基于模型的汽車線束匹配校驗(yàn)設(shè)計(jì)

崔根群，鄭繼翔，唐風(fēng)敏

（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300134；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300）

基于模型的汽車線束匹配校驗(yàn)設(shè)計(jì)

崔根群1，鄭繼翔1，唐風(fēng)敏2

（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300134；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300）

針對(duì)整車線束設(shè)計(jì)中復(fù)雜的匹配校驗(yàn)過程，提出了基于模型的線束匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.利用PREEvision軟件作為輔助開發(fā)工具，建立線束的保險(xiǎn)絲、導(dǎo)線、用電器部件的校驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，建立電氣回路的系統(tǒng)模型.通過分析線束匹配校驗(yàn)原理，搭建汽車線束匹配校驗(yàn)的系統(tǒng)模型.利用線束匹配的校驗(yàn)實(shí)例，驗(yàn)證該方法的可行性.與傳統(tǒng)的線束匹配校驗(yàn)方法相比，模型的可追溯性與復(fù)用性，不僅能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，也提高了匹配校驗(yàn)的效率.

整車線束；基于模型設(shè)計(jì)；PREEvision；匹配校驗(yàn)

隨著國民消費(fèi)水平的提高，人們對(duì)汽車智能化、舒適性、安全性的要求日益提升.為了滿足市場(chǎng)需求，整車電子電氣系統(tǒng)的復(fù)雜性快速提升，電氣回路數(shù)也迅速增加[1-2].如何確保電氣回路的安全，保證用電設(shè)備穩(wěn)定地工作，是每個(gè)設(shè)計(jì)者都需要考慮和解決的問題[3]，然而傳統(tǒng)的手動(dòng)計(jì)算驗(yàn)證方法已經(jīng)很難適應(yīng)快速發(fā)展的需求.

基于模型的設(shè)計(jì)方法不僅可以保證設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性，同時(shí)模型的復(fù)用性有效地縮短了設(shè)計(jì)周期[4-5]，減小設(shè)計(jì)人員的工作量.本文利用PREEvision軟件[6]作為基于模型的設(shè)計(jì)開發(fā)輔助工具，對(duì)電氣回路進(jìn)行匹配校驗(yàn).首先建立電氣回路的校驗(yàn)庫文件；然后建立電氣回路校驗(yàn)系統(tǒng)模型；最后利用該校驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證某電氣回路設(shè)計(jì)的合理性.

1 PREEvision軟件的開發(fā)環(huán)境

PREEvision軟件作為基于模型的計(jì)算機(jī)輔助開發(fā)軟件工具[7]，主要用于電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)、對(duì)比驗(yàn)證和產(chǎn)品開發(fā)等.不僅應(yīng)用于設(shè)計(jì)階段，還支持架構(gòu)設(shè)計(jì)的二次開發(fā).JAVA語言是利用PREEvision軟件進(jìn)行二次開發(fā)的基礎(chǔ)語言，通過算法開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案的評(píng)估驗(yàn)證.如圖1所示為二次開發(fā)的基礎(chǔ)模型.模型中的3個(gè)模塊分別為模型查詢模塊（Model query block）、計(jì)算模塊（Calculation Block）、報(bào)告結(jié)果模塊（Report Result Block）.模型查詢用于查找模型中對(duì)應(yīng)的元素及其屬性；計(jì)算模塊用于按照一定的校驗(yàn)算法對(duì)模型中的元素進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算驗(yàn)證；報(bào)告結(jié)果模塊用于輸出計(jì)算驗(yàn)證的結(jié)果.

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

2 線束匹配校驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

基于模型的整車線束匹配校驗(yàn)設(shè)計(jì)主要是通過建立算法模型對(duì)電氣回路中保險(xiǎn)絲與用電器、保險(xiǎn)絲與導(dǎo)線的設(shè)計(jì)進(jìn)行匹配校驗(yàn)，以保證電氣回路的安全.匹配校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示.校驗(yàn)庫文件與模型查詢規(guī)則連接，為查詢規(guī)則提供元素屬性庫；模型查詢規(guī)則與校驗(yàn)算法連接，為校驗(yàn)算法提供所需元素及其屬性；校驗(yàn)算法用于電氣回路中保險(xiǎn)絲與用電器、保險(xiǎn)絲與導(dǎo)線之間的校驗(yàn)；報(bào)告結(jié)果則用于輸出所需的數(shù)據(jù).

圖2 匹配校驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)流程Fig.2 The implementation process of matching

2.1 建立校驗(yàn)庫文件

完善的數(shù)據(jù)庫是平臺(tái)化的基礎(chǔ).庫文件可以快速定義模型中各元素屬性實(shí)現(xiàn)高效的管理.校驗(yàn)庫文件主要用于模型中元素（保險(xiǎn)絲，導(dǎo)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(shù)據(jù)庫.對(duì)于作為模型查詢規(guī)則中定義的查詢對(duì)象，元素屬性庫將為線束的校驗(yàn)過程提供輸入模型.

利用PREEvision軟件，在數(shù)據(jù)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(yàn)的校驗(yàn)庫，如圖3所示.

圖3 數(shù)據(jù)庫的輸入Fig.3 Database input

2.2 建立系統(tǒng)模型

對(duì)于基于模型的設(shè)計(jì)方法，建模是其中一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[8].在線束匹配校驗(yàn)的模型中，將需要驗(yàn)證的實(shí)際電氣回路抽象成包含保險(xiǎn)絲、導(dǎo)線、用電器在內(nèi)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(xiǎn)絲、導(dǎo)線以及所接用電器的連接關(guān)系，并對(duì)模型中的各元素屬性通過校驗(yàn)庫文件進(jìn)行定義，包括保險(xiǎn)絲的最大電流，線束的線徑、發(fā)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(yàn)算法模型

整車線束匹配校驗(yàn)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(xiàn)故障時(shí)不被損壞.而保險(xiǎn)絲是電氣回路重要的保護(hù)裝置，因此線束匹配校驗(yàn)的方法主要是驗(yàn)證保險(xiǎn)絲的選型是否能夠保證回路的安全.

2.3.1 保險(xiǎn)絲與用電器匹配計(jì)算分析

保險(xiǎn)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(xù)穩(wěn)定的額定電流工作；對(duì)于電機(jī)負(fù)載，則需要考慮堵轉(zhuǎn)電流和堵轉(zhuǎn)時(shí)間.

對(duì)于能夠以持續(xù)穩(wěn)定電流工作的用電器，其匹配校驗(yàn)較簡單，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，為留安全余量，保險(xiǎn)絲容量的70%不小于該回路上用電器的額定電流.

對(duì)于電機(jī)負(fù)載，由于有堵轉(zhuǎn)電流，一般保證堵轉(zhuǎn)電流處于保險(xiǎn)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(xiǎn)絲的熔斷熱能I2t的比值作為保險(xiǎn)絲與用電負(fù)載的匹配校核參考，一般須保證該比值[9]小于30%.對(duì)于最終的校驗(yàn)，以啟動(dòng)電流為圖6波形的用電器建立坐標(biāo)系進(jìn)行分析.

對(duì)于該類型的脈沖電流，采用分段積分的方法計(jì)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(shù)學(xué)計(jì)算如式（2）：

式中：tA為A點(diǎn)的上電時(shí)刻；IA為該時(shí)刻的電流值；tB為B點(diǎn)的上電時(shí)刻；IB為該時(shí)刻的電流值；tC為C點(diǎn)的上電時(shí)刻；IC為該時(shí)刻的電流值；tD為D點(diǎn)的上電時(shí)刻；ID為該時(shí)刻的電流值.

保險(xiǎn)絲的熔斷熱能I2t，可根據(jù)保險(xiǎn)絲的熔斷特性曲線計(jì)算求得.

2.3.2 保險(xiǎn)絲與導(dǎo)線匹配計(jì)算分析

保險(xiǎn)絲的主要作用是保護(hù)電路，故在電路出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)先于導(dǎo)線損壞，以保證線路的安全，即在任何電流狀態(tài)下，保險(xiǎn)絲的熔斷時(shí)間都要小于導(dǎo)線的損壞的時(shí)間.

關(guān)于導(dǎo)線與保險(xiǎn)絲的匹配，主要是使保證導(dǎo)線不發(fā)煙的最大電流大于或等于保險(xiǎn)絲的最小熔斷電流的135%.保證導(dǎo)線不發(fā)煙的最大電流可根據(jù)熱平衡的原理計(jì)算求得，如式（3）所示.

式中：Q1為導(dǎo)線釋放的熱量；Q2為導(dǎo)線向周圍釋放的熱量I為導(dǎo)線的通電電流；r為導(dǎo)線導(dǎo)體的單位電阻；t為通電時(shí)間；T1為發(fā)煙溫度；T2為工作的環(huán)境溫度.

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

3 線束匹配校驗(yàn)應(yīng)用

3.1 保險(xiǎn)絲與導(dǎo)線的匹配校驗(yàn)

具有如圖7所示電流特性的冷卻風(fēng)扇，初選型號(hào)為30AJCASE的保險(xiǎn)絲.

選取4個(gè)時(shí)間點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的電流為（0，123.1）、（0.1，71.25）、（0.2，48）、（0.4，17.5）.初選型號(hào)30AJCASE的保險(xiǎn)絲的熔斷特性曲線如圖8所示.

利用PREEvision軟件搭建的保險(xiǎn)絲與用電器匹配校驗(yàn)計(jì)算模型如圖9所示.將冷卻風(fēng)扇電氣模型中各元素屬性進(jìn)行輸入，包括保險(xiǎn)絲熔斷特性、用電器的屬性等.

計(jì)算模型將保險(xiǎn)絲與用電器參數(shù)進(jìn)行匹配計(jì)算，其輸出結(jié)果如圖10所示.

根據(jù)結(jié)果，0.4 s時(shí)，Calculation Block根據(jù)式（2）方法計(jì)算的冷卻風(fēng)扇的脈沖電流能量值與保險(xiǎn)絲熔斷熱能I2t比值為32.16%，超過標(biāo)準(zhǔn)值30%，表明該回路保險(xiǎn)絲的選型偏小，應(yīng)選取容量更大的40AJCASE的保險(xiǎn)絲.

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

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

3.2 保險(xiǎn)絲與導(dǎo)線的匹配校驗(yàn)

某汽車近光燈的電氣模型如圖11所示，兩個(gè)近光燈的額定功率為55 W，12 V蓄電池供電，則兩個(gè)近光燈同時(shí)工作的電流為9.167 A，保險(xiǎn)絲的初步選型為容量15 A的保險(xiǎn)絲，導(dǎo)線設(shè)計(jì)初選為AVX，線徑1.25 mm2.

利用PREEvision軟件搭建的保險(xiǎn)絲與導(dǎo)線的匹配校驗(yàn)計(jì)算模型如圖12所示.將近光燈電氣模型中保險(xiǎn)絲和導(dǎo)線屬性進(jìn)行輸入等.

圖10 保險(xiǎn)絲與用電器匹配校驗(yàn)計(jì)算結(jié)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(xiǎn)絲與導(dǎo)線匹配校驗(yàn)計(jì)算模型Fig.12 Fuse and wire matching verification calculation model

計(jì)算模型對(duì)保險(xiǎn)絲和導(dǎo)線進(jìn)行匹配計(jì)算，其輸出結(jié)果如圖13所示.

由輸出結(jié)果，Calculation Block根據(jù)式（4）計(jì)算的保證導(dǎo)線不發(fā)煙的最大電流大于保險(xiǎn)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(tài)下保險(xiǎn)絲的熔斷時(shí)間都要小于導(dǎo)線的發(fā)煙時(shí)間，故該回路的保險(xiǎn)絲選型合理.

圖13 保險(xiǎn)絲與導(dǎo)線匹配校驗(yàn)計(jì)算結(jié)果輸出Fig.13 The result of fuse and wire matching verification

4 結(jié)論

為縮短整車線束的開發(fā)周期，避免繁雜的線束校驗(yàn)過程，本文采用基于模型的方法對(duì)線束設(shè)計(jì)方案進(jìn)行匹配校驗(yàn).以PREEvision軟件為開發(fā)工具建立線束匹配校驗(yàn)的模型，并以冷卻風(fēng)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(yàn)了回路上保險(xiǎn)絲與導(dǎo)線選型，驗(yàn)證了該方法的可行性與通用性，提高了線束匹配的準(zhǔn)確性與線束開發(fā)的效率.

[1]畢曉東.安全、環(huán)保、智能：三大引擎推動(dòng)汽車電子高速發(fā)展[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41（8）：149-152.

[2]Joachim Lassmann.商用車電氣電子（E/E）架構(gòu)現(xiàn)狀與全球趨勢(shì)[J].商用汽車，2009（3）：116-119.

[3]王宇.汽車電線束與熔斷器的匹配設(shè)計(jì)[J].汽車電器.2015（4）：6-13

[4]張琦.汽車電線束電氣原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技展望2016，26（22）：148.

[5]唐虹，李明，楊陽.汽車線束圖紙的自動(dòng)識(shí)別方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（1）：160-163.

[6]潘俊家，戎輝，張殿明，等.基于模型的整車電子電氣架構(gòu)開發(fā)研究[J].汽車電器，2016（4）：38-40.

[7]李純潔.基于PREEvision的汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

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

[9]趙國霖，范家通，王釗.汽車線束與保險(xiǎn)絲的計(jì)算及匹配[J].機(jī)電技術(shù)，2012，35（1）：113-118.

[責(zé)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(xué)基金（2014202114）

崔根群（1962-），男，教授，博士.