基于模型的整車電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)研究

潘俊家，戎輝，張殿明，喻杰，周濤

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

基于模型的整車電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)研究

潘俊家，戎輝，張殿明，喻杰，周濤

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

汽車工業(yè)快速發(fā)展，整車電子電氣系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，技術(shù)人員應(yīng)更多考慮如何更加便捷地進(jìn)行多平臺(tái)設(shè)計(jì)。本文主要介紹使用PREEvision模型進(jìn)行整車電子電氣架構(gòu)（EEA）開(kāi)發(fā)方法，這樣有利于工程師在設(shè)計(jì)前期快速地完成相關(guān)工作。

電子電氣架構(gòu)；PREEvision；模型化

汽車的生產(chǎn)方式從最原始的手工制造，到大規(guī)模的流水線生產(chǎn)，然后采用多車型平臺(tái)化生產(chǎn)，到目前最新的模塊化生產(chǎn)，其驅(qū)動(dòng)力是成本的降低和開(kāi)發(fā)周期的縮短。同時(shí)，由于安全性、舒適性、動(dòng)力性和智能化的要求提高，汽車電子在整車所占的比重越來(lái)越大，越來(lái)越復(fù)雜。雖然具有更加高速的CAN、Flexray、以太網(wǎng)等總線通信系統(tǒng)，更加智能化的傳感器和執(zhí)行器，更多優(yōu)秀的方案，但擺在設(shè)計(jì)人員面前的依然是繁雜的開(kāi)發(fā)配置需求，不同方案的優(yōu)劣選擇，反復(fù)的線束校核計(jì)算，所帶來(lái)的仍然是各種格式的開(kāi)發(fā)過(guò)程文件和由于信息不對(duì)等而導(dǎo)致的重復(fù)工作。這些都不利于車型開(kāi)發(fā)周期縮短和開(kāi)發(fā)成本降低。使用PREEvision進(jìn)行整車電子電氣架構(gòu)（EEA）模型化開(kāi)發(fā)，有利于在整車的概念設(shè)計(jì)階段，提供更多系統(tǒng)性設(shè)計(jì)工作的可能。

1 PREEvision的特點(diǎn)

PREEvision是一個(gè)基于模型的電子電氣設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)工具，同時(shí)也是一個(gè)集成的電子電氣協(xié)作平臺(tái)，覆蓋整個(gè)V模型開(kāi)發(fā)階段，從EEA設(shè)計(jì)到后續(xù)的零部件系列開(kāi)發(fā)、測(cè)試，可以保證多部門、多流程有效結(jié)果，在同一平臺(tái)工具工作［1］。PREEvision軟件具有以下特點(diǎn)。

1）通過(guò)模型化的開(kāi)發(fā)方式，將開(kāi)發(fā)過(guò)程中不同的功能、信號(hào)、接口通過(guò)圖形和連接標(biāo)識(shí)，便于更改和識(shí)別。

2）支持多種文件格式與其它系統(tǒng)進(jìn)行交換，例如Office中的Excel，網(wǎng)絡(luò)通信文件DBC、FIBEX和LFD，線束設(shè)計(jì)文件KBL等。

3）支持二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)JAVA語(yǔ)言進(jìn)行編程，調(diào)用軟件自由的大量接口函數(shù)，自由制定用戶需求的評(píng)估算法，開(kāi)發(fā)適用于企業(yè)自身的模型。

4）支持功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262和AUTOSAR軟件設(shè)計(jì)等等。

2 基于PREEvision的架構(gòu)設(shè)計(jì)流程和實(shí)例

電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)可分為5個(gè)開(kāi)發(fā)階段：需求開(kāi)發(fā)、功能架構(gòu)開(kāi)發(fā)、電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和架構(gòu)評(píng)估。通過(guò)PREEvision軟件的分層設(shè)計(jì)功能，將上述5個(gè)開(kāi)發(fā)階段聯(lián)系到一起。

2.1 需求開(kāi)發(fā)（需求層）

客戶特征（customer feature）的定義是電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，主要來(lái)自于針對(duì)客戶群體對(duì)車型配置和功能需求的市場(chǎng)調(diào)研，對(duì)標(biāo)桿車解析參數(shù)對(duì)比，

同時(shí)考慮未來(lái)的合理預(yù)留。不同平臺(tái)和不同車型中的customer feature具有相同點(diǎn)和差異性，通過(guò)PREEvision軟件實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)中的customer feature劃分和同一平臺(tái)中不同車型的customer feature管理。PREEvision可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)Excel的導(dǎo)入和導(dǎo)出，與傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)交互。圖1為customer feature列表。

功能需求（Requirement）列表定義了整車的功能需求和非功能需求。功能需求包括該功能的進(jìn)入、退出條件和功能響應(yīng)等；非功能需求包括該功能的電源模式、法規(guī)要求、診斷需求等內(nèi)容。圖2為requirement列表。

2.2 功能開(kāi)發(fā)（邏輯架構(gòu)層&部件層）

在功能架構(gòu)開(kāi)發(fā)中，需要經(jīng)過(guò)方案開(kāi)發(fā)、功能分配和邏輯開(kāi)發(fā)過(guò)程。使用PREEvision軟件的邏輯架構(gòu)層實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)功能方案開(kāi)發(fā)，定義標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊（邏輯功能塊、邏輯傳感器、邏輯執(zhí)行器）、輸入／輸出接口，通過(guò)圖形化連接方式，建立子系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方案。該階段從每個(gè)子系統(tǒng)的角度上定義了功能接口和邏輯，然后經(jīng)過(guò)功能分配，定義ECU功能規(guī)范。

根據(jù)方案需求實(shí)現(xiàn)功能邏輯開(kāi)發(fā)，并在Simulink／Stateflow中進(jìn)行功能邏輯的仿真，PREEvision可以實(shí)現(xiàn)仿真模型的管理、運(yùn)算結(jié)果的管理。

通過(guò)軟件的映射功能，將邏輯架構(gòu)層的功能邏輯映射到部件層中的實(shí)際部件（具體ECU、具體傳感器和具體執(zhí)行器）中，實(shí)現(xiàn)功能分配。在部件層中，通過(guò)信號(hào)路由功能，在部件層可以清晰地表達(dá)硬線或總線信號(hào)的輸入和輸出關(guān)系。圖3為部件層示意圖。

2.3 電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)（電氣原理層&線束層&拓?fù)鋵樱?/p>

在PREEvision軟件的電氣原理層中設(shè)計(jì)整車電氣圖，包括部件pin定義、熔斷絲盒設(shè)計(jì)、整車電氣連接、電源分配和搭鐵設(shè)計(jì)等。在該層中，可以定義熔斷絲容量，設(shè)計(jì)電源分配連接方式和搭鐵連接方式。圖4為原理層示意圖。

在PREEvision軟件的線束層中設(shè)計(jì)整車線束圖，將插接件類型、線束的類型、線徑、顏色和包扎材料等定義為屬性，將相關(guān)屬性賦值給對(duì)應(yīng)的熔斷絲和線束，進(jìn)行整車線束設(shè)計(jì)。并且通過(guò)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載與熔斷絲匹配校核，熔斷絲與線束線徑的匹配校核。如圖5所示，熔斷絲F1保護(hù)2個(gè)額定功率為55 W的前霧燈，計(jì)算2個(gè)前霧燈同時(shí)工作電流為9.167 A，F(xiàn)1容量為15 A，使用PREEvision軟件進(jìn)行熔斷絲與負(fù)載匹配校核。

首先軟件按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為If=13.9A。然后軟件將計(jì)算結(jié)果與熔斷絲F1的容量自動(dòng)比較，比較結(jié)果為匹配，并將結(jié)果輸入到報(bào)告中。

式中：If——熔斷絲容量；In——負(fù)載額定電流；RR——溫度修正系數(shù)，該熔斷絲位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙，一般選擇88%@105℃。

在PREEvision軟件的拓?fù)鋵樱枋隽穗娮与姎庀到y(tǒng)的實(shí)際布置情況，考慮溫度、碰撞風(fēng)險(xiǎn)以及是否暴露在腐蝕性流體中等因素，確定各部件及線束的最終安裝位置［2］。繪制整車的布置圖，包括部件位置、線束走線位置、線束分支點(diǎn)位置。將不同的部件映射到不同的安裝位置，使用軟件計(jì)算不同布置所帶來(lái)的線束長(zhǎng)度和成本的變更，從而選擇有利的方案。

2.4 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

功能邏輯中已經(jīng)定義了部件之間傳輸?shù)目偩€信號(hào)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的發(fā)送和接收定義，在軟件的通信層中再增加信號(hào)的精度和范圍的定義，然后將這些總線信號(hào)封裝成報(bào)文，定義每個(gè)報(bào)文的周期和發(fā)送類型，形成通用的整車數(shù)據(jù)庫(kù)DBC格式，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)。并且通過(guò)PREEvision的二次開(kāi)發(fā)功能，可以實(shí)現(xiàn)DBC與Excel格式的通信矩陣實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。圖6為通信層示意圖。

2.5 架構(gòu)優(yōu)化

使用PREEvision的變形管理功能，建立不同的架構(gòu)方案，通過(guò)評(píng)估算法，從部件成本、線束回路、質(zhì)量、總線負(fù)載等多個(gè)角度上統(tǒng)計(jì)最優(yōu)方案。在概念設(shè)計(jì)階段，幫助工程師進(jìn)行量化設(shè)計(jì)提供參考。表1為某車型采用BCM集成網(wǎng)關(guān)和獨(dú)立網(wǎng)關(guān)方案的整車線束對(duì)比，其中由于集成網(wǎng)關(guān)和獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的布置位置限制，導(dǎo)致線束成本有較大的差異。

表1 集成網(wǎng)關(guān)與獨(dú)立網(wǎng)關(guān)方案下整車線束成本對(duì)比

2.6 功能規(guī)范生成

確定功能和電氣方案后，使用PREEvision的二次開(kāi)發(fā)功能，在PREEvision環(huán)境下搭建系統(tǒng)與部件功能規(guī)范。即使用電氣原理圖構(gòu)建規(guī)范的原理圖，使用requirement構(gòu)建規(guī)范的進(jìn)入、退出條件和功能響應(yīng)，使用邏輯架構(gòu)層構(gòu)建子系統(tǒng)規(guī)范的接口信息。通過(guò)PREEvision軟件生成規(guī)范的優(yōu)點(diǎn)可使模型中的元素自動(dòng)生成，并且在模型更改后，便于所有規(guī)范和文檔同時(shí)更新，保證了文件的同步。將生成后的規(guī)范釋放給產(chǎn)品工程師或供應(yīng)商進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)。

2.7 快速模型的開(kāi)發(fā)

采用PREEvision軟件進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和建模后，當(dāng)同一平臺(tái)的新車型開(kāi)發(fā)時(shí)，可以快速沿用原有模型中的通用組件，對(duì)部分變更組件或新開(kāi)發(fā)的組件進(jìn)行建模，生成新車型整車模型，使用該模型進(jìn)行車型架構(gòu)開(kāi)發(fā)與評(píng)估，通過(guò)模型化開(kāi)發(fā)，進(jìn)行量化設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

整車廠不同領(lǐng)域的工程師共同使用PREEvision工具進(jìn)行整車需求開(kāi)發(fā)、功能架構(gòu)開(kāi)發(fā)、電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開(kāi)發(fā)，保證數(shù)據(jù)源的一致性。使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)文件格式和管理系統(tǒng)，減少了開(kāi)發(fā)過(guò)程中繁雜的文件交互和管理，節(jié)約了開(kāi)發(fā)時(shí)間成本。最后，軟件支持二次開(kāi)發(fā)，在電子電氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，整車廠可以自定義任何需要的評(píng)估素材和評(píng)估算法，得到每個(gè)主機(jī)廠自己的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和體系。

［1］矯莉，章日欣.PREEvision提供從電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)到系列開(kāi)發(fā)階段的支持［J］.汽車電器，2014（10）：56-58.

［2］張佩，楊洋，李華.基于PREEvision的汽車電子電氣架構(gòu)（EEA）設(shè)計(jì)與優(yōu)化［C］／／2014中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：638-642.

（編輯 楊景）

The Research on Model-Based Development of Vehicle Electrical and Electronic Architecture

PAN Jun-jia，RONG Hui，ZHANG Dian-ming，YU Jie，ZHOU Tao

（China Automotive Technology And Research Center，Tianjin，300300，China）

With the rapid development of automobile industry，vehicle electrical and electronic systems become increasingly complex.Technicians should consider how to perform multi-platform design efficiently.This article describes how to use the PREEvision model to develop vehicle electrical and electronic architecture（EEA），which helps engineers to complete work in the early development quickly.

EEA；PREEvision；modeling

U463.6

A

1003－8639（2016）04－0038－03

2016-02-19

潘俊家（1987-），男，河北唐山人，工程師，碩士，研究方向?yàn)槠囯娮印?/p>