汽车电气系统仿真建模研究

10.16638/ki.1671-7988.2017.05.027
汽车电气系统仿真建模研究
孙涛，叶金飞
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601）
摘要：文章提供一种汽车电气系统仿真建模的方法，通过CHS软件的Saint语言进行编程，对电气系统部件进行抽象、建模，实现在设计早期对电气系统进行测试验证，解决现有的电气系统测试验证周期较长，设计变更成本高、测试结果不全面等问题。

关键词：电气系统；仿真建模；测试验证
中图分类号：U467.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)05-83-03
Research on simulation modeling of automobile electrical system
Sun Tao, Ye Jinfei
( Anhui jianghuai automobile Co., LTD., Anhui Hefei 230601 )
Abstract: 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.
Keywords: electrical system; Simulation modeling; Test verification
CLC NO.: U467.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-83-03
1、引言
汽车电气系统按功能进行分类，可以分为：电源启动系统、电喷控制系统、车身控制系统、仪表与娱乐显示系统、驾驶辅助控制系统、空调控制系统、主动安全系统、被动安全系统、底盘控制系统等九大类，每一类系统按照车型定位及配置不同，又可以具体的进行划分。

系统内部包括输入部件、控制器、执行部件，系统之间又进行必要的信息交互，组成整车电气系统。

目前，电气系统层面的验证主要依靠工程师的设计经验，至少要到P0车阶段，各零部件开发出来，并进行实车搭载，才能验证系统的可靠性。

对于验证阶段发现的问题，再进行设计变更，不仅造成试制样品、工程、人力等资源的浪费，甚至造成整车延迟发布、产品召回的严重后果。

对于电气系统层次的验证缺少一种有效的方法，在设计早期用于检查系统的连接是否正确、系统之间是否存在潜在回路、保险与导线的选择是否匹配、零部件布置及回路选择是否合理等问题。

Capital是Mentor公司开发的专业的电气系统自动化设计工具，涵盖了电气原理设计到线束工程化设计，直至最后生产制造的整个流程。

Capital设计结果可以直接用于指导厂家进行生产及后续车型服务，实现了自动化设计，极大的提高了工作及生产的效率。

利用Capital内置的Saint语言进行编程，对系统内部的各部件进行仿真建模，可以在设计早期对电气系统进行验证。

1.1 现有技术方案
现有电气系统的验证均是进行实车的功能验证，通过人工进行测试，发现问题并进行不断的整改。

由于回路数量多，加上车型配置选项的影响，图纸阶段能够检查出的错误较少。

引入CHS设计工具后，可以做到一定程度的设计规则检查，快速排查已知规则内的设计问题，如Pin脚是否漏连，
作者简介：孙涛，男，安徽合肥人，就职于江淮汽车技术中心。

孙涛等：汽车电气系统仿真建模研究84 2017年第5期
电器件到接插件间是否正确匹配等，但由于设计工具尚不能理解设计的具体功能特性，对于电流、压降，功能是否被正确控制等问题还不能进行自动化分析检查。

1.2 现有技术的缺点
1）需要等到实车搭载才能验证功能，且后期设计变更的成本较高。

2）人工进行测试，不能遍历各种工况，难以发现潜在的问题。

3）测试过程相对独立，后续开发车型难以实现复用。

2、汽车电气系统仿真建模方案
本文提供一种汽车电气系统仿真建模的方法，包含对部件进行抽象、结构的搭建、模型的同步、全局变量的设置、系统的初始化、参数读取、逻辑判断及仿真显示等8个步骤。

该方法包括具体仿真建模流程如下：
图1 电气系统仿真建模的流程
2.1 部件的抽象
将电气系统内部的零部件抽象为电阻及开关。

电气系统内部的零部件包括：输入部件、控制器、执行部件。

其中，输入部件包括，各种类型的开关、传感器等，其特征在于，当输入部件动作后，其输出状态发生变化。

因此可以将其等效为开关，其抽象的逻辑为：当开关动作后，设置其电阻为R contact（接触电阻）；当开关未动作，设置其电阻为R∞（开路电阻）。

其中，执行部件包括，各种灯泡、电机、电磁阀等，其特征在于，当执行部件工作后，其内部存在电流。

因此可以将其等效为电阻，其抽象的逻辑为：当电阻工作后，其电流为一个确定的值Iwork。

其中，控制器包括，整车各种控制单元，其特征在于，控制器包括采集外部输入的电路、控制外部执行器的电路。

因此可以将其等效为开关和电阻的组合，上述，采集外部输入的电路等效为电阻、控制外部执行器的电路等效为开关，其抽象逻辑为，电阻存在电流时，表征外部输入有效；此通过设置开关的电阻，来控制外部执行器。

2.2 结构的搭建
依据实际的输入、输出搭建仿真的结构。

针对零部件的实际端口，依据上述抽象的方法，搭建仿真的结构。

其中，输入部件等效为开关的仿真结构（如下图2），包括端子a、端子b、电流的方向、等效的类型；端口a、端口b与输入部件的实际PIN脚对应，电流的方向与实际电流的方向是一致的，等效的类型为“∞”表征该结构代表的是等效开关。

1 端口a；
2 端口b；
3 电流方向；
4 等效的类型
图2 等效开关的仿真结构
其中，执行部件等效为电阻的仿真结构（如下图3），包括端子a1、端子b1、电流的方向、等效的类型；端口a1、端口b1与输入部件的实际PIN脚对应，电流的方向与实际电流的方向是一致的，等效的类型为“L”表征该结构代表的是等效电阻。

1a 端口a1；2a 端口b1；3a 电流方向；4a 等效的类型
图3 等效电阻的仿真结构
其中，控制器等效为电阻与开关组合。

（如下图4为最小仿真结构），包括执行器控制端口、电源端口、外部输入信号采集端口、接地端口、外部输入采集等效仿真结构电流方向、外部执行器控制等效仿真结构电流方向、外部执行器控制等效仿真结构类型、外部输入采集等效仿真结构类型。

端口与控制器的实际PIN脚对应，电流的方向与实际电流的方向是一致的。

5执行器控制端口；6电源端口；7外部输入信号采集端口；
8接地端口；9外部输入采集等效仿真结构电流方向；10外部执行器控制等效仿真结构电流方向；11外部执行器控制等效仿真结构类型；
12外部输入采集等效仿真结构类型
图4 等效控制器最小的仿真结构
汽车实用技术
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2017年第5期
2.3 模型的同步
将零部件的仿真结构同步到原理图中。

按照仿真结构的端口定义与原理图中的端口定义一一对应起来。

图5中，为最小系统原理图，系统功能为当开关13闭合后，控制器14控制灯泡15点亮。

上述开关13的P1口、P2口分别对应等效开关的仿真结构中的端口b 、a ；上述控制器14的BA T 对应等效控制器最小的仿真结构中的电源端口6、SW 对应等效控制器最小的仿真结构中的外部输入信号采集端口7；GND 对应等效控制器最小的仿真结构中的接地端口8；CTR 对应等效控制器最小的仿真结构中的执行器控制端口5；上述灯泡15的P3口、P4口分别对应等效电阻的仿真结构中的端口1a 、2a 。

13 开关；14 控制器；15 灯泡
图5 最小系统原理图
2.4 设置全局变量
设置部件仿真必须的参数。

为了定量的表征回路的电流，模拟实际的负载状况，需要在State1中设置仿真部件的参数。

表
1
2.5 系统初始化
将被仿真系统的参数进行初始化。

在State2中对输入部件、执行部件的初始状态进行设定。

在最小仿真系统中，开关的初始状态为断开、灯泡的初始状态为未点亮。

2.6 读取参数
读取系统中电流的变化。

在State3中读取外部输入采集等效仿真结构电流的变化，当电流发生变化表征外部开关输入有效，同时，设置外部执行器控制等效仿真结构中开关的阻值，当阻值设置为R contact 时，表征控制器对外输出有效。

2.7 逻辑判断
根据设定的功能进行判断。

在State3中可以根据需求增加功能模块，在最小仿真系统中，功能模块1可以代表：开关闭合，灯光点亮。

State4代表灯光不亮的状态，State5代表
灯光点亮的状态，条件1代表灯光由不亮到灯光点亮的条件，本例中，条件即是外部开关闭合，控制器外部输入采集等效仿真结构中存在电流；条件2代表灯光由亮到灯光不亮的条件，本例中，条件即是外部开关断开，控制器外部输入采集等效仿真结构中不存在电流。

16 功能模块1；17 功能模块2
图6 仿真软件控制框图
2.8 仿真显示
将仿真的结果直观的显示出来。

通过判断灯泡的仿真结
构（电阻）中是否存在电流来表征灯泡点亮与否。

图7 仿真显示的结果
3、结论
本文介绍了汽车电气系统仿真建模的方法，解决了传统测试验证周期长、设计变更成本大、测试结果不全面等问题，具有以下优点：
1）电气系统仿真建模的方法；
2）将整车电气系统抽象等效为电阻、开关的结构； 3）输入部件、控制器、执行部件的仿真结构 4）基于Saint 语言的仿真软件控制框图。

参考文献
[1] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工程出版社,2000. [2] MentorGraphic, Introduction to Capital Analysis-uni.pdf.。