互联汽车物联网仿真设计

2年前浏览1726

ANSYS是值得信赖的合作伙伴，联网汽车技术供应链上各种规模的公司需要ANSYS，ANSYS助力这些公司在联网汽车产业中繁荣发展、无往不胜。

汽车产业大步流星迈向互联网时代，无所不在的连接功能让信息娱乐系统、远程信息处理和车辆数据分析系统如虎添翼。联网汽车正快速成为新兴物联网领域的“关键一员”。联网汽车技术为汽车购买者提供了额外优势和愉悦体验，但同时也在可靠性、安全性等方面给汽车制造商带来了前所未有的工程挑战。这些挑战确实令人望而生畏，原因有两点：一方面互联技术增加了汽车系统的复杂性；另一方面互联技术提高了安全要求，任何小故障都可能导致致命的后果。

连接功能是我们现代生活中不可缺少的一部分。正如手机、手表、平板电脑、电视等日常设备都能连接到因特网一样，我们现在也希望汽车能随时保持联网状态。

汽车生产商转而采用高级工程仿真工具，以充分应对联网汽车技术研发过程中的各种新挑战。仿真技术可帮助汽车生产商虚拟地测试各种工作情境，尽早发现并解决那些难以察觉但有可能带来灾难性后果的可靠性和安全性问题，从而在生产汽车之前解决这种复杂性挑战。

连接功能是我们现代生活中不可缺少的一部分。正如手机、手表、平板电脑、电视等日常设备都能连接到因特网一样，我们现在也希望汽车能随时保持互联状态。与手机不同，汽车具有更大的危险性，其中的任何一个零部件发生故障或运转不正常，就可能对人身和财产造成巨大伤害。

随着我们越来越依赖汽车的连接功能，联网汽车技术的故障可能导致很多潜在问题，包括简单的连接中断、显示故障、信号干扰；以及更严重的问题，比如车内敏感的电子硬件受到过热的恶劣条件影响时无**常工作。设想一下，当你驾车驰骋在一个陌生的城市，由于没有GPS信号而迷失了方向；或者炎炎烈日下，你的手指因为汗湿了而无法在汽车触摸屏上打开空调时，你的内心肯定十分沮丧。联网汽车技术也可能导致更多前所未有的、更加严重的问题，如网络安全漏洞和软件错误引发致命的安全问题。

这种问题很快会引起消费者不满，同时让品牌价值受挫。倘若黑客通过连接技术远程利用安全漏洞进行偷窃，威胁乘客安全，那么后果无法想象。

解决核心工程挑战

联网汽车的核心技术包括通信系统、显示和人机接口（HMI）、车内网络、传感器以及电源系统等。联网汽车的主要工程挑战是优化系统及其组件的设计、集成和耐用性，从而确保有关设备的安全可靠运行。

传感和互联

联网汽车中的成百上千部传感器负责收集汽车方方面面的详细信息，包括速度、转向角度和发动机油位等。这些信息可通知司机采取行动，也能让汽车做出自主判断决策，同时它通过物联网发送到云端，用于维护数据分析。为了确保传感器在汽车的整个生命周期内可靠工作，我们需要认真评估传感器可能遇到的各种工作条件以及基本的物理特性。

确保车内所有互联设备的安全性、可靠性是汽车公司和供应商面临的重大挑战

同样，深入了解天线的物理特性和辐射方向图也有助于确保联网汽车的不间断连接。举例来说，无论天线在狭小紧凑的车体结构中位于何处，它都必须成功接收到来自各种可能方向的所有信号。无论驾驶人员将智能手机放在左侧还是右侧口袋，抑或是放置在车辆中的其他位置，智能手机都必须保持与中央控制台蓝牙天线的连接。只有详细了解天线辐射方向图，包括考虑狭小车厢空间内各种物体产生的干扰阻碍，才能确保始终连接。

可靠性和安全性

今天的联网汽车比10年前的汽车多出了数百万行嵌入式软件代码。众多不同的供应商打造了高度模块化的软件，具体包括触摸屏显示器、语音识别、远程信息处理、传感器、控制器和各种智能设备。由于不同机构单独研发软件的不同部分，具有数百万行代码的联网汽车非常容易出现错误和故障。因此，汽车生产商和供应商采用ISO 26262功能安全标准和AUTOSAR软件架构标准研发联网汽车技术，以最大限度减少风险。

3-D电磁波仿真能确保不间断的V2V和V2I通信

对于安全关键型系统而言，必须尽早分析风险，明确安全标准，并通过综合全面的测试落实各项要求。因此，研发满足ISO 26262标准的软件需要进行详细的软件生命周期管理、以及综合全面的确认验证工作。这就让软件研发过程变得非常繁琐，成本高昂，而且极为耗时。

采用经过ISO 26262标准认证的软件研发工具和经过认证的代码生成器能显著减少软件研发工作量，降低成本，缩短时间，同时大幅提高我们对于所生成代码的信心。考虑到联网汽车软件代码具有很大的规模和很高的复杂性，联网汽车工程师非常有必要采用经过ISO 26262标准认证的软件研发工具。

耐用性

研发联网汽车的电子系统比智能手机和其他高科技产品要更具挑战性，原因有二。首先，汽车系统面临更加恶劣的工作环境，比如引擎产生的高热量、汽车在阳光下照射几个小时后车内陡升的温度、以及道路颠簸造成的冲击振动等。其次，汽车系统要在车辆整个生命周期内保持可靠工作。美国道路上行驶车辆的平均寿命为11年半，而通常情况下智能手机的使用时间仅为2到3年。

为确保汽车在较长生命周期内的耐用性，工程师需要对芯片、电路板、封装、连接器、线缆、天线、显示屏和所有其他电子元器件进行综合全面的热与结构完整性设计。只有深入了解联网汽车科技中大有裨益的热和结构物理特性才能实现上述目标。

ANSYS：统一仿真平台的价值

工程仿真是解决联网汽车技术工程挑战的关键要素。仿真技术帮助汽车生产商和供应商在产品研发早期阶段虚拟测试汽车系统和组件，甚至在打造首个物理原型之前就利用精确的基本物理学对各种测试情境进行评分。举例来说，通用汽车公司采用仿真技术和高性能计算将马达设计工程师的工作效率翻了一番。

Aberdeen Group的一项定量研究报告中支持了这一说法：公司采用仿真驱动的产品研发战略时，能够将新产品的利润率提高15%。

现在许多汽车厂商都不约而同地使用仿真技术。然而，只有同业最佳的企业才深谙一个道理：在统一的跨功能仿真平台上实现整合，可充分应对高度依赖的联网汽车工程挑战，进而实现极高的收益。独立研究显示，上述产品的成功部署需要提高功能型工程团队之间的沟通和协作。否则就很可能导致产品延期、可靠性降低和成本超支等问题。如果没有沟通协作，制造出的产品会出现集成问题，特别是当每个团队为增加自己的安全裕量而构建和过度设计子系统时，这种情况会更加严重。

3-D电磁波仿真可替代昂贵的整车EMI-EMC测试，同时提供更深入的工程信息

具有优秀的协作沟通传统的公司会充分利用工程仿真优势，遥遥领先于同类竞争对手。同业最佳公司使用综合仿真平台，在物理原型设计之前即可分析组件和系统级行为。这些公司的设计人员能够快速探索众多设计方案的性能，进而在成本、质量或性能方面精心优化设计。从左上图中的参数中我们可以看到，综合平台上实现的仿真设计方法可支持跨功能的工程沟通协作，从而实现众多优势。

芯片-封装-热仿真有助于防止热故障

ANSYS的综合仿真平台可提供无与伦比的综合解决方案，满足汽车制造商和一、二级供应商在设计联网汽车时方方面面的要求。这些解决方案包括通用仿真平台内部集成的各种应用。

天线设计和布局

无论天线是作为组件还是被集成到汽车及工作环境中，ANSYS技术均可准确地仿真天线性能。根据问题规模以及所需的结果保真度，您可从多种求解器技术中选择最适合的一款。

举例来说，在利用ANSYS电磁辐射仿真软件进行的一项详细研究中3，工程师评估了沃尔沃卡车远程信息处理电子控制单元（ECU）的GPS信号接收情况。工程师评估了卡车车身钣金件的不同设计方案，以及远程信息处理单元的不同布局情况，从而得到了确保不间断GPS信号的最佳配置。这些工作全部通过虚拟计算机模型完成，如果利用物理硬件和实验室测试获得相同的结果，则需要花费数十万美元的成本和数月的时间。

同样，菲亚特克莱斯勒4,5充分利用ANSYS电磁仿真软件优势，通过整车仿真高效确定汽车线束的电磁干扰和兼容性。与此同时，工程师完全通过模型测试室中逼真的白车身模型虚拟地完成ISO 11451-2标准测试。这种仿真工作相对于物理测试而言能节省数百万美元和数月的时间。此外，工程师通过仿真掌握的深度物理信息也能帮助他们在设计早期进行准确的假设分析。这有助于发现并解决外来设备（如智能手机和平板电脑）导致的潜在EMI问题。

芯片—封装—系统设计

ANSYS仿真平台囊括了特殊的求解器、详细的IC噪声模型、以及电路板和封装的通道模型，能进行全面的电源完整性和信号完整性仿真。

举例来说，恩智浦半导体公司6利用ANSYS技术进行芯片级仿真，从而实现非常可靠、没有噪声的汽车信息娱乐系统。仿真帮助恩智浦半导体公司将IC芯片封装缩小了75%，同时降低了成本，提高了声音质量。

同样，莫仕(Molex)公司8利用详细的ANSYS物理仿真技术确定插入损耗、回波损耗以及连接器TDR，从而研发出虚拟的测试进程。该进程有助于发现和解决问题，并在研发生产工具前发现和探索连接器设计和PCB调校的优化机遇。

电源管理

ANSYS的仿真平台工具可帮助解决联网汽车技术中的一系列电源管理挑战。具体包括优化系统功耗和完整性，并实现智能手机等外来设备的无线充电。

举例来说，日本村田制作所在近期发表的一篇文章7中指出，在ANSYS仿真软件的帮助下，该公司成功研发出直流共振无线电力传输系统。该公司发现仿真技术有助于在设计阶段早期充分考虑多种设计方案和部署策略的影响。仿真可帮助工程师通过虚拟原型（而不是物理原型）来优化设计选项，从而在每个项目中节省数月的测试时间和数万美元的成本。

传感器

无论传感器属于霍尔效应、可变磁阻、磁阻、磁通门、涡电流还是其他类型，ANSYS仿真平台都能提供详细的模型和功能，用于仿真基本物理特性，从而帮助工程师研发出稳健可靠的传感器。8 ANSYS仿真工具可帮助工程师改变几何结构、材料属性、环境条件和其他方面，从而了解影响传感器性能的关键因素。仿真工具进一步帮助工程师精心优化传感器的可靠性和鲁棒性。

Delphi9的工程师利用ANSYS仿真工具研发全硅压力传感器。工程师对制造工艺进行仿真，从而确定传感器膜片最终结构中是否存在可能引发过早失效的巨大剩余应力。

汽车扬声器

仿真技术有助于改善汽车扬声器的声音质量，并降低成本

嵌入式软件

ANSYS仿真平台不仅仿真硬件，还能仿真嵌入式软件。ANSYS SCADE（安全关键型应用研发环境）是基于模型的嵌入式软件研发工具，其中包括内置的自动代码生成器。它不仅通过了ISO 26262标准的ASIL-D最高等级认证，还符合AUTOSAR标准要求，能大幅减少软件研发测试工作。

举例来说，斯巴鲁公司10利用SCADE软件研发安全可靠的电控电路与系统，从而满足混合动力汽车产品线的要求。斯巴鲁利用SCADE软件能够描述一致性可读模型，包括安全架构设计和详细设计等不一而足。得益于SCADE Suite的KCG IEC 61508认证代码生成器，大部分验证工作可直接在SCADE模型中提前完成，芯片-封装-结构仿真有助于确保热和机械应力下的迹线连续性。

从而能够显著缩短代码级验证时间。因此，斯巴鲁工程师成功实现了极其庞大而复杂的应用，同时大幅缩短了软件研发测试时间。

面向恶劣环境的设计

ANSYS的仿真平台荟萃了同业最佳的流体、热和结构求解器，能够在汽车冲击振动和高热负载等恶劣仿真环境中虚拟测试产品。这种仿真不仅可实现产品在所有条件下的正确操作，同时还能确保其在车辆整个生命周期中始终如一的高度耐用性。

举例来说，法雷奥公司11利用ANSYS软件确保显示屏和电子控制单元（ECU）外壳所用的卡扣经久耐用。利用最佳实践和ANSYS软件，法雷奥工程师非常确信卡扣能够可靠工作。在设计阶段早期进行结构仿真，有助于避免多个原型、返工和工具变更等造成的成本。ANSYS高性能计算技术帮助工程师仅在一周之内就完成了卡扣夹紧和松开过程的结构仿真工作，从而将仿真时间锐减50%。

无独有偶，恩智浦半导体公司12利用ANSYS软件确保汽车引擎盖下电子元器件在恶劣条件下（引擎盖中的温度很容易就会达到135摄氏度）的可靠性和使用寿命。恩智浦半导体公司的设计团队面临着多重挑战，他们既要确保设备结温不超过安全水平，同时还要避免电迁移造成的故障。ANSYS半导体热工具套件可进行芯片的详细建模，并确定任何点上的功率密度及热梯度，从而帮助恩智浦半导体公司轻松应对上述挑战。恩智浦半导体公司能够根据热梯度做出明智的设计决策，从而确保可靠性，并缩短产品上市时间。

芯片-封装-结构仿真有助于确保热和机械应力下的迹线连续性。

更多ANSYS 技术在物联网的应用敬请访问：http://t.cn/R5wUMMa

来源：Ansys

振动电源电路信号完整性半导体通用汽车电力电子芯片 UM 材料

著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载

首次发布时间：2022-08-18