汽车电气/电子设计中的系统设计

作者：Nick Smith，Mentor Graphics

客户与各种政府规章和要求促进了大众对汽车电气 / 电子 (E/E) 系统更多功能的需求，这种需求为负责执行这些功能的原始设备制造商 (OEM) 带来新的挑战。当然，系统开发和制造的成本巨大，但原始设备制造商必须应对的挑战远远不只是成本问题，还包括不断增加的重量、可靠性和质量问题、呈指数增长的复杂性以及政府要求等。

从整个电气系统平台而言，它具有整合所有独立电气/电子系统的独特作用。整合时可能产生需要设计修改的意外问题。通常这些问题是随着设计的逐步进行而被发现，从而会导致计划延迟，从而错过截止日期并产生代价高昂的返工。

向客户提供的配置数量引起的日益提高的复杂性以及错误成本都体现出使用系统设计途径来解决该问题的价值。系统设计方法应让 OEMs 能够维持产品质量，减少总成本，管理变化变更并满足上市时间目标。

在探讨系统设计如何能用于克服这些挑战之前，我们先详细检查部分这些问题。

电气系统重量和成本增加

在车辆中增加电缆布线和电气功能对整体重量和生产成本都会带来重大影响。例如，一些带有更多功能的豪华车包含超过5千米和大约90公斤的电缆。更多布线重量和成本令电气平台设计人员不得不权衡取舍，在成本、重量和功能之间取得最佳平衡。

更多电子功能意味着更高复杂性

设计和制造的复杂性随着电气/电子功能的增加而增加。在当今的车辆中，超量的电子模块提供着客户和法规规定需要的功能。这些功能甚至分布在大量的电子控制单元 (ECU) 中。高端汽车可能拥有多达70个ECU，从而能提供800多项功能，并通过5套系统总线相互连接。

随着电线、总线和功能的数量增加，出现潜在电路等意外问题的可能性也会增加。潜在电路中，开关和载荷的特殊结合可能导致电气功能的偶然运行或故障。

潜在电路可能带来的良性后果恰似糊涂的驾车人，但更严重的恶性后果包括丢失对安全至关重要的功能，甚至车祸。

配置：对复杂性而言是个噩梦

虽然很多人并没有意识到，但汽车已经成为市场电子消费品最复杂的一个领域。这种复杂性带来了以多种方式配置功能的机会。随着向客户提供旨在提高价值和需求，满足安全性、可靠性以及 ISO 26262 和 Euro 5/6 排放标准等法定排放要求的功能变多，电气系统可能性配置的数量也在激增。

电气设计过程中的步骤数量乘以配置数量，如图1所示。设计人员要面对整个平台的一系列要求，他们通过几个阶段；首先将其分解为单个特性，然后分解为实现这些特性的功能。这些功能被集群到系统中，然后分配物理设备或软件中。当今现代化汽车中的嵌入式软件可多达1亿行代码。然后，原理设计与整个车辆的机械定义关联，并以物理布线系统互连起来，该系统最后被划分进线束系列。每种平台配置都有其独一无二的线束，其可以分化为数千甚至数百万个线束。


图1：该图表说明，增加汽车的客户可选功能会迅速导致可能的配置数量惊人的大。

配置数量的急剧增多影响着从需求到服务文档的整个数据流。一旦销售出去，OEMs就要负责终生有效的汽车服务。法律越来越严格地要求此类数据（特指每种独一无二的汽车配置）要向所有经销商提供（而不仅是原始设备制造商网络）。

管理设计变更

以前，汽车设计的每个阶段都是一个“孤岛”，它们有自己的设计工具以及一种用来描述特定阶段的组件、输入和输出的复杂本地语言。通信通常也比较麻烦，每个步骤都需要转化和/或手动重新录入数据，从而导致冗余和延迟。这些方法难以应对当今的时间、成本和竞争压力。电气设计工程师需要能够与其他工程师及其它“孤岛”共享信息，来提升跨团队及跨部门的通信。他们需要能够更容易地理解变更的环境和影响，从而更快地执行变更，并且减少误解。

系统工程设计方法更好地管理复杂性

当今的周期时间太慢，不能有效地参与竞争和满足需求。从自上而下的系统设计开始创建详细的布线设计的过程重复而且费时间，使设计周期延长了数月。这里讨论的这些问题增加了设计和制造周期的时间，而竞争又增大了更快创造理想电气系统的压力。

不断增多的电气内容，再加上法律和供应链挑战正在推动流程变化。系统设计可让面临现代化汽车开发重压的各方受益。大量证据显示了系统设计范例在管理复杂性中的有效性，几个关键特点包括：整体性、抽象性、逐步整合和互联性。

整体性指可从整体上来看一个问题，而不是从一系列孤立的活动上来看。在汽车电气/电子设计环境中，这意味着连接各个设计领域，包括形形色色的嵌入式软件设计、电子元件设计、配电系统设计和机械设计。