汽車電氣系統仿真建模研究

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，對電氣系統部件進行抽象、建模，實現在設計早期對電氣系統進行測試驗證，解決現有的電氣系統測試驗證周期較長，設計變更成本高、測試結果不全面等問題。

電氣系統；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

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

目前，電氣系統層面的驗證主要依靠工程師的設計經驗，至少要到P0車階段，各零部件開發出來，并進行實車搭載，才能驗證系統的可靠性。對于驗證階段發現的問題，再進行設計變更，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布、產品召回的嚴重后果。對于電氣系統層次的驗證缺少一種有效的方法，在設計早期用于檢查系統的連接是否正確、系統之間是否存在潛在回路、保險與導線的選擇是否匹配、零部件布置及回路選擇是否合理等問題。

Capital是Mentor公司開發的專業的電氣系統自動化設計工具，涵蓋了電氣原理設計到線束工程化設計，直至最后生產制造的整個流程。Capital設計結果可以直接用于指導廠家進行生產及后續車型服務，實現了自動化設計，極大的提高了工作及生產的效率。利用Capital內置的Saint語言進行編程，對系統內部的各部件進行仿真建模，可以在設計早期對電氣系統進行驗證。

1.1 現有技術方案

現有電氣系統的驗證均是進行實車的功能驗證，通過人工進行測試，發現問題并進行不斷的整改。由于回路數量多，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設計工具后，可以做到一定程度的設計規則檢查，快速排查已知規則內的設計問題，如Pin腳是否漏連，電器件到接插件間是否正確匹配等，但由于設計工具尚不能理解設計的具體功能特性，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 現有技術的缺點

1）需要等到實車搭載才能驗證功能，且后期設計變更的成本較高。

2）人工進行測試，不能遍歷各種工況，難以發現潛在的問題。

3）測試過程相對獨立，后續開發車型難以實現復用。

2、汽車電氣系統仿真建模方案

本文提供一種汽車電氣系統仿真建模的方法，包含對部件進行抽象、結構的搭建、模型的同步、全局變量的設置、系統的初始化、參數讀取、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 電氣系統仿真建模的流程

2.1 部件的抽象

將電氣系統內部的零部件抽象為電阻及開關。電氣系統內部的零部件包括：輸入部件、控制器、執行部件。

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

其中，執行部件包括，各種燈泡、電機、電磁閥等，其特征在于，當執行部件工作后，其內部存在電流。因此可以將其等效為電阻，其抽象的邏輯為：當電阻工作后，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、控制外部執行器的電路。因此可以將其等效為開關和電阻的組合，上述，采集外部輸入的電路等效為電阻、控制外部執行器的電路等效為開關，其抽象邏輯為，電阻存在電流時，表征外部輸入有效；此通過設置開關的電阻，來控制外部執行器。

2.2 結構的搭建

依據實際的輸入、輸出搭建仿真的結構。針對零部件的實際端口，依據上述抽象的方法，搭建仿真的結構。

其中，輸入部件等效為開關的仿真結構（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，電流的方向與實際電流的方向是一致的，等效的類型為“∞”表征該結構代表的是等效開關。

圖2 等效開關的仿真結構

其中，執行部件等效為電阻的仿真結構（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，電流的方向與實際電流的方向是一致的，等效的類型為“L”表征該結構代表的是等效電阻。

圖3 等效電阻的仿真結構

其中，控制器等效為電阻與開關組合。（如下圖4為最小仿真結構），包括執行器控制端口、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構電流方向、外部執行器控制等效仿真結構電流方向、外部執行器控制等效仿真結構類型、外部輸入采集等效仿真結構類型。端口與控制器的實際PIN腳對應，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構

2.3 模型的同步

將零部件的仿真結構同步到原理圖中。按照仿真結構的端口定義與原理圖中的端口定義一一對應起來。

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

圖5 最小系統原理圖

2.4 設置全局變量

設置部件仿真必須的參數。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中設置仿真部件的參數。

表1

2.5 系統初始化

將被仿真系統的參數進行初始化。在State2中對輸入部件、執行部件的初始狀態進行設定。在最小仿真系統中，開關的初始狀態為斷開、燈泡的初始狀態為未點亮。

2.6 讀取參數

讀取系統中電流的變化。在State3中讀取外部輸入采集等效仿真結構電流的變化，當電流發生變化表征外部開關輸入有效，同時，設置外部執行器控制等效仿真結構中開關的阻值，當阻值設置為Rcontact時，表征控制器對外輸出有效。

2.7 邏輯判斷

根據設定的功能進行判斷。在State3中可以根據需求增加功能模塊，在最小仿真系統中，功能模塊1可以代表：開關閉合，燈光點亮。State4代表燈光不亮的狀態，State5代表燈光點亮的狀態，條件1代表燈光由不亮到燈光點亮的條件，本例中，條件即是外部開關閉合，控制器外部輸入采集等效仿真結構中存在電流；條件2代表燈光由亮到燈光不亮的條件，本例中，條件即是外部開關斷開，控制器外部輸入采集等效仿真結構中不存在電流。

圖6 仿真軟件控制框圖

2.8 仿真顯示

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

圖7 仿真顯示的結果

3、結論

本文介紹了汽車電氣系統仿真建模的方法，解決了傳統測試驗證周期長、設計變更成本大、測試結果不全面等問題，具有以下優點：

1）電氣系統仿真建模的方法；

2）將整車電氣系統抽象等效為電阻、開關的結構；

3）輸入部件、控制器、執行部件的仿真結構

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中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.027