汽车系统与线束设计的自动短路试验

正文：

报告作者: Mike Stamper, Mentor Automotive

背景：

防止汽车线束发生灾难性过载，是一条关键的设计准则。设计师必须确保熔断策略能保护线路。这个过程一般涉及人工计算每条线的最大负荷，然后将结果与多年前创建的电子表进行比较。

全文要点与大纲如下：

a. 概述

b. 分析和模拟

c. 怎么办?

d. 选对工具，轻松上手

e. 你可以这样做

f. 问题早发现，多省钱

g. 不再需要原型

h. 保险丝熔断时间 vs. 电线冒烟特性

i. 小结

概述

防止汽车线束发生灾难性过载，是一条关键的设计准则。设计师必须确保熔断策略能保护线路。这个过程一般涉及人工计算每条线的最大负荷，然后将结果与多年前创建的电子表进行比较。

这个过程由于其人工性质而极易出错。你可能发现报警，也确实有情况，但汽车和飞机却仍在正常行驶和飞行。原因如下：

电路处于过保护状态。由于大部分设计过程的人工性质，设计师往往过于谨慎;这意味着所采用的电线比实际负荷所需的更粗。

物理测试。制作出造价高昂的物理原型，由测试工程师对设计进行物理测试，以确保电路受到保护。这既费时间又费金钱，而且往往处于设计过程的后期阶段，导致因这项测试而带来的设计变更的代价十分高昂。

工程师和设计师聪明无比。很多设计的确延续了很多年。历史告诉他们哪些有用，哪些没用——但我们必须提出这样的问题：这是最有效的设计方式吗?

分析和模拟

在谈到电路保护时，我们经常听到“模拟”和“分析”这两个词。虽然模拟往往被誉为线束保护设计的救星，但却很少实施，而如果实施的话，会造成过程中的巨大瓶颈。首先，必须由一名训练有素、技术高超的专家来创建复杂的模型，运行模拟，然后分析结果。接着，结果被反馈给线束工程团队，而他们则必须根据往往既复杂又难懂的图表和结果做出决定。

在以这种方式进行模拟时总是会缺少的一项重要信息是汽车的实际配置。并非所有负荷都存在于所有汽车上。以一辆可选配导航系统的汽车为例。要进行哪种模拟，带导航还是不带导航?让我们将选配天窗添加到组合中：现在，你有2 2 = 4种车型要模拟。当加入更多选配内容后，可以看到，模拟组合的数字升至2 n ，其中，n=选配件的数量。

对于专业从事电机模型和线路模型创建的模拟和建模专家来说，数十亿种汽车组合的复杂性超出了任何模拟的范围。即便你能运行如此之多的模拟，也没有足够的时间，来解读所有形成的模拟图表，以便在车辆投入量产前进行有意义的设计变更。设计到制造的时间一年年缩短;没有时间以这种方式进行模拟，这迫使设计师不得不根据电子表格中或纸质的历史查询表来选择电线和保险丝的规格。假如没有人工错误，设计师通常最后完成的是一种过保护设计，导致成本和重量增加。

怎么办?

解决这一难题的方法是，利用这些模拟专家的专长，使每位工程师都能对他们的设计进行分析，并提供快速而有意义的反馈。通过抓住电线和保险丝尺寸规格准则(这是你的工程知识产权)，我们相信，你的设计工具会让你的工程师知道是否有问题。分析工具应对汽车进行分析，向工程师直接指出具体问题所在，并且根据你的工程技术知识提出解决这些问题的办法。细看各种选配内容的详细模拟运行的图表和曲线图，是一个很长的过程，仍有待解释数据。

选对工具，轻松上手

有一种成本更低廉、更准确的设计方式。方向正确的一步是，以可用软件进行分析的电子格式采集设计数据。利用适当的设计工具，工程师和设计师可执行实施正确构建 (correct-by-construction) 设计方法的准则。可以在制作物理原型之前，很早就发现过程中的问题——也许完全不再需要制作原型。

这种由软件工具进行设计分析的正确构建法需要若干参数：

1. 汲取电流的设备的准确负荷信息，如：

2. 通过电子控制单元 (ECU) 的电流：

a. 我们经常听说，ECU 的内部是专有的，建模工作困难重重。当你把关注的焦点放在手头的任务上，即确定保险丝是否能保护线路，那么，利用正确的工程工具，ECU 内部连接建模就变得小菜一碟。所需的一切，如图1所示(假设性示例)。

图1：可用于 ECU 的一个简单的保险丝熔断模型

3. 说明零部件位置和汽车各部位的相对温度以及线束连接点的汽车结构模型，如图2所示。

图2：必须对线束连接点的位置和温度极限进行建模[page]

4. 电池、保险丝、电线以及汽车上的基本分立器件(车灯、电机、开关、接地装置、继电器等)的准确模型

你可以这样做

图3的例子显示的是用正确的工具可能实现的结果。工程师可以采用推荐的电线规格(Wire CSA (max) 栏)，并实际应用于设计中，从而利用这些信息来推动零件选型。

图3：工程师可利用正确的工具，轻松地将标准化电线规格直接应用于设计中。

凭借这些信息，可在实际零件制造之前，在过程中及早做出设计决定。通过利用你的工程师的多年经验，你也可以为更广大的客户提供这种水平的分析和决策。

问题早发现，多省钱

图4的图表显示了在汽车的设计周期中进行设计变更的相对成本。越晚发现问题，成本越高。汽车制造商一年的保修和召回费用高达数十亿美元，这对那些直到汽车已经交到客户手中才发现问题的企业来说，严重影响了他们的盈利。你要在设计过程中及早发现问题。
 

使你的设计工程师能在制造原型之前不断地进行设计分析，不但可以节约时间和金钱，还能提高你的产品的可靠性。大部分电气设计测试开始于成本最高的原型阶段，在图4中沿红线用淡色曲线表示。如果你先在创意到逻辑设计阶段花了较多的时间和精力，那么在整合过程中所花的时间、金钱和精力就会少得多，保修和召回成本也会减少。

图4：在设计过程中越晚发现缺陷，改正的成本就越高。

不再需要原型

日益盛行的一类电线和保险丝尺寸规格分析是短路测试。有三种短路测试，如图5所示。

图5：三种短路测试：A – 高压侧短路测试，B – 低压侧短路测试，C – 负荷两端短路测试。

这类分析一般在物理测试中进行。这需要在设计完成后制造一辆造价高昂的原型车，成本可能高达百万美元以上。制造这类原型车的目的不只是进行电气测试，也是为了进行物理测试。这种性质的短路测试具有损坏线路的风险，可能需要进行昂贵的维修，以便使车辆为计划进行的下次测试做好准备。在设计完成前，在制造昂贵的原型车之前，这类测试应在虚拟环境中进行，并应对公司中的每一位线束工程师公开，而不是掌握在少数模拟专家的手中。

保险丝熔断时间 vs. 电线冒烟特性

在日本开始盛行的一项分析是，调整保险丝的尺寸，使保险丝在短路测试中，在电线包覆材料开始冒烟之前熔断。日本电线制造商开始公布电线的冒烟特性，以便汽车制造商与线束制造商可以进行这种保险丝尺寸调整和电线尺寸调整。

这类测试背后的主要驱动因素是耐用性。随着电线在高负荷条件下温度的升高，电线包覆层开始冒烟，电线的耐用性降低。这可能导致任何数量的耐用性问题。随着电线绝缘性减弱，电线可能变脆，并可能导致里面的裸线暴露在外，造成短路危险。想象一下，在行驶过程中，安全气囊电路意外短路，安全气囊打开的情形。保修和召回成本惊人。先期测试做得越多，参与测试工作的设计工程师越多，测试工作越轻松，产品也越完善。

这类测试，有时称作“电线冒烟测试”，是用物理原型车来进行，费钱费时。这类测试原理如下所述：简单来说，引起负荷端短路(高压侧、低压侧或负荷两端)，对电路进行观测。如果电线包覆材料在保险丝熔断前开始冒烟，则要研究解决办法。这可能涉及更换更大规格的保险丝、熔断时间更短的保险丝、更粗的电线、不同材质的电线等。图6为概念示意图。

图6：保险丝熔断时间与电线冒烟时间。

在图6的图表中，我们采用一根假设的保险丝和电线，并绘出了保险丝熔断时间和电线冒烟时间(均以秒为单位)及电流(单位：安培)。让我们来看一看图上的两个点：

在大约20安培时，我们看到，对于电线与保险丝的这一组合来说，保险丝会在电线冒烟(蓝线)之前熔断(橙线)。

在大约8安培时，我们看到，电线会在保险丝熔断前冒烟。这不是人们所希望的情况，因为这可能导致电线材料老化，总体上造成耐用性问题。

如今市场上有能帮助你做到这一点的工具。问问你自己，由公司里的任意一位工程师在设计过程的早期在虚拟环境下自动进行下列分析，是不是很重要：

整车负荷测试

多种汽车配置的自动化测试

自动保险丝尺寸调整与零件选型

自动电线尺寸调整与零件选型

自动化短路测试 -- 高压端、低压端、负荷两端短路测试或三种测试轮流进行

保险丝熔断时间与电线材料冒烟时间测试，以提高线路耐用性

小结

物理模型测试提出了两个成本问题：(1) 制造和维护原型的成本十分高昂;(2) 迟至原型阶段才发现的缺陷，改正成本十分高昂。解决办法是对于能进行适当模拟的系统，采用虚拟原型和模拟。线束很容易进行模拟，虚拟原型很容易发现缺陷，如短路或保险丝熔断时间与电线冒烟时间。利用这些工具，不但可以大大节约成本，还能缩短开发时间。