基于Capital 設(shè)計工具的汽車電氣系統(tǒng)原理設(shè)計方法研究

管 婧，李國輝，趙 巖，任瑞龍，董廣宇，姜致遠

（中國第一汽車集團有限公司，吉林 長春 130013）

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，整車功能越來越多，越來越復(fù)雜。整車電氣原理設(shè)計工作量隨之逐步增大，設(shè)計驗證復(fù)雜難度也逐步增高。傳統(tǒng)的電氣原理設(shè)計經(jīng)過簡單檢查后，通常用在整車試驗環(huán)節(jié)進行全面功能驗證，時間成本及人工成本都比較高。另外，隨著整車系統(tǒng)的復(fù)雜度升高，系統(tǒng)性的潛在回路問題增多，設(shè)計檢查階段發(fā)現(xiàn)問題難度較大。需要一種在電氣原理設(shè)計階段就可以完成電力設(shè)計分析的工具，從設(shè)計階段盡早發(fā)現(xiàn)上述電氣系統(tǒng)設(shè)計問題，降低試驗階段的時間及人工成本，提高電氣系統(tǒng)設(shè)計可靠性評價依據(jù)。

1 分析工具介紹

Capital的分析工具具有定性分析和定量分析兩種分析方法。定性分析主要用于快速驗證功能連通的正確性；定量分析主要用于數(shù)值計算驗證功能的正確性，以及極限負載匹配驗證。

電氣原理分析驗證步驟為：①整車負載分類；②模型簡化；③部件模型建立；④功能模型建立；⑤模型關(guān)聯(lián)；⑥分析驗證。模型和分析過程如圖1所示。完成分析驗證后，設(shè)計師根據(jù)分析結(jié)果進行整車電氣原理的設(shè)計更改及優(yōu)化。

2 模型建立介紹及仿真結(jié)果

圖1 模型和分析過程

對整車部件建立部件模型，首要工作是簡化模型。各個部件的性能要素非常多，分為機械性能要素、電性能要素、環(huán)境性能要素等，在電氣原理設(shè)計分析時只需要提取電性能要素中的關(guān)鍵要素。簡化部件模型的步驟很重要，精簡準確的模型，既能簡化設(shè)計師的建模工作，又能準確反映部件的電氣特性。

例如簡單的功能開關(guān)，提取到的關(guān)鍵要素為：開關(guān)內(nèi)阻、開關(guān)形式、電流，如圖2所示。

圖2 開關(guān)模型要素

部件模型是在提取關(guān)鍵要素后，應(yīng)用Capital工具模擬建立部件內(nèi)部及外部接口的結(jié)構(gòu)、簡化參數(shù)和內(nèi)部邏輯。整車系統(tǒng)建立功能模型，就是完成部件模型后，建立分析過程的驗證邏輯定義，定義系統(tǒng)的輸入變量與輸出變量的關(guān)系，實現(xiàn)功能連接正確性驗證。功能模型和部件模型建立，是電氣原理建模工作的兩大工作，工作內(nèi)容也有很大區(qū)別，如圖3所示。

圖3 模型區(qū)別

在完成整車部件模型及功能模型建立后，在整車接線原理圖中對部件進行模型關(guān)聯(lián)后，即可進行設(shè)計分析驗證工作。

為了驗證Capital分析工具潛在回路分析能力，以圖4為例，進行建模及分析。

圖4 原理圖示例

圖4中開關(guān)1、開關(guān)2、開關(guān)3分別控制燈具1、燈具2、燈具3的通斷。模擬設(shè)計錯誤，增加了圖示的潛藏通路，導(dǎo)致開關(guān)1閉合時，會點亮燈具2，與系統(tǒng)邏輯不符。

系統(tǒng)的功能模型建立如圖5所示，包含控制邏輯及失效說明。

圖5 系統(tǒng)功能模型示例

完成圖4原理圖中部件模型建立、功能模型和關(guān)聯(lián)后，在Capital工具中運行設(shè)計分析，分析結(jié)果得出4種潛在回路提示，同時會在原理圖中對潛在回路高亮提示，驗證了分析軟件的功能連接正確性。如圖6所示。

圖6 潛在回路分析結(jié)果

3 仿真結(jié)果總結(jié)

整車原理設(shè)計過程中，進行系統(tǒng)地設(shè)計分析驗證工作必不可少，Capital分析工具提供的電氣原理設(shè)計分析驗證方法，基于精簡、準確的部件模型和功能模型的建立，能夠完成功能正確性、極限負載匹配度、潛在回路驗證工作，是提高整車電氣原理設(shè)計可靠性的有效方法。