化設(shè)計工具，涵蓋了電氣原理設(shè)計到線束工程化設(shè)計，直至最后生產(chǎn)制造的整個流程。Capital設(shè)計結(jié)果可以直接用于指導(dǎo)廠家進行生產(chǎn)及后續(xù)車型服務(wù)，實現(xiàn)了自動化設(shè)計，極大的提高了工作及生產(chǎn)的效率。利用Capital內(nèi)置的Saint語言進行編程，對系統(tǒng)內(nèi)部的各部件進行仿真建模，可以在設(shè)計早期對電氣系統(tǒng)進行驗證。

1.1 現(xiàn)有技術(shù)方案

現(xiàn)有電氣系統(tǒng)的驗證均是進行實車的功能驗證，通過人工進行測試，發(fā)現(xiàn)問題并進行不斷的整改。由于回路數(shù)量多，加上車型配置選項的影響，圖紙階段能夠檢查出的錯誤較少。

引入CHS設(shè)計工具后，可以做到一定程度的設(shè)計規(guī)則檢查，快速排查已知規(guī)則內(nèi)的設(shè)計問題，如Pin腳是否漏連，電器件到接插件間是否正確匹配等，但由于設(shè)計工具尚不能理解設(shè)計的具體功能特性，對于電流、壓降，功能是否被正確控制等問題還不能進行自動化分析檢查。

1.2 現(xiàn)有技術(shù)的缺點

1）需要等到實車搭載才能驗證功能，且后期設(shè)計變更的成本較高。

2）人工進行測試，不能遍歷各種工況，難以發(fā)現(xiàn)潛在的問題。

3）測試過程相對獨立，后續(xù)開發(fā)車型難以實現(xiàn)復(fù)用。

2、汽車電氣系統(tǒng)仿真建模方案

本文提供一種汽車電氣系統(tǒng)仿真建模的方法，包含對部件進行抽象、結(jié)構(gòu)的搭建、模型的同步、全局變量的設(shè)置、系統(tǒng)的初始化、參數(shù)讀取、邏輯判斷及仿真顯示等8個步驟。該方法包括具體仿真建模流程如下：

圖1 電氣系統(tǒng)仿真建模的流程

2.1 部件的抽象

將電氣系統(tǒng)內(nèi)部的零部件抽象為電阻及開關(guān)。電氣系統(tǒng)內(nèi)部的零部件包括：輸入部件、控制器、執(zhí)行部件。

其中，輸入部件包括，各種類型的開關(guān)、傳感器等，其特征在于，當(dāng)輸入部件動作后，其輸出狀態(tài)發(fā)生變化。因此可以將其等效為開關(guān)，其抽象的邏輯為：當(dāng)開關(guān)動作后，設(shè)置其電阻為Rcontact（接觸電阻）；當(dāng)開關(guān)未動作，設(shè)置其電阻為R∞（開路電阻）。

其中，執(zhí)行部件包括，各種燈泡、電機、電磁閥等，其特征在于，當(dāng)執(zhí)行部件工作后，其內(nèi)部存在電流。因此可以將其等效為電阻，其抽象的邏輯為：當(dāng)電阻工作后，其電流為一個確定的值Iwork。

其中，控制器包括，整車各種控制單元，其特征在于，控制器包括采集外部輸入的電路、控制外部執(zhí)行器的電路。因此可以將其等效為開關(guān)和電阻的組合，上述，采集外部輸入的電路等效為電阻、控制外部執(zhí)行器的電路等效為開關(guān)，其抽象邏輯為，電阻存在電流時，表征外部輸入有效；此通過設(shè)置開關(guān)的電阻，來控制外部執(zhí)行器。

2.2 結(jié)構(gòu)的搭建

依據(jù)實際的輸入、輸出搭建仿真的結(jié)構(gòu)。針對零部件的實際端口，依據(jù)上述抽象的方法，搭建仿真的結(jié)構(gòu)。

其中，輸入部件等效為開關(guān)的仿真結(jié)構(gòu)（如下圖2），包括端子a、端子b、電流的方向、等效的類型；端口a、端口b與輸入部件的實際PIN腳對應(yīng)，電流的方向與實際電流的方向是一致的，等效的類型為“∞”表征該結(jié)構(gòu)代表的是等效開關(guān)。

圖2 等效開關(guān)的仿真結(jié)構(gòu)

其中，執(zhí)行部件等效為電阻的仿真結(jié)構(gòu)（如下圖3），包括端子a1、端子b1、電流的方向、等效的類型；端口a1、端口b1與輸入部件的實際PIN腳對應(yīng)，電流的方向與實際電流的方向是一致的，等效的類型為“L”表征該結(jié)構(gòu)代表的是等效電阻。

圖3 等效電阻的仿真結(jié)構(gòu)

其中，控制器等效為電阻與開關(guān)組合。（如下圖4為最小仿真結(jié)構(gòu)），包括執(zhí)行器控制端口、電源端口、外部輸入信號采集端口、接地端口、外部輸入采集等效仿真結(jié)構(gòu)電流方向、外部執(zhí)行器控制等效仿真結(jié)構(gòu)電流方向、外部執(zhí)行器控制等效仿真結(jié)構(gòu)類型、外部輸入采集等效仿真結(jié)構(gòu)類型。端口與控制器的實際PIN腳對應(yīng)，電流的方向與實際電流的方向是一致的。

圖4 等效控制器最小的仿真結(jié)構(gòu)

2.3 模型的同步

將零部件的仿真結(jié)構(gòu)同步到原理圖中。按照仿真結(jié)構(gòu)的端口定義與原理圖中的端口定義一一對應(yīng)起來。

圖5中，為最小系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)功能為當(dāng)開關(guān)13閉合后，控制器14控制燈泡15點亮。上述開關(guān)13的P1口、P2口分別對應(yīng)等效開關(guān)的仿真結(jié)構(gòu)中的端口b、a；上述控制器14的BAT對應(yīng)等效控制器最小的仿真結(jié)構(gòu)中的電源端口6、SW對應(yīng)等效控制器最小的仿真結(jié)構(gòu)中的外部輸入信號采集端口7；GND對應(yīng)等效控制器最小的仿真結(jié)構(gòu)中的接地端口8；CTR對應(yīng)等效控制器最小的仿真結(jié)構(gòu)中的執(zhí)行器控制端口5；上述燈泡15的P3口、P4口分別對應(yīng)等效電阻的仿真結(jié)構(gòu)中的端口1a、2a。

圖5 最小系統(tǒng)原理圖

2.4 設(shè)置全局變量

設(shè)置部件仿真必須的參數(shù)。為了定量的表征回路的電流，模擬實際的負載狀況，需要在State1中設(shè)置仿真部件的參數(shù)。

表1

2.5 系統(tǒng)初始化

將被仿真系統(tǒng)的參數(shù)進行初始化。在State2中對輸入部件、執(zhí)行部件的初始狀態(tài)進行設(shè)定。在最小仿真系統(tǒng)中，開關(guān)的初始狀態(tài)為斷開、燈泡的初始狀態(tài)為未點亮。

2.6 讀取參數(shù)

讀取系統(tǒng)中電流的變化。在State3中讀取外部輸入采集等效仿真結(jié)構(gòu)電流的變化，當(dāng)電流發(fā)生變化表征外部開關(guān)輸入有效，同時，設(shè)置外部執(zhí)行器控制等效仿真結(jié)構(gòu)中開關(guān)的阻值，當(dāng)阻值設(shè)置為Rcontact時，表征控制器對外輸出有效。

2.7 邏輯判斷

根據(jù)設(shè)定的功能進行判斷。在State3中可以根據(jù)需求增加功能模塊，在最小仿真系統(tǒng)中，功能模塊1可以代表：開關(guān)閉合，燈光點亮。State4代表燈光不亮的狀態(tài)，State5代表燈光點亮的狀態(tài)，條件1代表燈光由不亮到燈光點亮的條件，本例中，條件即是外部開關(guān)閉合，控制器外部輸入采集等效仿真結(jié)構(gòu)中存在電流；條件2代表燈光由亮到燈光不亮的條件，本例中，條件即是外部開關(guān)斷開，控制器外部輸入采集等效仿真結(jié)構(gòu)中不存在電流。

圖6 仿真軟件控制框圖

2.8 仿真顯示

將仿真的結(jié)果直觀的顯示出來。通過判斷燈泡的仿真結(jié)構(gòu)（電阻）中是否存在電流來表征燈泡點亮與否。

圖7 仿真顯示的結(jié)果

3、結(jié)論

本文介紹了汽車電氣系統(tǒng)仿真建模的方法，解決了傳統(tǒng)測試驗證周期長、設(shè)計變更成本大、測試結(jié)果不全面等問題，具有以下優(yōu)點：

1）電氣系統(tǒng)仿真建模的方法；

2）將整車電氣系統(tǒng)抽象等效為電阻、開關(guān)的結(jié)構(gòu)；

3）輸入部件、控制器、執(zhí)行部件的仿真結(jié)構(gòu)

4）基于Saint語言的仿真軟件控制框圖。

[1] 余志生.汽車理論[M].北京：機械工程出版社,2000.

[2] MentorGraphic, Introduction to Capital Analysis-uni.pdf.

Research on simulation modeling of automobile electrical system

Sun Tao, Ye Jinfei
( Anhui jianghuai automobile Co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

This paper provides a method of simulation modeling of vehicle electrical system, through the CHS software programming of the Saint language, abstraction and modeling of electrical system components, to achieve the test of electrical system in the early design, solve the existing electrical system test cycle is longer, the design change cost is high, the test results are not comprehensive and so on.

electrical system; Simulation modeling; Test verification

U467.2

A

1671-7988 (2017)05-83-03

孫濤，男，安徽合肥人，就職于江淮汽車技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.027