汽車確實是一個大型的復雜的機電系統。為設計這些系統，許多公司正在轉向虛擬樣機技術，通過創建軟件“模型”來研究、優化，該方法的成本遠遠低于實際樣件的成本。虛擬的范圍不僅僅局限于機械組件，而且還包括電氣仿真以預測電氣行為和性能。兩者不能互相隔離，設計者必須考慮跨部門整合和同步協調、數據管理以及電氣和機械領域的設計變更。
電氣仿真盡早開始
在初始設計階段的電氣仿真可以揭示那些需要進行重新設計的問題。電氣系統和物理設計是相互依存的，因此，在電氣系統中的變更可能要求機構的布置發生變化。架構的變化－不管是電氣的還是機構的－在設計的早期階段實現會更簡單、成本更低。
仿真減少了物理樣機的需求，同時縮短了時間降低了成本。重要的是，基于計算機的方法承擔了驗證設計完整性的過程，遠遠超出采用物理樣機的方法所能達到的結果。汽車的電氣子系統、嵌入式軟件和數據網絡可以支持大范圍的數據交互，這些數據能夠非常容易地結合在一起，這種結合將會給汽車服務帶來一個主要的問題。采用物理樣機的方法是不太可能找到這些問題的，而仿真可以在產品投入服務之前就揭示那些最了不起眼的問題。
不僅僅驗證直流電
仿真工具可以用來驗證和支持電氣設計過程中的許多階段。最常用的直流仿真工具可以驗證導線的截面積、保險絲和供電。這種電氣仿真模型的基礎就是電氣系統中每一個用電設備和導線的“電氣模型”。直流分析模型是相對簡單的電阻模型。
連續性/定性仿真模型是直流仿真的變種，使用了比直流模型更為簡單的電氣模型，但是為工程師創建布線設計提供了強大的設計支持。在每個用電設備和導線在完成布置后，該仿真即可辨識連續性和連接錯誤的問題。
瞬態仿真被廣泛用于模擬電感電路如包含馬達和熒光放電照明，它和啟動和穩態功耗有顯著差別。仿真工具指導這些設計以適應這些最壞狀況下的電流。
通過建立收發器模擬、數字和模擬數字混合信號以及傳輸線路行為等模型，仿真工具可以對車載網絡是否正確運行進行驗證。這些數字網絡的具體布局以及組件之間的物理距離能影響它們的性能，因此電氣和物理設計工具之間的緊密集成是必不可少的。
線徑、潛藏電路及其他
在電氣仿真初期，工具主要保證零件如保險絲、導線選型正確�，F今的系統可以確認電氣系統的行為在任何情況下都正確無誤，同時也可能驗證零件失效時的良性行為。
仿真工具必須遍歷多個方案中的電氣設計，這些方案代表了在汽車服務過程中出現的每一種電氣開關的開閉和/或零件的失效模式。再次說明，這里有很多很多的排列組合。仿真是計算密集型的任務，但是它能夠揭示不可預見的失效，如果得不到解決，會影響最終用戶的舒適性或者安全性。
設計不良的電氣系統可以包含“潛藏電路”。這種結果發生在某一特定的開關位置組合或者是零件故障時，電流流入到不應該有電流的回路。零件可能被激活或者被凍結，或者燈變暗或關閉，呈現出隨機性。今天，越來越多的公司把潛藏電流仿真加入到評估過程。
電氣故障失效模式分析(FMEA)為確保組件故障不影響安全或者產品的完整性是至關重要的。在一個復雜的汽車系統中，單個組件故障可以產生影響其他電氣系統的連鎖的副作用。這些只能通過計算仿真來評估數以百萬計的可能性并確定嚴重的問題來進行預測。
MCAD ECAD協同工作
計算機技術出現的早期就出現了電氣仿真工具，但是直到近來這些工具都還沒有被廣泛應用于汽車設計過程。這部分是因為電氣設計與物理布置是相互依存的。例如，導線的電阻依賴于它的電阻率和長度。在分析模型中，電氣分析工程師必須確保所有的導線長度被完整定義。傳統上這是一個勞動密集型的過程，隨著設計復雜型的增加已經越來越不適用。
現代解決方案是采用ECAD與MCAD工具的交互式接口。ECAD工具把每根導線的“點－點”信息發送到MCAD工具。MCAD工具把這些導線布置到三維線纜網絡，然后把導線的長度信息返回到ECAD工具。
在電氣和機構設計之間也存在著同步的問題。實際上，在設計最為緊張的階段，電氣和機械設計變更幾乎每天都在發生，而每一個設計是由許多的子系統設計組成的。電氣仿真工程師必須確保當前設計階段的仿真和分析結果的正確性。這種數據管理的挑戰會影響電氣仿真工程師、零件工程師、制造工程師及其他人。
最初，簡單的文件管理工具遇到過這樣的挑戰，但是對應成百上千的文件和對每個文件的多版本，現在的PLM系統提供了更高層次的控制。電氣設計工具中已經具備了更進一步的數據管理控制，以確保導線和線束設計、零件定義和電氣仿真模型之間的同步。由此，通過ECAD系統自動驗證和檢查以及報告任何過時的設計，工程師能夠操縱、同步不同的設計集合。
物理和電氣設計者對同樣的產品有不同的視角。設計者把導線創建成三維空間中的管狀彎曲的實體。而ECAD 把導線看成是在兩個終止點之間帶有截面積和長度的連接線。雖然在MCAD和ECAD之間導線和其他的實體定義有共性，但是每個工具還是維護其自己的一套其他工具并不需要的屬性。
當在MCAD和ECAD之間進行共同的數據交換時，導線和其他的元素以誰的數據為主？ 實際操作上，每個系統都主宰了某個特別的屬性。挑戰是正確的合并這些定義，因為它會在某個工具里發生更改。直到最近，在MCAD系統的更新會改寫ECAD系統的定義，破壞那些在ECAD環境中已經更改的ECAD特定屬性。
幸運的是，最新的工具，包括變更管理和合并工具，能夠精確的控制兩個系統之間的信息流。針對每個數據、每個屬性，過濾器會定義哪個系統為主數據，允許數據流在兩個系統之間無縫的流動而不發生改寫。
讀取零件庫
今天一些緊密集成的仿真工具能夠自動定義導線線徑。圖1顯示了一輛汽車的物理拓撲布線結構。導線的布線網絡在MCAD中完全定義并導入到ECAD工具中，圖1中插入的圖片是有關汽車的音響系統電氣原理圖。ECAD工具使用工程規則放置電氣原理圖中的零件并生成完整的布線設計。這確保了正確的導線長度，因為所有的導線布線都是在MCAD系統中完成的。
圖1 支持“什么－如果”的架構分析的電氣機械設計集成
現在設計者可以啟動電氣仿真以遍歷所有的開關位置排列組合并確定每根導線最大最壞狀況下的電流。仿真器使用這些值從零件庫中選擇合適的導線類型并更新原理圖上的導線屬性，以符合零件庫的數據。該數據也可以返回到MCAD系統中，以確保在MCAD設計中導線線徑被正確定義。MCAD和ECAD都能夠在連續的設計變更中通過變更管理器合并接口保持同步。在兩種環境中始終使用最新的仿真反饋結果。
PLM環境
PLM系統的作用在大的公司中已經完全確立，它提供了一種有效的手段來管理大量的與產品有關的數據文件，特別是MCAD的數據。通常情況下，MCAD的數據按照樹形結果進行存儲，與組成物理產品的結構化的總成和子總成類似。
ECAD設計數據結構非常不同。一個特定的布線設計，包括來自許多不同子總成的零件，這意味著ECAD設計數據不是與已有樹形結構等效條目直接和簡單地鏈接。相反，ECAD設計有自己的樹形結構。ECAD設計以其自身的文件格式和圖紙的方式進行存儲，允許PLM的用戶查看電氣設計而無需使用ECAD工具。PLM系統檢出/檢入工具管理對ECAD設計的訪問。更先進的工具能夠提供復雜的報告和相關的MCAD和ECAD的鏈接，提供兩個領域的緊密集成。
結語
今天車輛的復雜性已經超越了用物理樣機來驗證電氣系統。仿真和虛擬樣機已經成為設計過程中的重要組成部分。今天，在汽車公司和其他的設計/制造業，ECAD工具已經與MACD工程捆綁在一起，以幫助提高設計質量、可靠性和成本。
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本文標題：協同電氣仿真、MCAD和PLM的汽車設計
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