Mentor Graphics發布《汽車系統與線束設計的自動短路試驗》報告
2015-06-30
作者：Mike Stamper, Mentor Automotive
防止汽車線束發生災難性過載，是一條關鍵的設計準則。設計師必須確保熔斷策略能保護線路。這個過程一般涉及人工計算每條線的最大負荷，然后將結果與多年前創建的電子表進行比較。
這個過程由于其人工性質而極易出錯。你可能發現報警，也確實有情況，但汽車和飛機卻仍在正常行駛和飛行。原因如下：
1、電路處于過保護狀態。由于大部分設計過程的人工性質，設計師往往過于謹慎；這意味著所采用的電線比實際負荷所需的更粗。
2、物理測試。制作出造價高昂的物理原型，由測試工程師對設計進行物理測試，以確保電路受到保護。這既費時間又費金錢，而且往往處于設計過程的后期階段，導致因這項測試而帶來的設計變更的代價十分高昂。
3、工程師和設計師聰明無比。很多設計的確延續了很多年。歷史告訴他們哪些有用，哪些沒用——但我們必須提出這樣的問題：這是最有效的設計方式嗎？
分析和模擬
在談到電路保護時，我們經常聽到“模擬”和“分析”這兩個詞。雖然模擬往往被譽為線束保護設計的救星，但卻很少實施，而如果實施的話，會造成過程中的巨大瓶頸。首先，必須由一名訓練有素、技術高超的專家來創建復雜的模型，運行模擬，然后分析結果。接著，結果被反饋給線束工程團隊，而他們則必須根據往往既復雜又難懂的圖表和結果做出決定。
在以這種方式進行模擬時總是會缺少的一項重要信息是汽車的實際配置。并非所有負荷都存在于所有汽車上。以一輛可選配導航系統的汽車為例。要進行哪種模擬，帶導航還是不帶導航？讓我們將選配天窗添加到組合中：現在，你有22 = 4種車型要模擬。當加入更多選配內容后，可以看到，模擬組合的數字升至2n ，其中，n=選配件的數量。
對于專業從事電機模型和線路模型創建的模擬和建模專家來說，數十億種汽車組合的復雜性超出了任何模擬的范圍。即便你能運行如此之多的模擬，也沒有足夠的時間，來解讀所有形成的模擬圖表，以便在車輛投入量產前進行有意義的設計變更。設計到制造的時間一年年縮短；沒有時間以這種方式進行模擬，這迫使設計師不得不根據電子表格中或紙質的歷史查詢表來選擇電線和保險絲的規格。假如沒有人工錯誤，設計師通常最后完成的是一種過保護設計，導致成本和重量增加。
怎么辦？
解決這一難題的方法是，利用這些模擬專家的專長，使每位工程師都能對他們的設計進行分析，并提供快速而有意義的反饋。通過抓住電線和保險絲尺寸規格準則（這是你的工程知識產權），我們相信，你的設計工具會讓你的工程師知道是否有問題。分析工具應對汽車進行分析，向工程師直接指出具體問題所在，并且根據你的工程技術知識提出解決這些問題的辦法。細看各種選配內容的詳細模擬運行的圖表和曲線圖，是一個很長的過程，仍有待解釋數據。
選對工具，輕松上手
有一種成本更低廉、更準確的設計方式。方向正確的一步是，以可用軟件進行分析的電子格式采集設計數據。利用適當的設計工具，工程師和設計師可執行實施正確構建 (correct-by-construction) 設計方法的準則。可以在制作物理原型之前，很早就發現過程中的問題——也許完全不再需要制作原型。
這種由軟件工具進行設計分析的正確構建法需要若干參數：
1. 汲取電流的設備的準確負荷信息，如：
電機大小 (hp) 115伏 208伏 230伏
1/7 5安培 3安培 2.9安培
2. 通過電子控制單元 (ECU) 的電流：
a. 我們經常聽說，ECU 的內部是專有的，建模工作困難重重。當你把關注的焦點放在手頭的任務上，即確定保險絲是否能保護線路，那么，利用正確的工程工具，ECU 內部連接建模就變得小菜一碟。所需的一切，如圖1所示（假設性示例）。
圖1：可用于 ECU 的一個簡單的保險絲熔斷模型
3. 說明零部件位置和汽車各部位的相對溫度以及線束連接點的汽車結構模型，如圖2所示。
圖2：必須對線束連接點的位置和溫度極限進行建模
4. 電池、保險絲、電線以及汽車上的基本分立器件（車燈、電機、開關、接地裝置、繼電器等）的準確模型。
你可以這樣做
圖3的例子顯示的是用正確的工具可能實現的結果。工程師可以采用推薦的電線規格（Wire CSA (max) 欄），并實際應用于設計中，從而利用這些信息來推動零件選型。
圖3：工程師可利用正確的工具，輕松地將標準化電線規格直接應用于設計中。
憑借這些信息，可在實際零件制造之前，在過程中及早做出設計決定。通過利用你的工程師的多年經驗，你也可以為更廣大的客戶提供這種水平的分析和決策。
問題早發現，多省錢
圖4的圖表顯示了在汽車的設計周期中進行設計變更的相對成本。越晚發現問題，成本越高。汽車制造商一年的保修和召回費用高達數十億美元，這對那些直到汽車已經交到客戶手中才發現問題的企業來說，嚴重影響了他們的盈利。你要在設計過程中及早發現問題。
使你的設計工程師能在制造原型之前不斷地進行設計分析，不但可以節約時間和金錢，還能提高你的產品的可靠性。大部分電氣設計測試開始于成本最高的原型階段，在圖4中沿紅線用淡色曲線表示。如果你先在創意到邏輯設計階段花了較多的時間和精力，那么在整合過程中所花的時間、金錢和精力就會少得多，保修和召回成本也會減少。
不再需要原型
日益盛行的一類電線和保險絲尺寸規格分析是短路測試。有三種短路測試，如圖5所示。
圖5：三種短路測試：A – 高壓側短路測試，B – 低壓側短路測試，C – 負荷兩端短路測試。
這類分析一般在物理測試中進行。這需要在設計完成后制造一輛造價高昂的原型車，成本可能高達百萬美元以上。制造這類原型車的目的不只是進行電氣測試，也是為了進行物理測試。這種性質的短路測試具有損壞線路的風險，可能需要進行昂貴的維修，以便使車輛為計劃進行的下次測試做好準備。在設計完成前，在制造昂貴的原型車之前，這類測試應在虛擬環境中進行，并應對公司中的每一位線束工程師公開，而不是掌握在少數模擬專家的手中。
保險絲熔斷時間 vs. 電線冒煙特性
在日本開始盛行的一項分析是，調整保險絲的尺寸，使保險絲在短路測試中，在電線包覆材料開始冒煙之前熔斷。日本電線制造商開始公布電線的冒煙特性，以便汽車制造商與線束制造商可以進行這種保險絲尺寸調整和電線尺寸調整。
這類測試背后的主要驅動因素是耐用性。隨著電線在高負荷條件下溫度的升高，電線包覆層開始冒煙，電線的耐用性降低。這可能導致任何數量的耐用性問題。隨著電線絕緣性減弱，電線可能變脆，并可能導致里面的裸線暴露在外，造成短路危險。想象一下，在行駛過程中，安全氣囊電路意外短路，安全氣囊打開的情形。保修和召回成本驚人。先期測試做得越多，參與測試工作的設計工程師越多，測試工作越輕松，產品也越完善。
這類測試，有時稱作“電線冒煙測試”，是用物理原型車來進行，費錢費時。這類測試原理如下所述：簡單來說，引起負荷端短路（高壓側、低壓側或負荷兩端），對電路進行觀測。如果電線包覆材料在保險絲熔斷前開始冒煙，則要研究解決辦法。這可能涉及更換更大規格的保險絲、熔斷時間更短的保險絲、更粗的電線、不同材質的電線等。圖6為概念示意圖。
圖6：保險絲熔斷時間與電線冒煙時間。
在圖6的圖表中，我們采用一根假設的保險絲和電線，并繪出了保險絲熔斷時間和電線冒煙時間（均以秒為單位）及電流（單位：安培）。讓我們來看一看圖上的兩個點：
在大約20安培時，我們看到，對于電線與保險絲的這一組合來說，保險絲會在電線冒煙（藍線）之前熔斷（橙線）。
在大約8安培時，我們看到，電線會在保險絲熔斷前冒煙。這不是人們所希望的情況，因為這可能導致電線材料老化，總體上造成耐用性問題。
如今市場上有能幫助你做到這一點的工具。問問你自己，由公司里的任意一位工程師在設計過程的早期在虛擬環境下自動進行下列分析，是不是很重要：
整車負荷測試
多種汽車配置的自動化測試
自動保險絲尺寸調整與零件選型
自動電線尺寸調整與零件選型
自動化短路測試 -- 高壓端、低壓端、負荷兩端短路測試或三種測試輪流進行
保險絲熔斷時間與電線材料冒煙時間測試，以提高線路耐用性
小結
物理模型測試提出了兩個成本問題：(1) 制造和維護原型的成本十分高昂；(2) 遲至原型階段才發現的缺陷，改正成本十分高昂。解決辦法是對于能進行適當模擬的系統，采用虛擬原型和模擬。線束很容易進行模擬，虛擬原型很容易發現缺陷，如短路或保險絲熔斷時間與電線冒煙時間。利用這些工具，不但可以大大節約成本，還能縮短開發時間。