基于模型的汽車線束匹配校驗設計

崔根群，鄭繼翔，唐風敏

（1.河北工業大學機械工程學院，天津300134；2.中國汽車技術研究中心，天津300300）

基于模型的汽車線束匹配校驗設計

崔根群1，鄭繼翔1，唐風敏2

（1.河北工業大學機械工程學院，天津300134；2.中國汽車技術研究中心，天津300300）

針對整車線束設計中復雜的匹配校驗過程，提出了基于模型的線束匹配優化設計方法.利用PREEvision軟件作為輔助開發工具，建立線束的保險絲、導線、用電器部件的校驗數據庫，建立電氣回路的系統模型.通過分析線束匹配校驗原理，搭建汽車線束匹配校驗的系統模型.利用線束匹配的校驗實例，驗證該方法的可行性.與傳統的線束匹配校驗方法相比，模型的可追溯性與復用性，不僅能保證結果的準確性，也提高了匹配校驗的效率.

整車線束；基于模型設計；PREEvision；匹配校驗

隨著國民消費水平的提高，人們對汽車智能化、舒適性、安全性的要求日益提升.為了滿足市場需求，整車電子電氣系統的復雜性快速提升，電氣回路數也迅速增加[1-2].如何確保電氣回路的安全，保證用電設備穩定地工作，是每個設計者都需要考慮和解決的問題[3]，然而傳統的手動計算驗證方法已經很難適應快速發展的需求.

基于模型的設計方法不僅可以保證設計結果的可靠性，同時模型的復用性有效地縮短了設計周期[4-5]，減小設計人員的工作量.本文利用PREEvision軟件[6]作為基于模型的設計開發輔助工具，對電氣回路進行匹配校驗.首先建立電氣回路的校驗庫文件；然后建立電氣回路校驗系統模型；最后利用該校驗模型驗證某電氣回路設計的合理性.

1 PREEvision軟件的開發環境

PREEvision軟件作為基于模型的計算機輔助開發軟件工具[7]，主要用于電子電氣架構設計、對比驗證和產品開發等.不僅應用于設計階段，還支持架構設計的二次開發.JAVA語言是利用PREEvision軟件進行二次開發的基礎語言，通過算法開發，實現對設計方案的評估驗證.如圖1所示為二次開發的基礎模型.模型中的3個模塊分別為模型查詢模塊（Model query block）、計算模塊（Calculation Block）、報告結果模塊（Report Result Block）.模型查詢用于查找模型中對應的元素及其屬性；計算模塊用于按照一定的校驗算法對模型中的元素進行相應的計算驗證；報告結果模塊用于輸出計算驗證的結果.

圖1 基于PREEvision軟件的計算模型Fig.1 The Calculation model based on PREEvision software

2 線束匹配校驗模型設計

基于模型的整車線束匹配校驗設計主要是通過建立算法模型對電氣回路中保險絲與用電器、保險絲與導線的設計進行匹配校驗，以保證電氣回路的安全.匹配校驗實現過程如圖2所示.校驗庫文件與模型查詢規則連接，為查詢規則提供元素屬性庫；模型查詢規則與校驗算法連接，為校驗算法提供所需元素及其屬性；校驗算法用于電氣回路中保險絲與用電器、保險絲與導線之間的校驗；報告結果則用于輸出所需的數據.

圖2 匹配校驗的實現流程Fig.2 The implementation process of matching

2.1 建立校驗庫文件

完善的數據庫是平臺化的基礎.庫文件可以快速定義模型中各元素屬性實現高效的管理.校驗庫文件主要用于模型中元素（保險絲，導線，用電器）的屬性賦值.因此，在模型建立完成后，需要定義所涉及元素的屬性數據庫.對于作為模型查詢規則中定義的查詢對象，元素屬性庫將為線束的校驗過程提供輸入模型.

利用PREEvision軟件，在數據庫中添加元素，可以直接輸入元素的屬性建立用于汽車線束匹配校驗的校驗庫，如圖3所示.

圖3 數據庫的輸入Fig.3 Database input

2.2 建立系統模型

對于基于模型的設計方法，建模是其中一個關鍵的環節[8].在線束匹配校驗的模型中，將需要驗證的實際電氣回路抽象成包含保險絲、導線、用電器在內的電氣模型，如圖4所示.

圖4 電氣回路模型元素Fig.4 Electrical circuit model elements

在模型中，建立保險絲、導線以及所接用電器的連接關系，并對模型中的各元素屬性通過校驗庫文件進行定義，包括保險絲的最大電流，線束的線徑、發煙溫度，用電器的額定功率、額定電壓等，如圖5所示.

圖5 線束屬性定義Fig.5 Harness attribute definition

2.3 校驗算法模型

整車線束匹配校驗的目的是為了保證電氣回路的安全，使得每條回路上的用電器在線路出現故障時不被損壞.而保險絲是電氣回路重要的保護裝置，因此線束匹配校驗的方法主要是驗證保險絲的選型是否能夠保證回路的安全.

2.3.1 保險絲與用電器匹配計算分析

保險絲與用電器的匹配，需要考慮用電器的類型.諸如汽車外燈等用電器，能夠以持續穩定的額定電流工作；對于電機負載，則需要考慮堵轉電流和堵轉時間.

對于能夠以持續穩定電流工作的用電器，其匹配校驗較簡單，根據經驗公式，為留安全余量，保險絲容量的70%不小于該回路上用電器的額定電流.

對于電機負載，由于有堵轉電流，一般保證堵轉電流處于保險絲額定電流的110%到135%之間.一般情況下，用電器脈沖電流的能量值與保險絲的熔斷熱能I2t的比值作為保險絲與用電負載的匹配校核參考，一般須保證該比值[9]小于30%.對于最終的校驗，以啟動電流為圖6波形的用電器建立坐標系進行分析.

對于該類型的脈沖電流，采用分段積分的方法計算電流的能量值.

曲線上選取A（IA，tA）、B（IB，tB）、C（IC，tC）、D（ID，tD），得到AB段、BC段、CD段折線公式，如式（1）所示.

圖6 某沖擊電流波形Fig.6 An impulse current waveform

則該脈沖電流所釋放能量的數學計算如式（2）：

式中：tA為A點的上電時刻；IA為該時刻的電流值；tB為B點的上電時刻；IB為該時刻的電流值；tC為C點的上電時刻；IC為該時刻的電流值；tD為D點的上電時刻；ID為該時刻的電流值.

保險絲的熔斷熱能I2t，可根據保險絲的熔斷特性曲線計算求得.

2.3.2 保險絲與導線匹配計算分析

保險絲的主要作用是保護電路，故在電路出現故障時應先于導線損壞，以保證線路的安全，即在任何電流狀態下，保險絲的熔斷時間都要小于導線的損壞的時間.

關于導線與保險絲的匹配，主要是使保證導線不發煙的最大電流大于或等于保險絲的最小熔斷電流的135%.保證導線不發煙的最大電流可根據熱平衡的原理計算求得，如式（3）所示.

式中：Q1為導線釋放的熱量；Q2為導線向周圍釋放的熱量I為導線的通電電流；r為導線導體的單位電阻；t為通電時間；T1為發煙溫度；T2為工作的環境溫度.

根據熱平衡原理，Q1和Q2的值相等，于是保證導線不發煙的最大電流可由式（4）求得.

3 線束匹配校驗應用

3.1 保險絲與導線的匹配校驗

具有如圖7所示電流特性的冷卻風扇，初選型號為30AJCASE的保險絲.

選取4個時間點及其對應的電流為（0，123.1）、（0.1，71.25）、（0.2，48）、（0.4，17.5）.初選型號30AJCASE的保險絲的熔斷特性曲線如圖8所示.

利用PREEvision軟件搭建的保險絲與用電器匹配校驗計算模型如圖9所示.將冷卻風扇電氣模型中各元素屬性進行輸入，包括保險絲熔斷特性、用電器的屬性等.

計算模型將保險絲與用電器參數進行匹配計算，其輸出結果如圖10所示.

根據結果，0.4 s時，Calculation Block根據式（2）方法計算的冷卻風扇的脈沖電流能量值與保險絲熔斷熱能I2t比值為32.16%，超過標準值30%，表明該回路保險絲的選型偏小，應選取容量更大的40AJCASE的保險絲.

圖7 某冷卻風扇電流特性曲線Fig.7 A cooling fan current characteristic curve

圖8 30AJCASE的保險絲的熔斷特性曲線Fig.8 The fusing characteristic curve of 30AJCASE

3.2 保險絲與導線的匹配校驗

某汽車近光燈的電氣模型如圖11所示，兩個近光燈的額定功率為55 W，12 V蓄電池供電，則兩個近光燈同時工作的電流為9.167 A，保險絲的初步選型為容量15 A的保險絲，導線設計初選為AVX，線徑1.25 mm2.

利用PREEvision軟件搭建的保險絲與導線的匹配校驗計算模型如圖12所示.將近光燈電氣模型中保險絲和導線屬性進行輸入等.

圖10 保險絲與用電器匹配校驗計算結果輸出Fig.10 The result of Fuse and appliance matching verification

圖11 某近光燈電氣模型Fig.11 An electrical model of a low beam

圖12 保險絲與導線匹配校驗計算模型Fig.12 Fuse and wire matching verification calculation model

計算模型對保險絲和導線進行匹配計算，其輸出結果如圖13所示.

由輸出結果，Calculation Block根據式（4）計算的保證導線不發煙的最大電流大于保險絲的最小熔斷電流的135%.該選型可以保證在任意電流大小狀態下保險絲的熔斷時間都要小于導線的發煙時間，故該回路的保險絲選型合理.

圖13 保險絲與導線匹配校驗計算結果輸出Fig.13 The result of fuse and wire matching verification

4 結論

為縮短整車線束的開發周期，避免繁雜的線束校驗過程，本文采用基于模型的方法對線束設計方案進行匹配校驗.以PREEvision軟件為開發工具建立線束匹配校驗的模型，并以冷卻風扇以及近光燈的電氣回路為例，建立其電氣模型，利用匹配模型校驗了回路上保險絲與導線選型，驗證了該方法的可行性與通用性，提高了線束匹配的準確性與線束開發的效率.

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[7]李純潔.基于PREEvision的汽車電子電氣架構設計與研究[D].上海：上海交通大學，2011.

[8]陳虹，褚洪慶，劉奇芳，等.基于模型的汽車電控系統設計[J].控制工程，2016，23（12）：1867-1873.

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[責任編輯 田豐 夏紅梅]

Design of vehicle wire harness matching based on model

CUI Genqun1,ZHENG Jixiang1,TANG Fengmin2
（1.School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology and,Tianjin 300134,China;2.China Automotive Technology and Research Center,Tianjin 300300,China）

To overcome the complicated matching verification process in the vehicle harness design,a harness matching optimization method based on the model was proposed.The PREEvision was used to establish the calibration database of fuse,wire and electrical parts and build the model of electrical circuit system as an auxiliary tool.The matching model of vehicle harness was set up by analyzing the principle of harness matching.The feasibility of the method was verified by the verification example of harness matching.Compared with the traditional method of harness matching,the model is traceable and reusable to ensure the accuracy of results and improve the efficiency of matching verification process.

vehicle-harness-model-based design;PREEvision matching verification

U463.62

A

1007-2373（2017）04-0034-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.006

2017-03-03

河北省自然科學基金（2014202114）

崔根群（1962-），男，教授，博士.