基于現代高級軟件CHS的整車電氣系統設計流程

賈文勇，楊 陽

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

整車電氣系統，又可以稱作電源分配系統，主要負擔著整車電氣設備以及各種可能的車載用電器的電源供應和部分電子信號的互聯通信。電線束通常是由導線、連接器、保護材料等組成。由于車載電子設備、元件應用的普及，電氣系統在現代車輛設計中擁有越來越高的重要性，電氣系統的可靠性直接影響到了車輛和車載電子設備在各種復雜、極端情況下的可靠性和工作性能。

CHS的出現將逐步取代CAD主導的線束圖紙設計，它基于以數據為中心的思想，支持廣泛使用的Oracle數據庫，整個流程中所有的數據實施統一管理，支持功能強大的仿真和分析，提供系統級仿真技術和軟件的接口。CHS生成式流程通過原理圖設計、拓撲結構建立、設計規則自動綜合生成接線圖和與三維設計軟件的數據交互，使得汽車電線束的設計變得可靠高效。

1 標準件庫的建立

標準件庫的建立是整個線束設計工作的基礎，標準件庫主要包括：Capital Symbol和Capital Library 2個庫，庫中包含了設備、尾附件、搭鐵符號、焊點、線色、線徑、端子、連接器和圖幅模板等線束設計所需要的所有元器件與原材料的信息。所有的設計者都從標準件庫中調用符號做原理設計，實現圖形符號的統一化。可建立多種標準的符號庫，以適應于不同的設計標準需求，如圖1所示。

插接器符號可以整體從CAD中以DXF格式導入，在另存為DXF格式時應將符號左下角放置在原點處，這樣調入符號時鼠標就位于圖示原點處并且方便使符號跟隨鼠標移動。同時，還要注意修改符號的名稱，導入后需要對符號進行調整，可以通過設置格點選項，規定圖形每次移動的步長。以開關類為例，計算好CAD與CHS柵格點之間的尺寸對應關系，符號文字標注列定義為每格5 mm或6mm，外邊框對齊到格點，以此類推，燈具類、繼電器類等依次錄入。根據設備的不同屬性建分類文件夾，便于設計人員查找。

2 線束插接器庫的建立

線束插接器符號庫需要制定設計外形尺寸、線形風格、線色、線寬等規則，這個規范的制定是由設計者根據自己設計團隊的需要來制定的。插接器錄入的過程中，可根據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設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。在插接件符號的每個孔位上都要添加RED基準點，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備的管腳定義保持一致，否則生成的線束圖中會出現管腳對應錯誤，使后續所有工作都變得徒勞。大多插接器的供應商都會在插接器上標注孔位號，但也有一部分廠家不做標注的，設計人員可根據自己的情況對無編號插接器制定一個錄入標準。

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備端，第3pin連接到負極；那么對應的線束端的連接器就需要將連接器的1對應Device的1，連接器的2對應Device的2，連接器的3對應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，那在原理圖中調入Symbol以后，就需要將第1pin連到負極，第2pin連接到信號接收的設備端，第3pin連接到正極；那么對應的線束端的連接器，就需要將連接器的3對應Device的1，連接器的2對應Device的2，連接器的1對應Device的3。

因此，如果這2個Device用同一個Symbol，并且這2個Device對應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，要對應的Footprint也就不一樣。Capital Library庫示例如圖3所示。

CHS數據集成是從整個產品的研發體系上，將各專業、總成的設計數據進行整合交互，以達到最大限度利用現有資源，避免重復工作，提高工作品質和準確性的方法。在同一設計平臺下，使用中央數據存儲的數據庫技術來存儲數據，是數據集成的一個表現形式，如圖4所示。

4 原理圖設計

4.1 原理圖制圖規范制定與創建

原理圖的設計以電信號為主要表現對象，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。在原理圖設計之前，需要根據企業自身要求提出制圖規范，圖紙上各類汽車零部件及總成的編號，采用如圖5所示原則進行編制，其中編號由13位字符構成。例如：組號以第1位和第2位數字組合表示，其中電氣件大多為37（電氣設備），38（儀器儀表）；分組號以第1位至第4位數字組合表示。熔斷絲以F開頭，后面是1到3位數字。繼電器以J開頭，后面是1到2位數字，依次建立搭鐵、導線、插接器等的編號規則。

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備的連接線通過共享實現。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熔斷絲端net線即可。

5 系統綜合

系統綜合是整個系統電線束設計流程的核心模塊，集成的圖形化設計環境可以用于二維的線束布局設計，并根據邏輯設計、拓撲結構和設計規則自動綜合生成接線圖，提供了當前最先進的、效率最高的汽車電氣系統設計流程。

5.1 拓撲圖設計

在CAD中將輕型車的平面圖進行比例調整，例如采用1∶5，以DXF格式文件導入，如圖7所示創建Skeleton文件，調入創建好的Skeleton之后，根據輕型車的電氣配置，創建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的Device名稱保持一致，如果不一致會導致無法自動放置設備。

根據電氣件的布置位置，畫出所有的Slot，創建Bundle，如圖8所示。如果在Capital Logic中，Device已經關聯了庫，而且Device庫文件已經定義好了Footprint，這一步操作就不需要做了，因為如果布置圖關聯了原理圖之后，Virtual Connector會根據Footprint自動關聯庫并更名。按照輕型車整車的電氣設備分布情況完成所有的Slot和Bundle。

5.2 拓撲圖中關聯原理

拓撲圖繪制完成后，需要將原理圖關聯到拓撲圖中。根據不同的Build List，可選擇不同版本的系統設計。如果有設計變更，可重新加入變更后的系統設計到系統綜合中，實現版本和設計變更的管理，如圖9所示。

5.3 Option在整車配置方案中的應用

根據市場的不同需求定義具體的Model，進而確定不同功能選項在具體車型中的選裝關系。車型選裝配置如圖10所示。例如：輕型車中對于ABS系統的定義就有液壓ABS系統和氣壓ABS系統兩種，原理圖中同樣的ABS電磁閥設備就會對應2個不同的slot，所以首先需定義2個Opiton，不同配置中的Slot需要單獨定義，雙擊要定義的Slot，點擊Add Constraint，加入基本的規則，如圖10所示。

6 系統綜合與線束工程化

系統綜合后，所有的信號線全部根據具體的需求生成導線、線號欄等信息，如圖11所示。如果生成導線的結果不是設計所需，可以再設定具體的規則約束，進行綜合，最終綜合出合理的接線關系。如有設計變更，只需修改原理圖，或修改綜合規則，再進行系統綜合就可以得出設計變更后的系統綜合結果，使得電線束的設計準確而又高效。

6.1 定量仿真分析，接線圖自動生成

設計的正確性，通常可以分為對設計規則的驗證和對設計意圖的驗證2個方面。設計規則的驗證，我們可以通過設計規則檢查來實現，它可以幫助工程師自動尋找設計中可能存在的 “規則性”錯誤。設計意圖的驗證，一般要通過仿真分析來實現，設計師所關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 數據交互和傳遞

數據的交換和傳遞，包括原理到線束圖之間的內部流程，也包括三維軟件與原理和線束軟件之間的數據交換，還包括PDM與電氣軟件之間的數據交換，最頻繁出現的，就是PDM設計變更。

大量的數據在不同的設計階段以不同的方式在不同的軟件之間頻繁、反復交換，非常容易產生人為的錯誤和數據權限的混亂，因此需要一套完善的設計變更策略，來配合數據版本狀態進行自動化的數據交換，避免人工操作的數據遷移造成錯誤。在定義了插接器屬性及各個連接點的前提下，實現3D數據與CHS的交互，插接器屬性與線束分支屬性如圖12所示。

6.3 物理架構的優化

所謂物理架構，是指車輛的線束在車內的物理實現方式，也就是車輛整個線束的拓撲架構。物理架構的不同，很大程度上決定了整車的成本、質量、可靠性和總線信號的品質。架構的優化，可以通過導線綜合技術來實現快速的方案計算和對比，最終給出不同物理架構的分析報告。插接器與電線束分支屬性如圖13所示。

7 總結

電氣系統和線束的品質，跟電氣系統設計和線束設計密切相關。當前一般的電氣設計流程和方法，還沒有能夠充分普及和利用現代最新的設計手段，冗余繁雜的工程師手工CAD制圖、缺乏監控的數據遷移、缺乏仿真驗證手段與三維設計等問題，成了制約線束設計和產品研發的一個瓶頸。

一個好的電氣系統設計平臺，需要滿足數據的統一管理、三維系統與PDM的整合、數據品質仿真分析和標準化圖紙風格樣式的統一。為了解決電氣系統設計中存在的現有問題，未來急需建立起一個更現代化、更高級的電氣系統設計平臺和設計流程。