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插電式混合動力汽車熱系統(tǒng)開發(fā)的聯(lián)合仿真方法

2021-09-17 23:37:14·  來源：AutoAero  
　
摘要汽車應用的熱開發(fā)比過去復雜得多。具體來說，插電式混合動力汽車(phev)的所有子系統(tǒng)都是相互交織的，很難只把它們作為子系統(tǒng)進行分析。為了適當?shù)卣{(diào)整組件的
摘要
汽車應用的熱開發(fā)比過去復雜得多。具體來說，插電式混合動力汽車(phev)的所有子系統(tǒng)都是相互交織的，很難只把它們作為子系統(tǒng)進行分析。為了適當?shù)卣{(diào)整組件的大小，需要一個系統(tǒng)級的解決方案。對于早期的熱開發(fā)，聯(lián)合仿真方法可以確保我們考慮到汽車中所有熱特性的相互依賴性。例如，大型PHEV電池可能需要制冷劑被動制冷，這也與室內(nèi)加熱、通風和空調(diào)(HVAC)冷卻系統(tǒng)有關。為了使冷凝器、冷卻器等的尺寸合適，必須把電池冷卻和艙室冷卻作為一個系統(tǒng)來考慮。插電式混合動力汽車上也有許多熱執(zhí)行器，如控制閥、脈寬模塊(PWM)泵、電動壓縮機、電動冷卻液加熱器等。在產(chǎn)品開發(fā)的早期，智能控制和校準開發(fā)可能會顯著影響前端冷卻模塊和其他熱交換器的尺寸。硬件和軟件的設計必須同時和同步，以設計一個適當優(yōu)化的熱系統(tǒng)。本文將闡述混合動力汽車的聯(lián)合仿真方法，并給出一些仿真結(jié)果。
  1. 介紹
在這一節(jié)中，我們將討論對有效和改進的熱系統(tǒng)設計的系統(tǒng)級聯(lián)合仿真的需求。然后，我們將討論聯(lián)合仿真方法在集成不同子系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)中的應用。最后，利用不同工況下的車輛系統(tǒng)級試驗數(shù)據(jù)對結(jié)果進行了驗證。
1.1.通過聯(lián)合仿真提高操作效率
車輛系統(tǒng)由發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、客艙舒適系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成。插電式混合動力汽車(PHEV)各子系統(tǒng)的復雜性和相互依賴性要大得多。所有的子系統(tǒng)必須無縫地工作在一起，以確保車輛的有效運行。每個子系統(tǒng)也有它自己獨立的控制系統(tǒng)，它決定它的個人最有效的操作。在整車開發(fā)過程中，需要將各個子系統(tǒng)進行集成，以了解和分析一個子系統(tǒng)對其他子系統(tǒng)的影響。
但是這些子系統(tǒng)的開發(fā)時間線并不是并行的。例如，一個新的動力系統(tǒng)的開發(fā)要比開發(fā)一個新的冷卻系統(tǒng)花費更多的時間，而冷卻系統(tǒng)的設計依賴于動力系統(tǒng)的開發(fā)。由于這些時間不匹配，可能出現(xiàn)的情況，最后一刻的設計改變將是必須實現(xiàn)車輛的功能目標。
為了在開發(fā)時間框架的早期理解和解決問題，虛擬分析是重要的。不同的團隊使用不同的模擬工具設計不同的系統(tǒng)。要在虛擬環(huán)境中集成所有這些內(nèi)容，一種方法是使用相同的工具開發(fā)所有內(nèi)容。在像汽車這樣復雜的行業(yè)，這幾乎是不可能的。此外，如果一切都是統(tǒng)一的，就會失去許多領域特定的專業(yè)知識。另一種選擇是聯(lián)合模擬?，F(xiàn)有的聯(lián)合模擬過程必須處理版本控制問題。當模擬工具升級其版本時，需要重寫接口。管理和支持接口需要花費大量的人力。另一個潛在領域是通過硬件在環(huán)(HIL)將虛擬模型與硬件集成的能力。圖1展示了一個虛擬集成平臺中多個工具之間的交互協(xié)同仿真示例。在本工作中，F(xiàn)CA采用AVL模型。CONNECT作為虛擬集成平臺。
 
 
圖1 具有不同子系統(tǒng)的交互式系統(tǒng)仿真模型
1.2.熱系統(tǒng)和子系統(tǒng)集成
 
熱力系統(tǒng)有兩個主要功能:加熱和冷卻。最佳熱管理系統(tǒng)的目標是保持車輛動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的流體溫度在最佳范圍內(nèi)，即在最有效的狀態(tài)。供熱能力是在寒冷的環(huán)境條件下管理熱力系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要提供艙室舒適性，并迅速預熱動力系統(tǒng)，以減少發(fā)動機和傳動摩擦損失。車輛熱管理的第二個功能是冷卻。當環(huán)境炎熱，車輛隨拖車爬坡時，冷卻系統(tǒng)消除發(fā)動機過熱，避免沸騰、過熱和流體溫度波動，保護發(fā)動機不受損壞，延長車輛耐久性。
如圖2所示的典型車輛熱管理系統(tǒng)有以下三個目標:
 
•在高負載和高環(huán)境下的冷卻能力。
•在寒冷環(huán)境下積極快速的預熱，以獲得最佳的動力系統(tǒng)效率。
•優(yōu)化熱控制，實現(xiàn)最佳空氣阻力，防止發(fā)動機爆震，提高動力總成耐久性，并在正常駕駛條件下降低功耗。
 
 
圖2 一種新型車輛熱管理系統(tǒng)布局
2.車輛熱管理系統(tǒng)仿真工具開發(fā)
2.1當前的建模方法
車輛熱管理系統(tǒng)建模是一項復雜的工作，涉及到機械、液壓、熱力學、流體力學和傳熱學等方面的知識。表1總結(jié)了傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)設計向基于模型的新方法的轉(zhuǎn)變。為了能夠準確預測瞬態(tài)情況下的流體溫度，模型應包括流體回路模型、發(fā)動機和傳動系統(tǒng)熱模型、兩相客艙舒適性模型、前端冷卻氣流模型、車輛和傳動系統(tǒng)模型以及控制邏輯模型。該模型還應該能夠運行不同的駕駛周期，如燃料經(jīng)濟周期和真實世界的駕駛周期。變速器換擋計劃和離合器控制邏輯也應該包括在模型中。圖3顯示了一個典型的車輛熱管理模型系統(tǒng)。
整車開發(fā)經(jīng)歷了不同的階段。在概念階段，代理模型或不太詳細的模型可用于系統(tǒng)布局、初步規(guī)模調(diào)整和定向設計目的。當有實際的設計和功能數(shù)據(jù)時，可以構(gòu)建詳細的模型，以提供更準確的結(jié)果。設計凍結(jié)生產(chǎn)意圖后，相關模型可用于控制和校準開發(fā)。
基于過去的經(jīng)驗，半經(jīng)驗模型在汽車開發(fā)過程中具有更強的穩(wěn)健性和更準確的結(jié)果。根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)建立子系統(tǒng)模型。例如，冷卻劑流動回路應與實際流動臺架試驗數(shù)據(jù)相關聯(lián)。如果發(fā)動機和變速器存在，則應通過臺架試驗得到發(fā)動機的散熱圖和變速器效率圖。
 
 
表1 車輛熱管理設計趨勢
 
 
圖3 車輛熱管理設計趨勢
2.1.1.冷卻系統(tǒng)模型
冷卻系統(tǒng)包括冷卻液回路、發(fā)動機油路、傳動油路、前端冷卻氣流、換熱器等流體回路。所有流體回路包括泵、閥門、管道、彎道和轉(zhuǎn)換元件。這些流體回路模型將計算和預測不同驅(qū)動循環(huán)的流量。冷卻液和油路模型應從CAD(計算機輔助設計)幾何建模，流動臺架試驗可用于驗證模型。前端冷卻氣流可以從計算流體力學(CFD)中得到，并應用于具有多維圖的一維模型中。圖4為CFD模擬得到的冷卻氣流矩陣的線性插值曲面圖，可納入一維模型進行氣流計算。矩陣包括全范圍的車輛速度和冷卻風扇速度。
散熱器、油冷卻器和冷凝器等熱交換器可以根據(jù)供應商提供的數(shù)據(jù)和幾何形狀建模。通常，供應商將提供臺架測試或模擬的性能圖。
 
 
圖4 前端冷卻氣流表面（CFD）
2.1.2.動力系統(tǒng)熱慣性模型
發(fā)動機熱模型
為了捕捉發(fā)動機的瞬態(tài)熱行為，需要建立熱質(zhì)量、熱容、熱流和流體流動的發(fā)動機熱模型。燃燒熱分布在金屬、冷卻劑和油中。發(fā)動機熱模型涉及流體與金屬之間的熱對流和導熱。發(fā)動機熱模型必須根據(jù)發(fā)動機動態(tài)測試進行校準。該發(fā)動機熱模型可以使用商業(yè)仿真工具建立。
熱傳輸模型
同樣，傳動熱模型涉及齒輪組和變矩器產(chǎn)生的熱量。熱量通過熱對流和導熱傳遞給熱質(zhì)和油。Scott所建立的模型已通過試驗數(shù)據(jù)驗證。與發(fā)動機模型一樣，變速箱模型也可以使用商業(yè)工具構(gòu)建。
供應商提供熱模型
FCA正在整合性能、舒適性和燃油經(jīng)濟性方面的新技術，這些技術對整個熱系統(tǒng)都有影響。但大多數(shù)信息不能用于室內(nèi)建模和驗證目的。由于專有信息共享規(guī)定，F(xiàn)CA以加密的形式或僅以DLL可執(zhí)行文件的形式從供應商接收這些模型。所以通常需要定制的接口。到目前為止，F(xiàn)CA選擇的工具是通過MATLAB Simulink進行集成。
2.1.3.車輛動力傳動系統(tǒng)模型
熱管理系統(tǒng)需要評估不同的驅(qū)動周期。應建立車輛傳動系統(tǒng)模型，以能夠模擬這些駕駛循環(huán)。傳動系統(tǒng)模型包括多個功能組的不同子模型(例如換擋計劃，離合器關系圖，旋轉(zhuǎn)損失和扭矩轉(zhuǎn)換器關系圖)。圖5是一個典型的車輛傳動系統(tǒng)模型，具有使用MATLAB Simulink或任何商業(yè)傳動系統(tǒng)工具切換驅(qū)動周期的能力。
 
 
圖5 車輛傳動系統(tǒng)模型實例
2.1.4.熱控制模型
在熱管理系統(tǒng)中，為了解決真實的生活場景，一個真實的控制模型是很重要的。如圖6所示，我們可以通過聯(lián)合仿真策略將現(xiàn)有的控制軟件(SW)與虛擬集成平臺集成。在這里，這個例子說明了混合動力系統(tǒng)軟件內(nèi)部集成了ECM軟件模塊，作為混合動力PT軟件的反饋提供商。這將模擬車輛的情況，其中控制SW將控制驅(qū)動器。在虛擬集成平臺中使用該框架，可以在Loop (V-HIL)環(huán)境中創(chuàng)建虛擬硬件。虛擬集成平臺中嵌入了所有必要的設備模型。
 
 
圖6 控制與工廠模型的集成
2.1.5.制冷劑循環(huán)模型
需要兩相模擬能力來模擬制冷劑回路和艙室冷卻。氣候控制系統(tǒng)嚴重影響著車輛的冷卻系統(tǒng)設計和燃油經(jīng)濟性。模型一般在LMS AMESim中進行。
3.結(jié)果
為了證明虛擬集成框架的有效性，我們在Simulink中用現(xiàn)有的混合動力系統(tǒng)軟件(SW)和GT SUITE中的工廠模型對一個車輛冷卻液回路進行了仿真。在這種情況下，可以采取多種方法進行聯(lián)合仿真?；诟咝У挠脩艚缑婧洼^好的數(shù)值穩(wěn)定性，在商業(yè)聯(lián)合仿真工具中開發(fā)了聯(lián)合仿真框架。如圖7所示，在給定的驅(qū)動條件下，冷卻劑溫度的變化會影響泵速。該框架可以用作V-HIL(虛擬硬件在環(huán))測試設置，以測試軟件能力、問題，并驗證給定條件下的冷卻系統(tǒng)規(guī)模。
 
 
圖7 驅(qū)動泵冷卻系統(tǒng)的聯(lián)合仿真
4.總結(jié)
討論了基于模型的設計和優(yōu)化的要求。一個有效的聯(lián)合仿真工具可以提高執(zhí)行這種虛擬開發(fā)過程的效率。它有助于消除組織內(nèi)部的重復工作，利用供應商的努力，從而提高虛擬產(chǎn)品開發(fā)的運行效率。
文章來源：Rahman, R., Biswas, A., Lindquist, C., Khandaker, M. et al., “Co-Simulation Methodology for PHEV Thermal System Development,” SAE Int. J. Advances & Curr. Prac. in Mobility 2(5):2969-2973, 2020, doi:10.4271/2020-01-1392.
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