Mentor Graphics發(fā)布《汽車系統(tǒng)與線束設(shè)計(jì)的自動(dòng)短路試驗(yàn)》報(bào)告

Mentor Graphics

2015-06-29 09:19 8504

上海2015年6月29日電 /美通社/ -- 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)廠商 Mentor Graphics 近日發(fā)布一份題為《什么在冒煙？汽車系統(tǒng)與線束設(shè)計(jì)的自動(dòng)短路試驗(yàn)》的研究報(bào)告。

正文：

報(bào)告作者: Mike Stamper, Mentor Automotive
背景：
防止汽車線束發(fā)生災(zāi)難性過載，是一條關(guān)鍵的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)師必須確保熔斷策略能保護(hù)線路。這個(gè)過程一般涉及人工計(jì)算每條線的較大負(fù)荷，然后將結(jié)果與多年前創(chuàng)建的電子表進(jìn)行比較。
全文要點(diǎn)與大綱如下：
a. 概述
b. 分析和模擬
c. 怎么辦？
d. 選對(duì)工具，輕松上手
e. 你可以這樣做
f. 問題早發(fā)現(xiàn)，多省錢
g. 不再需要原型
h. 保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)間 vs. 電線冒煙特性
i. 小結(jié)

概述

防止汽車線束發(fā)生災(zāi)難性過載，是一條關(guān)鍵的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)師必須確保熔斷策略能保護(hù)線路。這個(gè)過程一般涉及人工計(jì)算每條線的較大負(fù)荷，然后將結(jié)果與多年前創(chuàng)建的電子表進(jìn)行比較。

這個(gè)過程由于其人工性質(zhì)而極易出錯(cuò)。你可能發(fā)現(xiàn)報(bào)警，也確實(shí)有情況，但汽車和飛機(jī)卻仍在正常行駛和飛行。原因如下：

電路處于過保護(hù)狀態(tài)。由于大部分設(shè)計(jì)過程的人工性質(zhì)，設(shè)計(jì)師往往過于謹(jǐn)慎；這意味著所采用的電線比實(shí)際負(fù)荷所需的更粗。
物理測(cè)試。制作出造價(jià)高昂的物理原型，由測(cè)試工程師對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行物理測(cè)試，以確保電路受到保護(hù)。這既費(fèi)時(shí)間又費(fèi)金錢，而且往往處于設(shè)計(jì)過程的后期階段，導(dǎo)致因這項(xiàng)測(cè)試而帶來的設(shè)計(jì)變更的代價(jià)十分高昂。
工程師和設(shè)計(jì)師聰明無比。很多設(shè)計(jì)的確延續(xù)了很多年。歷史告訴他們哪些有用，哪些沒用——但我們必須提出這樣的問題：這是較有效的設(shè)計(jì)方式嗎？

分析和模擬

在談到電路保護(hù)時(shí)，我們經(jīng)常聽到“模擬”和“分析”這兩個(gè)詞。雖然模擬往往被譽(yù)為線束保護(hù)設(shè)計(jì)的救星，但卻很少實(shí)施，而如果實(shí)施的話，會(huì)造成過程中的巨大瓶頸。首先，必須由一名訓(xùn)練有素、技術(shù)高超的專家來創(chuàng)建復(fù)雜的模型，運(yùn)行模擬，然后分析結(jié)果。接著，結(jié)果被反饋給線束工程團(tuán)隊(duì)，而他們則必須根據(jù)往往既復(fù)雜又難懂的圖表和結(jié)果做出決定。

在以這種方式進(jìn)行模擬時(shí)總是會(huì)缺少的一項(xiàng)重要信息是汽車的實(shí)際配置。并非所有負(fù)荷都存在于所有汽車上。以一輛可選配導(dǎo)航系統(tǒng)的汽車為例。要進(jìn)行哪種模擬，帶導(dǎo)航還是不帶導(dǎo)航？讓我們將選配天窗添加到組合中：現(xiàn)在，你有2² = 4種車型要模擬。當(dāng)加入更多選配內(nèi)容后，可以看到，模擬組合的數(shù)字升至2ⁿ，其中，n=選配件的數(shù)量。

對(duì)于專業(yè)從事電機(jī)模型和線路模型創(chuàng)建的模擬和建模專家來說，數(shù)十億種汽車組合的復(fù)雜性超出了任何模擬的范圍。即便你能運(yùn)行如此之多的模擬，也沒有足夠的時(shí)間，來解讀所有形成的模擬圖表，以便在車輛投入量產(chǎn)前進(jìn)行有意義的設(shè)計(jì)變更。設(shè)計(jì)到制造的時(shí)間一年年縮短；沒有時(shí)間以這種方式進(jìn)行模擬，這迫使設(shè)計(jì)師不得不根據(jù)電子表格中或紙質(zhì)的歷史查詢表來選擇電線和保險(xiǎn)絲的規(guī)格。假如沒有人工錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)師通常最后完成的是一種過保護(hù)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致成本和重量增加。

怎么辦？

解決這一難題的方法是，利用這些模擬專家的專長，使每位工程師都能對(duì)他們的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并提供快速而有意義的反饋。通過抓住電線和保險(xiǎn)絲尺寸規(guī)格準(zhǔn)則（這是你的工程知識(shí)產(chǎn)權(quán)），我們相信，你的設(shè)計(jì)工具會(huì)讓你的工程師知道是否有問題。分析工具應(yīng)對(duì)汽車進(jìn)行分析，向工程師直接指出具體問題所在，并且根據(jù)你的工程技術(shù)知識(shí)提出解決這些問題的辦法。細(xì)看各種選配內(nèi)容的詳細(xì)模擬運(yùn)行的圖表和曲線圖，是一個(gè)很長的過程，仍有待解釋數(shù)據(jù)。

選對(duì)工具，輕松上手

有一種成本更低廉、更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方式。方向正確的一步是，以可用軟件進(jìn)行分析的電子格式采集設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。利用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)工具，工程師和設(shè)計(jì)師可執(zhí)行實(shí)施正確構(gòu)建 (correct-by-construction) 設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)則。可以在制作物理原型之前，很早就發(fā)現(xiàn)過程中的問題——也許完全不再需要制作原型。

這種由軟件工具進(jìn)行設(shè)計(jì)分析的正確構(gòu)建法需要若干參數(shù)：

1. 汲取電流的設(shè)備的準(zhǔn)確負(fù)荷信息，如：

電機(jī)大小 (hp)	115伏	208伏	230伏
1/7	5安培	3安培	2.9安培

2. 通過電子控制單元 (ECU) 的電流：

a. 我們經(jīng)常聽說，ECU 的內(nèi)部是專有的，建模工作困難重重。當(dāng)你把關(guān)注的焦點(diǎn)放在手頭的任務(wù)上，即確定保險(xiǎn)絲是否能保護(hù)線路，那么，利用正確的工程工具，ECU 內(nèi)部連接建模就變得小菜一碟。所需的一切，如圖1所示（假設(shè)性示例）。

圖1：可用于 ECU 的一個(gè)簡單的保險(xiǎn)絲熔斷模型

3. 說明零部件位置和汽車各部位的相對(duì)溫度以及線束連接點(diǎn)的汽車結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖2：必須對(duì)線束連接點(diǎn)的位置和溫度極限進(jìn)行建模

4. 電池、保險(xiǎn)絲、電線以及汽車上的基本分立器件（車燈、電機(jī)、開關(guān)、接地裝置、繼電器等）的準(zhǔn)確模型

你可以這樣做

圖3的例子顯示的是用正確的工具可能實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。工程師可以采用推薦的電線規(guī)格（Wire CSA_(max) 欄），并實(shí)際應(yīng)用于設(shè)計(jì)中，從而利用這些信息來推動(dòng)零件選型。

圖3：工程師可利用正確的工具，輕松地將標(biāo)準(zhǔn)化電線規(guī)格直接應(yīng)用于設(shè)計(jì)中。

憑借這些信息，可在實(shí)際零件制造之前，在過程中及早做出設(shè)計(jì)決定。通過利用你的工程師的多年經(jīng)驗(yàn)，你也可以為更廣大的客戶提供這種水平的分析和決策。

問題早發(fā)現(xiàn)，多省錢

圖4的圖表顯示了在汽車的設(shè)計(jì)周期中進(jìn)行設(shè)計(jì)變更的相對(duì)成本。越晚發(fā)現(xiàn)問題，成本越高。汽車制造商一年的保修和召回費(fèi)用高達(dá)數(shù)十億美元，這對(duì)那些直到汽車已經(jīng)交到客戶手中才發(fā)現(xiàn)問題的企業(yè)來說，嚴(yán)重影響了他們的盈利。你要在設(shè)計(jì)過程中及早發(fā)現(xiàn)問題。

使你的設(shè)計(jì)工程師能在制造原型之前不斷地進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，不但可以節(jié)約時(shí)間和金錢，還能提高你的產(chǎn)品的可靠性。大部分電氣設(shè)計(jì)測(cè)試開始于成本較高的原型階段，在圖4中沿紅線用淡色曲線表示。如果你先在創(chuàng)意到邏輯設(shè)計(jì)階段花了較多的時(shí)間和精力，那么在整合過程中所花的時(shí)間、金錢和精力就會(huì)少得多，保修和召回成本也會(huì)減少。

圖4：在設(shè)計(jì)過程中越晚發(fā)現(xiàn)缺陷，改正的成本就越高。

不再需要原型

日益盛行的一類電線和保險(xiǎn)絲尺寸規(guī)格分析是短路測(cè)試。有三種短路測(cè)試，如圖5所示。

圖5：三種短路測(cè)試：A – 高壓側(cè)短路測(cè)試，B – 低壓側(cè)短路測(cè)試，C – 負(fù)荷兩端短路測(cè)試。

這類分析一般在物理測(cè)試中進(jìn)行。這需要在設(shè)計(jì)完成后制造一輛造價(jià)高昂的原型車，成本可能高達(dá)百萬美元以上。制造這類原型車的目的不只是進(jìn)行電氣測(cè)試，也是為了進(jìn)行物理測(cè)試。這種性質(zhì)的短路測(cè)試具有損壞線路的風(fēng)險(xiǎn)，可能需要進(jìn)行昂貴的維修，以便使車輛為計(jì)劃進(jìn)行的下次測(cè)試做好準(zhǔn)備。在設(shè)計(jì)完成前，在制造昂貴的原型車之前，這類測(cè)試應(yīng)在虛擬環(huán)境中進(jìn)行，并應(yīng)對(duì)公司中的每一位線束工程師公開，而不是掌握在少數(shù)模擬專家的手中。

保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)間 vs. 電線冒煙特性

在日本開始盛行的一項(xiàng)分析是，調(diào)整保險(xiǎn)絲的尺寸，使保險(xiǎn)絲在短路測(cè)試中，在電線包覆材料開始冒煙之前熔斷。日本電線制造商開始公布電線的冒煙特性，以便汽車制造商與線束制造商可以進(jìn)行這種保險(xiǎn)絲尺寸調(diào)整和電線尺寸調(diào)整。

這類測(cè)試背后的主要驅(qū)動(dòng)因素是耐用性。隨著電線在高負(fù)荷條件下溫度的升高，電線包覆層開始冒煙，電線的耐用性降低。這可能導(dǎo)致任何數(shù)量的耐用性問題。隨著電線絕緣性減弱，電線可能變脆，并可能導(dǎo)致里面的裸線暴露在外，造成短路危險(xiǎn)。想象一下，在行駛過程中，安全氣囊電路意外短路，安全氣囊打開的情形。保修和召回成本驚人。先期測(cè)試做得越多，參與測(cè)試工作的設(shè)計(jì)工程師越多，測(cè)試工作越輕松，產(chǎn)品也越完善。

這類測(cè)試，有時(shí)稱作“電線冒煙測(cè)試”，是用物理原型車來進(jìn)行，費(fèi)錢費(fèi)時(shí)。這類測(cè)試原理如下所述：簡單來說，引起負(fù)荷端短路（高壓側(cè)、低壓側(cè)或負(fù)荷兩端），對(duì)電路進(jìn)行觀測(cè)。如果電線包覆材料在保險(xiǎn)絲熔斷前開始冒煙，則要研究解決辦法。這可能涉及更換更大規(guī)格的保險(xiǎn)絲、熔斷時(shí)間更短的保險(xiǎn)絲、更粗的電線、不同材質(zhì)的電線等。圖6為概念示意圖。

圖6：保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)間與電線冒煙時(shí)間。

在圖6的圖表中，我們采用一根假設(shè)的保險(xiǎn)絲和電線，并繪出了保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)間和電線冒煙時(shí)間（均以秒為單位）及電流（單位：安培）。讓我們來看一看圖上的兩個(gè)點(diǎn)：

在大約20安培時(shí)，我們看到，對(duì)于電線與保險(xiǎn)絲的這一組合來說，保險(xiǎn)絲會(huì)在電線冒煙（藍(lán)線）之前熔斷（橙線）。
在大約8安培時(shí)，我們看到，電線會(huì)在保險(xiǎn)絲熔斷前冒煙。這不是人們所希望的情況，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致電線材料老化，總體上造成耐用性問題。

如今市場(chǎng)上有能幫助你做到這一點(diǎn)的工具。問問你自己，由公司里的任意一位工程師在設(shè)計(jì)過程的早期在虛擬環(huán)境下自動(dòng)進(jìn)行下列分析，是不是很重要：

整車負(fù)荷測(cè)試
多種汽車配置的自動(dòng)化測(cè)試
自動(dòng)保險(xiǎn)絲尺寸調(diào)整與零件選型
自動(dòng)電線尺寸調(diào)整與零件選型
自動(dòng)化短路測(cè)試 -- 高壓端、低壓端、負(fù)荷兩端短路測(cè)試或三種測(cè)試輪流進(jìn)行
保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)間與電線材料冒煙時(shí)間測(cè)試，以提高線路耐用性

小結(jié)

物理模型測(cè)試提出了兩個(gè)成本問題：(1) 制造和維護(hù)原型的成本十分高昂；(2) 遲至原型階段才發(fā)現(xiàn)的缺陷，改正成本十分高昂。解決辦法是對(duì)于能進(jìn)行適當(dāng)模擬的系統(tǒng)，采用虛擬原型和模擬。線束很容易進(jìn)行模擬，虛擬原型很容易發(fā)現(xiàn)缺陷，如短路或保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)間與電線冒煙時(shí)間。利用這些工具，不但可以大大節(jié)約成本，還能縮短開發(fā)時(shí)間。

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