淺談基于Capital的整車電氣原理設(shè)計方法

楊 淑

（明導(dǎo)（上海）電子科技有限公司，上海 200120）

前言

近年來，汽車不僅僅增加了新功能的電子產(chǎn)品，原有的單純的機(jī)械系統(tǒng)在許多領(lǐng)域都實現(xiàn)了機(jī)電一體化控制[1]。汽車電線束正是連接汽車各個電器與電子設(shè)備的橋梁，在電源、開關(guān)、電器和電子設(shè)備之間傳遞信號，是汽車的神經(jīng)[2]。尤其是國內(nèi)新能源汽車的普及和智能網(wǎng)聯(lián)的發(fā)展，必然會導(dǎo)致電子電器配置的不斷增加和線束復(fù)雜度的迅速增長，呈現(xiàn)出“量少變化大”的特征。目前一款普通車型的線束零件號往往達(dá)到數(shù)百個甚至數(shù)千個，如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)的基于固定配置線束總成零件號驅(qū)動的設(shè)計方法設(shè)計汽車線束，將很難應(yīng)對客戶車型定制化種類多、線束總成零件庫存種類多、生產(chǎn)周期長、物流庫存壓力大等諸多問題[3]。為了解決上述問題，汽車線束在設(shè)計、生產(chǎn)以及制造階段的全流程模塊化是一種非常有效的方法。目前國內(nèi)關(guān)于線束模塊化的論文主要集中在如何將線束總成劃分成多個子組件[4]，較少關(guān)注在較前期階段比如整車電氣原理設(shè)計階段該如何更好地引入模塊化流程。本文主要關(guān)注整車電氣原理設(shè)計階段的模塊化方法和復(fù)合方法的混合設(shè)計模式。

1 線束設(shè)計流程

線束系統(tǒng)作為汽車神經(jīng)，充當(dāng)著聯(lián)系中央控制部件和汽車各用電器的重任，線束系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量直接關(guān)系到車輛的安全性，因此汽車線束系統(tǒng)的設(shè)計變得更為重要和嚴(yán)格。線束系統(tǒng)的設(shè)計是一項嚴(yán)謹(jǐn)工程，講究循序漸進(jìn)，圖1是汽車線束系統(tǒng)的設(shè)計流程[5]。

圖1 汽車線束系統(tǒng)設(shè)計流程

（1）目前國內(nèi)不少公司仍然采用基于二維機(jī)械制圖軟件開發(fā)線束系統(tǒng)。這種開發(fā)方式最大的弊端就是無法復(fù)用設(shè)計數(shù)據(jù)，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期長，無法快速響應(yīng)市場需求。這種基于圖形元素而非數(shù)據(jù)對象的開發(fā)方式和理念難以應(yīng)對近年來電子電氣領(lǐng)域的突破性和爆發(fā)性發(fā)展。

（2）目前國內(nèi)外的整車廠越來越多地采用從整車電子電氣架構(gòu)→電線束系統(tǒng)原理圖→電線束系統(tǒng)接線圖→線束系統(tǒng)二維圖的正向開發(fā)流程。比較常用的開發(fā)方式是復(fù)合法即線束總成零件號驅(qū)動的150%線束超集，之后再拆分成若干個單獨零件號所對應(yīng)的子圖。如圖2所示，復(fù)合線束拆分成2個子線束，分別用于不同的車型。這種開發(fā)方式流程簡單，比較容易被設(shè)計人員學(xué)習(xí)使用，對于像汽車門線束等簡單線束非常適用。但是這種復(fù)合法難以應(yīng)對頻繁的線束變更管理以及越來越多的線束定制化需求，尤其是對車身等復(fù)雜線束。

圖2 線束復(fù)合設(shè)計方法

（3）為了應(yīng)對日益復(fù)雜的汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計與客戶日益增長的定制化需求，汽車電線束的模塊化設(shè)計顯得尤其重要。線束模塊化設(shè)計的主要原理是將線束總成（如圖3所示），拆分成不同的子模塊/組件，這些組件可以是半成品。每一個模塊都作為一個變量，以實現(xiàn)對變量的管理，通過對模塊不同的排列組合，實現(xiàn)不同的線束功能。

圖3 線束總成示例

如圖4所示，線束總成被拆分成3個子模塊，通過對模塊1和模塊2組合，模塊1和模塊3組合可以分別得到不同的線束總成。

圖4 線束子模塊示例

2 基于Capital的混合開發(fā)模式

針對比較小型的線束，有些整車廠可能希望延續(xù)傳統(tǒng)的基于固定配置的設(shè)計流程即使用常規(guī)的線束零件號來滿足車型配置即可。在這種情況下，整車電氣系統(tǒng)上就會出現(xiàn)兩種不同的線束設(shè)計流程，即：模塊化設(shè)計與復(fù)合法設(shè)計。為了能夠在相同的線束開發(fā)環(huán)境下支持兩種流程，我們在此引入基于Capital軟件的生成式設(shè)計流程。

2.1 開發(fā)工具介紹

Capital軟件是西門子工業(yè)軟件公司為汽車電子電氣提供解決方案的工具套件，可高效創(chuàng)建并利用電氣設(shè)計數(shù)據(jù)，其強(qiáng)大的技術(shù)能力可壓縮產(chǎn)品定義、設(shè)計、驗證、制造、服務(wù)等環(huán)節(jié)的成本，此外還高度開放了軟件的API接口用于擴(kuò)展軟件功能，目前廣泛地被國內(nèi)外主流汽車整車廠采用為線束系統(tǒng)開發(fā)平臺。

2.2 生成式流程介紹

基于Capital的生成式流程的起點是“系統(tǒng)原理設(shè)計”（通常稱之為“系統(tǒng)設(shè)計”“子系統(tǒng)設(shè)計”或“邏輯設(shè)計”），其包含了電器設(shè)備之間的信號連接關(guān)系。

生成式設(shè)計在應(yīng)用中最重要的環(huán)節(jié)是自動合成導(dǎo)線，即 Capital軟件會利用內(nèi)置算法把“系統(tǒng)原理設(shè)計”中的所有連接關(guān)系根據(jù)一系列輸入信息自動轉(zhuǎn)換成導(dǎo)線，所對應(yīng)的圖紙一般稱之為“接線圖”。最重要的是這種流程同時支持基于零件號的固定配置方法和模塊化方法（功能驅(qū)動的客戶定制化線束開發(fā)/KSK），只需在邏輯設(shè)計中將簡單的選項標(biāo)記添加到電氣設(shè)備上即可。圖5所示為“系統(tǒng)原理設(shè)計”中的音響電路原理圖。

圖5 汽車音響原理圖

為了讓軟件自動合成導(dǎo)線，輸入信息除了需要包含信號連接關(guān)系的“系統(tǒng)原理設(shè)計”，還需要如下信息：

（1）選項代碼定義及其邏輯關(guān)系的完整定義。

“選項”即“Option”代表了可供最終用戶選擇的功能，如圖6所示的“Drive”為一個“選項組”，其代表了左側(cè)駕駛還是右側(cè)駕駛兩種情況，右側(cè)的詳細(xì)信息顯示：該“選項組”內(nèi)成員互斥，且必須存在一種。

“選項”間邏輯關(guān)系的完整定義通常包括“互斥”“包含”以及“強(qiáng)制”等。通常是指技術(shù)上的約束，如圖6所示，左側(cè)駕駛和右側(cè)駕駛不能同時在一輛車上存在。

圖6 選項代碼及其邏輯關(guān)系定義

（2）功能模塊代碼Function Module Code的定義及其邏輯關(guān)系的完整定義。

“功能模塊代碼”是完成某一功能的部件的集合即模塊，以代碼標(biāo)識。對應(yīng)于模塊化線束開發(fā)即KSK流程，在原理圖設(shè)計階段需要提前定義好所需的“功能模塊代碼”以及代碼間的依賴關(guān)系等。同傳統(tǒng)開發(fā)流程中“選項”間的關(guān)系定義類似，“功能模塊代碼”間也可以定義完整的“互斥”“包含”以及“強(qiáng)制”等關(guān)系。

圖7 模塊代碼定義

（3）車型配置管理。

車型配置關(guān)系是自動合成過程中非常重要的輸入，其確定了該車型在市場上的可供選擇的功能，反映了市場需求和公司的產(chǎn)品策略，具體表現(xiàn)為確定了哪些功能為可選或者不可選，或者是標(biāo)準(zhǔn)功能。車型配置的定義視需要定義一個或者幾個，其定義需要考慮技術(shù)的約束和市場的需求。如圖8所示按照左右駕和3/5門定義了4種車型，其中車型“5Door_ LHD”的“CDChanger”為可選功能，“DoorLock-Pass”為標(biāo)準(zhǔn)功能。

圖8 車型配置定義

通常情況下，選項功能之間有一定的約束，比如互斥或者包含，否則會由于“可選”模塊間的排列組合導(dǎo)致非常多的無用組合。比如豪華配置的功能一般不會有低配的功能在一起，因此可以加約束“互斥”，以此避免豪華功能和低配功能同時出現(xiàn)在同一線束上的情況。

（4）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計（Planview）。

Planview又稱布置圖，反映了整車各用電設(shè)備的位置，線束的分割關(guān)系，線束在車身鈑金上的各個通孔位置。如圖9所示，布置圖主要由線束段和“槽”組成，其中“槽”代表可以放置各種用電設(shè)備的容器。

圖9 車型布置圖示例

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在3D機(jī)械CAD軟件中創(chuàng)建后通過Capital軟件自帶的橋接功能導(dǎo)入Capital，從而實現(xiàn)三維線束長度、連接器位置以及潛在線束布線通道等機(jī)械三維信息和Capital軟件中的導(dǎo)線信號信息無縫集成。

2.3 模塊化方法中的自動合成接線

圖10 模塊化合成

Capital軟件提供了“Modular Synthesis”自動合成接線 功能，能夠非常準(zhǔn)確、快速地把輸入信息進(jìn)行加工，從而快速自動生成導(dǎo)線。

在合成的過程中，Capital軟件內(nèi)置算法會將每個“選項表達(dá)式”作為模塊來對待并自動分組。用戶可以根據(jù)需要把軟件自動生成的代碼與系統(tǒng)中預(yù)定義的“功能模塊代碼”進(jìn)行映射。完成模塊定義（模塊劃分）后的車身線束如下所有生成的屬于車身線束的導(dǎo)線都完成了模塊的定義，如圖11所示。

圖11 導(dǎo)線模塊化

2.4 基于復(fù)合法的自動導(dǎo)線合成

對于門線束一類的比較低復(fù)雜度的線束，一般無須做模 塊化設(shè)計。Capital軟件中同時支持這種開發(fā)流程，對應(yīng)的自動接線合成方式為：Full Synthesis，如圖12所示。

圖12 復(fù)合法導(dǎo)線合成

如圖13所示，Capital軟件按照復(fù)合法計算出的門線束僅有兩種組合，可以非常便利地在Part Number欄位指定線束的零件號。在下游二維線束圖紙?zhí)幚磉^程中，這兩種組合分別對應(yīng)于不同的車型。

圖13 復(fù)合法下的線束子圖組合

3 線束混合設(shè)計模式的效益

混合開發(fā)模式主要針對整車廠整車電氣設(shè)計部門，主要的優(yōu)勢在于Capital軟件提供的生成式流程自身優(yōu)勢和所采用混合開發(fā)模式。目前國內(nèi)數(shù)家領(lǐng)先的整車廠采用混合設(shè)計模式來進(jìn)行整車電氣原理設(shè)計。

（1）Capital內(nèi)置的生成式流程本身是一種“設(shè)計即正確”的開發(fā)方法，其利用多種輸入信息自動的合成導(dǎo)線，不受人工因素干擾。此外，生成式設(shè)計支持廣發(fā)的設(shè)計數(shù)據(jù)復(fù)用，包含導(dǎo)線信息的車型拓?fù)湓O(shè)計可以在后續(xù)新項目中通過增刪車型來適應(yīng)新項目的需求。

（2）Capital軟件提供了多種自動化的規(guī)則檢查和數(shù)字連續(xù)性，即與相鄰領(lǐng)域（與需求建模和線束工程）的無縫數(shù)據(jù)整合。無論是模塊化方法還是傳統(tǒng)復(fù)合方法下生成的導(dǎo)線信息均可以無縫地傳遞到下游模塊，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、準(zhǔn)確與及時傳遞。

（3）對于比較復(fù)雜的線束如車身線束，采用模塊化設(shè)計可以大大降低線束設(shè)計、制造以及物流方面的壓力，使得線束開發(fā)過程簡單化，流程化和系統(tǒng)化。

（4）對于比較小型的線束如門線束，采用常規(guī)復(fù)合方法開發(fā)流程可以在維護(hù)非常少量零件號的方法下延續(xù)已有的開發(fā)流程，增加了線束設(shè)計開發(fā)方式的靈活性。

4 結(jié)論

隨著用戶對車輛個性化配置的需求越來越高以及車身等 大型線束越來越復(fù)雜，模塊化線束設(shè)計是一種很好的解決方案。針對當(dāng)前整車廠的實際情況，本文提出的混合式設(shè)計方式是一種靈活的線束設(shè)計方法：對大型線束采用模塊化方法，對小型線束沿用傳統(tǒng)零件號驅(qū)動的設(shè)計方法。目前國內(nèi)的自主品牌和領(lǐng)先的線束供應(yīng)商紛紛從線束模塊化設(shè)計和線束模塊化制造方面積極探索，這顯示出模塊化思想在國內(nèi)市場巨大潛力。但由于線束模塊化對于技術(shù)和資金投入，供應(yīng)商模塊化線束制造能力以及管理等多方面具有較高要求，目前這種模塊化方法還沒有在國內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用。相信隨著開發(fā)工具的不斷創(chuàng)新和設(shè)計思路的不斷開闊，線束模塊化最終將逐步取代傳統(tǒng)的設(shè)計方法。