崔根群，郑继翔，唐风敏

（1.河北工业大学机械工程学院，天津300134；2.中国汽车技术研究中心，天津300300）

基于模型的汽车线束匹配校验设计

崔根群1，郑继翔1，唐风敏2

（1.河北工业大学机械工程学院，天津300134；2.中国汽车技术研究中心，天津300300）

针对整车线束设计中复杂的匹配校验过程，提出了基于模型的线束匹配优化设计方法.利用PREEvision软件作为辅助开发工具，建立线束的保险丝、导线、用电器部件的校验数据库，建立电气回路的系统模型.通过分析线束匹配校验原理，搭建汽车线束匹配校验的系统模型.利用线束匹配的校验实例，验证该方法的可行性.与传统的线束匹配校验方法相比，模型的可追溯性与复用性，不仅能保证结果的准确性，也提高了匹配校验的效率.

整车线束；基于模型设计；PREEvision；匹配校验

随着国民消费水平的提高，人们对汽车智能化、舒适性、安全性的要求日益提升.为了满足市场需求，整车电子电气系统的复杂性快速提升，电气回路数也迅速增加[1-2].如何确保电气回路的安全，保证用电设备稳定地工作，是每个设计者都需要考虑和解决的问题[3]，然而传统的手动计算验证方法已经很难适应快速发展的需求.

基于模型的设计方法不仅可以保证设计结果的可靠性，同时模型的复用性有效地缩短了设计周期[4-5]，减小设计人员的工作量.本文利用PREEvision软件[6]作为基于模型的设计开发辅助工具，对电气回路进行匹配校验.首先建立电气回路的校验库文件；然后建立电气回路校验系统模型；最后利用该校验模型验证某电气回路设计的合理性.

1 PREEvision软件的开发环境

PREEvision软件作为基于模型的计算机辅助开发软件工具[7]，主要用于电子电气架构设计、对比验证和产品开发等.不仅应用于设计阶段，还支持架构设计的二次开发.JAVA语言是利用PREEvision软件进行二次开发的基础语言，通过算法开发，实现对设计方案的评估验证.如图1所示为二次开发的基础模型.模型中的3个模块分别为模型查询模块（Model query block）、计算模块（Calculation Block）、报告结果模块（Report Result Block）.模型查询用于查找模型中对应的元素及其属性；计算模块用于按照一定的校验算法对模型中的元素进行相应的计算验证；报告结果模块用于输出计算验证的结果.

图1 基于PREEvision软件的计算模型Fig.1 The Calculation model based on PREEvision software

2 线束匹配校验模型设计

基于模型的整车线束匹配校验设计主要是通过建立算法模型对电气回路中保险丝与用电器、保险丝与导线的设计进行匹配校验，以保证电气回路的安全.匹配校验实现过程如图2所示.校验库文件与模型查询规则连接，为查询规则提供元素属性库；模型查询规则与校验算法连接，为校验算法提供所需元素及其属性；校验算法用于电气回路中保险丝与用电器、保险丝与导线之间的校验；报告结果则用于输出所需的数据.

图2 匹配校验的实现流程Fig.2 The implementation process of matching

2.1 建立校验库文件

完善的数据库是平台化的基础.库文件可以快速定义模型中各元素属性实现高效的管理.校验库文件主要用于模型中元素（保险丝，导线，用电器）的属性赋值.因此，在模型建立完成后，需要定义所涉及元素的属性数据库.对于作为模型查询规则中定义的查询对象，元素属性库将为线束的校验过程提供输入模型.

利用PREEvision软件，在数据库中添加元素，可以直接输入元素的属性建立用于汽车线束匹配校验的校验库，如图3所示.

图3 数据库的输入Fig.3 Database input

2.2 建立系统模型

对于基于模型的设计方法，建模是其中一个关键的环节[8].在线束匹配校验的模型中，将需要验证的实际电气回路抽象成包含保险丝、导线、用电器在内的电气模型，如图4所示.

图4 电气回路模型元素Fig.4 Electrical circuit model elements

在模型中，建立保险丝、导线以及所接用电器的连接关系，并对模型中的各元素属性通过校验库文件进行定义，包括保险丝的最大电流，线束的线径、发烟温度，用电器的额定功率、额定电压等，如图5所示.

图5 线束属性定义Fig.5 Harness attribute definition

2.3 校验算法模型

整车线束匹配校验的目的是为了保证电气回路的安全，使得每条回路上的用电器在线路出现故障时不被损坏.而保险丝是电气回路重要的保护装置，因此线束匹配校验的方法主要是验证保险丝的选型是否能够保证回路的安全.

2.3.1 保险丝与用电器匹配计算分析

保险丝与用电器的匹配，需要考虑用电器的类型.诸如汽车外灯等用电器，能够以持续稳定的额定电流工作；对于电机负载，则需要考虑堵转电流和堵转时间.

对于能够以持续稳定电流工作的用电器，其匹配校验较简单，根据经验公式，为留安全余量，保险丝容量的70%不小于该回路上用电器的额定电流.

对于电机负载，由于有堵转电流，一般保证堵转电流处于保险丝额定电流的110%到135%之间.一般情况下，用电器脉冲电流的能量值与保险丝的熔断热能I2t的比值作为保险丝与用电负载的匹配校核参考，一般须保证该比值[9]小于30%.对于最终的校验，以启动电流为图6波形的用电器建立坐标系进行分析.

对于该类型的脉冲电流，采用分段积分的方法计算电流的能量值.

曲线上选取A（IA，tA）、B（IB，tB）、C（IC，tC）、D（ID，tD），得到AB段、BC段、CD段折线公式，如式（1）所示.

图6 某冲击电流波形Fig.6 An impulse current waveform

则该脉冲电流所释放能量的数学计算如式（2）：

式中：tA为A点的上电时刻；IA为该时刻的电流值；tB为B点的上电时刻；IB为该时刻的电流值；tC为C点的上电时刻；IC为该时刻的电流值；tD为D点的上电时刻；ID为该时刻的电流值.

保险丝的熔断热能I2t，可根据保险丝的熔断特性曲线计算求得.

2.3.2 保险丝与导线匹配计算分析

保险丝的主要作用是保护电路，故在电路出现故障时应先于导线损坏，以保证线路的安全，即在任何电流状态下，保险丝的熔断时间都要小于导线的损坏的时间.

关于导线与保险丝的匹配，主要是使保证导线不发烟的最大电流大于或等于保险丝的最小熔断电流的135%.保证导线不发烟的最大电流可根据热平衡的原理计算求得，如式（3）所示.

式中：Q1为导线释放的热量；Q2为导线向周围释放的热量I为导线的通电电流；r为导线导体的单位电阻；t为通电时间；T1为发烟温度；T2为工作的环境温度.

根据热平衡原理，Q1和Q2的值相等，于是保证导线不发烟的最大电流可由式（4）求得.

3 线束匹配校验应用

3.1 保险丝与导线的匹配校验

具有如图7所示电流特性的冷却风扇，初选型号为30AJCASE的保险丝.

选取4个时间点及其对应的电流为（0，123.1）、（0.1，71.25）、（0.2，48）、（0.4，17.5）.初选型号30AJCASE的保险丝的熔断特性曲线如图8所示.

利用PREEvision软件搭建的保险丝与用电器匹配校验计算模型如图9所示.将冷却风扇电气模型中各元素属性进行输入，包括保险丝熔断特性、用电器的属性等.

计算模型将保险丝与用电器参数进行匹配计算，其输出结果如图10所示.

根据结果，0.4 s时，Calculation Block根据式（2）方法计算的冷却风扇的脉冲电流能量值与保险丝熔断热能I2t比值为32.16%，超过标准值30%，表明该回路保险丝的选型偏小，应选取容量更大的40AJCASE的保险丝.

图7 某冷却风扇电流特性曲线Fig.7 A cooling fan current characteristic curve

图8 30AJCASE的保险丝的熔断特性曲线Fig.8 The fusing characteristic curve of 30AJCASE

3.2 保险丝与导线的匹配校验

某汽车近光灯的电气模型如图11所示，两个近光灯的额定功率为55 W，12 V蓄电池供电，则两个近光灯同时工作的电流为9.167 A，保险丝的初步选型为容量15 A的保险丝，导线设计初选为AVX，线径1.25 mm2.

利用PREEvision软件搭建的保险丝与导线的匹配校验计算模型如图12所示.将近光灯电气模型中保险丝和导线属性进行输入等.

图10 保险丝与用电器匹配校验计算结果输出Fig.10 The result of Fuse and appliance matching verification

图11 某近光灯电气模型Fig.11 An electrical model of a low beam

图12 保险丝与导线匹配校验计算模型Fig.12 Fuse and wire matching verification calculation model

计算模型对保险丝和导线进行匹配计算，其输出结果如图13所示.

由输出结果，Calculation Block根据式（4）计算的保证导线不发烟的最大电流大于保险丝的最小熔断电流的135%.该选型可以保证在任意电流大小状态下保险丝的熔断时间都要小于导线的发烟时间，故该回路的保险丝选型合理.

图13 保险丝与导线匹配校验计算结果输出Fig.13 The result of fuse and wire matching verification

4 结论

为缩短整车线束的开发周期，避免繁杂的线束校验过程，本文采用基于模型的方法对线束设计方案进行匹配校验.以PREEvision软件为开发工具建立线束匹配校验的模型，并以冷却风扇以及近光灯的电气回路为例，建立其电气模型，利用匹配模型校验了回路上保险丝与导线选型，验证了该方法的可行性与通用性，提高了线束匹配的准确性与线束开发的效率.

[1]毕晓东.安全、环保、智能：三大引擎推动汽车电子高速发展[J].电子技术应用，2015，41（8）：149-152.

[2]Joachim Lassmann.商用车电气电子（E/E）架构现状与全球趋势[J].商用汽车，2009（3）：116-119.

[3]王宇.汽车电线束与熔断器的匹配设计[J].汽车电器.2015（4）：6-13

[4]张琦.汽车电线束电气原理系统设计[J].科技展望2016，26（22）：148.

[5]唐虹，李明，杨阳.汽车线束图纸的自动识别方法[J].现代电子技术，2011，34（1）：160-163.

[6]潘俊家，戎辉，张殿明，等.基于模型的整车电子电气架构开发研究[J].汽车电器，2016（4）：38-40.

[7]李纯洁.基于PREEvision的汽车电子电气架构设计与研究[D].上海：上海交通大学，2011.

[8]陈虹，褚洪庆，刘奇芳，等.基于模型的汽车电控系统设计[J].控制工程，2016，23（12）：1867-1873.

[9]赵国霖，范家通，王钊.汽车线束与保险丝的计算及匹配[J].机电技术，2012，35（1）：113-118.

[责任编辑 田丰 夏红梅]

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

河北省自然科学基金（2014202114）

崔根群（1962-），男，教授，博士.