基于现代高级软件CHS的整车电气系统设计流程

2014-03-01贾文勇

汽车电器 2014年3期

贾文勇，杨阳

（1.中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011；2.吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春 130022）

整车电气系统，又可以称作电源分配系统，主要负担着整车电气设备以及各种可能的车载用电器的电源供应和部分电子信号的互联通信。电线束通常是由导线、连接器、保护材料等组成。由于车载电子设备、元件应用的普及，电气系统在现代车辆设计中拥有越来越高的重要性，电气系统的可靠性直接影响到了车辆和车载电子设备在各种复杂、极端情况下的可靠性和工作性能。

CHS的出现将逐步取代CAD主导的线束图纸设计，它基于以数据为中心的思想，支持广泛使用的Oracle数据库，整个流程中所有的数据实施统一管理，支持功能强大的仿真和分析，提供系统级仿真技术和软件的接口。CHS生成式流程通过原理图设计、拓扑结构建立、设计规则自动综合生成接线图和与三维设计软件的数据交互，使得汽车电线束的设计变得可靠高效。

1 标准件库的建立

标准件库的建立是整个线束设计工作的基础，标准件库主要包括：Capital Symbol和Capital Library 2个库，库中包含了设备、尾附件、搭铁符号、焊点、线色、线径、端子、连接器和图幅模板等线束设计所需要的所有元器件与原材料的信息。所有的设计者都从标准件库中调用符号做原理设计，实现图形符号的统一化。可建立多种标准的符号库，以适应于不同的设计标准需求，如图1所示。

插接器符号可以整体从CAD中以DXF格式导入，在另存为DXF格式时应将符号左下角放置在原点处，这样调入符号时鼠标就位于图示原点处并且方便使符号跟随鼠标移动。同时，还要注意修改符号的名称，导入后需要对符号进行调整，可以通过设置格点选项，规定图形每次移动的步长。以开关类为例，计算好CAD与CHS栅格点之间的尺寸对应关系，符号文字标注列定义为每格5 mm或6mm，外边框对齐到格点，以此类推，灯具类、继电器类等依次录入。根据设备的不同属性建分类文件夹，便于设计人员查找。

2 线束插接器库的建立

线束插接器符号库需要制定设计外形尺寸、线形风格、线色、线宽等规则，这个规范的制定是由设计者根据自己设计团队的需要来制定的。插接器录入的过程中，可根据二维图幅的要求确定其尺寸，生成线束图中的插接器孔位可根据设计者的需要显示线径、线色、线号等信息，所以插接器的外形尺寸必须恰当。在插接件符号的每个孔位上都要添加RED基准点，先加Cavity Datum，再加Wire Datum，如图2所示。

要保证插接器的管脚定义必须与设备的管脚定义保持一致，否则生成的线束图中会出现管脚对应错误，使后续所有工作都变得徒劳。大多插接器的供应商都会在插接器上标注孔位号，但也有一部分厂家不做标注的，设计人员可根据自己的情况对无编号插接器制定一个录入标准。

3 Capital Library库的建立

在Capital Library中通过电气零件的分组，可以更好地管理电气零件信息。每一类电气零件都有自己特定的属性，以满足不同类型电气零件的完整定义。举例来说明这个问题：如果2个Device用同一个Symbol，用同一个线束端的连接器，并且线束端的连接器1pin到电源、2pin到信号、3pin到负极。第1个Device：第1pin是电源、第2pin是信号、第3pin是搭铁线，那在原理图中画图的时候，调入Symbol以后，就需要将第1pin连到正极，第2pin连接到信号接收的设备端，第3pin连接到负极；那么对应的线束端的连接器就需要将连接器的1对应Device的1，连接器的2对应Device的2，连接器的3对应Device的3。第2个Device：第1pin是搭铁线、第2pin是信号、第3pin是电源，如果还是用这个Symbol的话，那在原理图中调入Symbol以后，就需要将第1pin连到负极，第2pin连接到信号接收的设备端，第3pin连接到正极；那么对应的线束端的连接器，就需要将连接器的3对应Device的1，连接器的2对应Device的2，连接器的1对应Device的3。

因此，如果这2个Device用同一个Symbol，并且这2个Device对应同一个线束端的连接器，那么Symbol中的1、2、3pin在每个Device表示的含义就不一样了，与之相连的net线的去向也不一样，要对应的Footprint也就不一样。Capital Library库示例如图3所示。

CHS数据集成是从整个产品的研发体系上，将各专业、总成的设计数据进行整合交互，以达到最大限度利用现有资源，避免重复工作，提高工作品质和准确性的方法。在同一设计平台下，使用中央数据存储的数据库技术来存储数据，是数据集成的一个表现形式，如图4所示。

4 原理图设计

4.1 原理图制图规范制定与创建

原理图的设计以电信号为主要表现对象，各个电子、电气元件都会明确地表示出来，例如熔断丝、继电器等。在原理图设计之前，需要根据企业自身要求提出制图规范，图纸上各类汽车零部件及总成的编号，采用如图5所示原则进行编制，其中编号由13位字符构成。例如：组号以第1位和第2位数字组合表示，其中电气件大多为37（电气设备），38（仪器仪表）；分组号以第1位至第4位数字组合表示。熔断丝以F开头，后面是1到3位数字。继电器以J开头，后面是1到2位数字，依次建立搭铁、导线、插接器等的编号规则。

4.2 电源分配

CHS原理图绘制中的电源分配问题，始终是仁者见仁智者见智。方法有很多种，电源分配方法如图6所示。将整车所有用电设备的熔断丝逐个列出，分别是ON档、ACC档和常电端熔断丝，而熔断丝的另一端则与设备的连接线通过共享实现。这种方法使得整车的电源分配输出非常紧凑，其它原理图中只需共享相应熔断丝端net线即可。

5 系统综合

系统综合是整个系统电线束设计流程的核心模块，集成的图形化设计环境可以用于二维的线束布局设计，并根据逻辑设计、拓扑结构和设计规则自动综合生成接线图，提供了当前最先进的、效率最高的汽车电气系统设计流程。

5.1 拓扑图设计

在CAD中将轻型车的平面图进行比例调整，例如采用1∶5，以DXF格式文件导入，如图7所示创建Skeleton文件，调入创建好的Skeleton之后，根据轻型车的电气配置，创建Device类型的Slot。双击此Slot更名，需注意的是要求名称与在原理图中对应的Device名称保持一致，如果不一致会导致无法自动放置设备。

根据电气件的布置位置，画出所有的Slot，创建Bundle，如图8所示。如果在Capital Logic中，Device已经关联了库，而且Device库文件已经定义好了Footprint，这一步操作就不需要做了，因为如果布置图关联了原理图之后，Virtual Connector会根据Footprint自动关联库并更名。按照轻型车整车的电气设备分布情况完成所有的Slot和Bundle。

5.2 拓扑图中关联原理

拓扑图绘制完成后，需要将原理图关联到拓扑图中。根据不同的Build List，可选择不同版本的系统设计。如果有设计变更，可重新加入变更后的系统设计到系统综合中，实现版本和设计变更的管理，如图9所示。

5.3 Option在整车配置方案中的应用

根据市场的不同需求定义具体的Model，进而确定不同功能选项在具体车型中的选装关系。车型选装配置如图10所示。例如：轻型车中对于ABS系统的定义就有液压ABS系统和气压ABS系统两种，原理图中同样的ABS电磁阀设备就会对应2个不同的slot，所以首先需定义2个Opiton，不同配置中的Slot需要单独定义，双击要定义的Slot，点击Add Constraint，加入基本的规则，如图10所示。

6 系统综合与线束工程化

系统综合后，所有的信号线全部根据具体的需求生成导线、线号栏等信息，如图11所示。如果生成导线的结果不是设计所需，可以再设定具体的规则约束，进行综合，最终综合出合理的接线关系。如有设计变更，只需修改原理图，或修改综合规则，再进行系统综合就可以得出设计变更后的系统综合结果，使得电线束的设计准确而又高效。

6.1 定量仿真分析，接线图自动生成

设计的正确性，通常可以分为对设计规则的验证和对设计意图的验证2个方面。设计规则的验证，我们可以通过设计规则检查来实现，它可以帮助工程师自动寻找设计中可能存在的 “规则性”错误。设计意图的验证，一般要通过仿真分析来实现，设计师所关心的仿真能力包括电路逻辑功能仿真、压降电流仿真、极限分析、潜藏电路分析、FMEA报告等。

6.2 数据交互和传递

数据的交换和传递，包括原理到线束图之间的内部流程，也包括三维软件与原理和线束软件之间的数据交换，还包括PDM与电气软件之间的数据交换，最频繁出现的，就是PDM设计变更。

大量的数据在不同的设计阶段以不同的方式在不同的软件之间频繁、反复交换，非常容易产生人为的错误和数据权限的混乱，因此需要一套完善的设计变更策略，来配合数据版本状态进行自动化的数据交换，避免人工操作的数据迁移造成错误。在定义了插接器属性及各个连接点的前提下，实现3D数据与CHS的交互，插接器属性与线束分支属性如图12所示。