基于虚拟平台的电动汽车的虚拟设计和验证解决方案

　　汽车的电气化是20世纪初以来这个行业最根本性的变化。我们已经见证了过去10多年来电子类子系统在常规的车辆中的扩散，同时对混合动力和纯电动汽车的增长性预测将给汽车半导体市场带来显著推动。

　　仅仅电子控制单元（ECU） 一个市场的规模在2010年就已经接近480亿美元，比2009年大约增长了29%。总体上来看，预计到2015年电子类汽车部品所占的比例每年都将以略低于8%的速度增长。一些应用领域预期将会出现超高的增长（超过50%），这些领域包括纯电动汽车、平视显示器、睡意检测、LED 照明、停车/启动、车道偏离警告和盲点监控。在2010年时，电子系统和软件的成本已占通用燃油动力汽车总成本的30%，在混合动力和电动汽车的总成本中占据了65%。

　　汽车电气化是汽车制造商创新的关键。本文针对一个用于虚拟设计的平台，分析了设计团队所面临的挑战和他们所需的关键品质。

　　关键的电气连接

　　驾驶者的体验（包括安全性、舒适性、生态和经济性）——汽车及其乘客间联系的纽带 —— 已经变得与汽车作为交通工具这一目的同样重要。该行业在过去20～30年一直专注于如何使车辆更加人性化。因此，电气子系统支撑了很多汽车系统的功能。人与车之间的一些关键的联系因素（包括已投入生产的和正在研究的两方面）包括：

　　●驾驶员舒适性和娱乐领域的电气化；

　　●动力系统的电气化以降低排放；

　　●导航、GPS、云导航等对即时信息的获得；

　　●电力架构和功耗最小化；

　　●临近车辆间安全驾驶，标识/行人/分道线识别，以及不必需要驾驶员的自动驾驶。

　　要实现上述这些连接使汽车变得更复杂，究竟多么的更加复杂，可以从汽车工程师设计的软件的数量分辨端倪。

　　汽车系统正在开始接近现代操作系统所包含的同等级的软件复杂性——都是令人吃惊的5000万行到3亿行代码。事实上，汽车系统实际上远比其更复杂，因为汽车机械电子系统的相互作用要远比一台电脑更重要。汽车可以杀死你，而电脑可能不会。

　　系统挑战

　　在2010年美国汽车工程师协会SAE）国际大会上，来自本田、通用汽车、福特、宝马、克莱斯勒、标致雪铁龙和丰田的顶级工程师参加了一个“汽车制造商论坛”圆桌会议，在此间确定了汽车设计的主要系统挑战。它们是：

　　功能和软件配置及验证：这项工作是当今汽车设计的核心。它涉及确定车辆的功能，并将其分配给相应的硬件和软件资源。

　　系统工程和仿真：汽车工程师必须为实现电气化而重新设计车辆中的每个系统。

　　发电、管理和发送：汽车的核心系统依然是电力的产生、管理和消耗，其范围也正在被扩展到包括动力系统等。

　　我们以下将更详细地讨论上述三个挑战。

　　功能和软件配置及验证

　　汽车系统工程师面对的关键挑战不只是增加可靠性，软件使问题变得更困难。制造不发生系统崩溃的汽车、为驾驶员提供信息而不引起分心、并且无污染，是这个行业所面对的最重大的系统工程挑战。最重要的是，该行业的成功取决于对这些汽车是否有足够的需求，这就意味着设计团队需要不断地顶着压力去找到最新的“炫酷因素”。系统设计的本质就是设计一个与各个物理系统互动的分布式计算系统，然后在这个分布系统上定义和影射软件。

　　当车辆中的每一个ECU都影射到一个单项的功能，并且ECU/软件被都做成一个“黑盒子”交付时，这个任务就更加直接——这是一种意味着在现今的高端汽车上通常都能找到100多个ECU的方法。为减少ECU的数量，现有的技术可以将多种功能整合到一个ECU 中。而各项功能的复杂性也已增加，以至于多个ECU 必须通过协作来实现高级功能，诸如自动停车或防碰撞等功能就必须沟通和控制多个子系统。

　　集成系统时的一个大挑战就是零配件总是不变地来自多家供应商，这使得安全性和质量打了折扣。在开始ECU-软件集成时，可能出现数千个错误。人们越晚发现这些问题，解决这些问题的代价就越高。而一旦问题在汽车已交到顾客手中时才显露出来，修复就变得非常昂贵。《商业周刊》曾报道丰田在2009至2010年的召回，使公司损失超过20亿美元，包括法律费用、销售损失和保修支付。

　　系统工程和仿真

　　那么伴随着车辆的电气化，汽车设计团队如何能够征服系统设计挑战呢？这个问题的着眼点不只限于软件和电子设备——设计团队还必须考虑机电系统。可能的解决方案需要支持详细的物理建模，概念性设计和实现，以及并行的、多层次的建模和验证。

　　汽车电子的历史已经从简单的发电和送电，经过电子控制系统，演进到电子驾驶系统。电子部件所占成本的比例已经从10%增加到电子混合动力汽车的60%。成本不是在软件（软件的制造几乎是免费的），而是构成车辆的电子、电气和机电组件。

　　基于模型的嵌入式系统工程

　　汽车制造商因为多种目的而需要模型：

　　● 分析/验证产品的需要；

　　● 为电子工程系统定义软件应用；

　　● 支持仿真和验证工厂/多物理/汽车系统模型。

　　因此，建模需要使用多种不同的框架：

　　● AUTOSAR——运行在一个虚拟处理器上的软件；

　　● EAST-ADL2——运行在一个环境（包括工厂）中的软件；

　　● VHDL-AMS/MAST——机电一体化建模和电气系统；

　　● SystemC/SystemC-AMS——各种系统级芯片（SoC）的系统级描述和相互连接；

　　● SystemVerilog/Verilog-AMS——SoC实现，以及SPICE—IC模拟。

　　将所有这些元素汇集在一起需要一个能够建模和进行物理系统仿真的平台，它支撑了整个系统的虚拟原型验证，可用于模拟/电力电子，电力产生、转换、输送和机电一体化等应用（如图1所示）。

图1 系统级的物理建模和仿真