摘    要  

電動(dòng)汽車（EV）熱管理性能的重要性日益增加，導(dǎo)致熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷上升，并且與安全性和質(zhì)量相關(guān)的問(wèn)題也迅速增加。目前基于實(shí)際車輛的開發(fā)方法在處理高度復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)遇到了一定的限制，需要做大量的驗(yàn)證和確認(rèn)工作。為克服這些局限性并優(yōu)化熱管理系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程，提出了一種新型的虛擬開發(fā)環(huán)境，采用了XiLS（X in the Loop Simulation）方法。XiLS方法是基于物理熱管理系統(tǒng)硬件與其他車輛系統(tǒng)分析模型的實(shí)時(shí)耦合。為了控制車輛模型和熱管理系統(tǒng)，通過(guò)硬件、軟件和模型實(shí)現(xiàn)了VCU（車輛控制單元）和TMS（熱管理系統(tǒng)）控制單元的多種選項(xiàng)。在XiLS評(píng)估環(huán)境的基礎(chǔ)上，即使沒有實(shí)際測(cè)試車輛，也可以評(píng)估常規(guī)空調(diào)測(cè)試，例如駕駛艙冷卻/加熱和組件冷卻性能。此外，還進(jìn)行了熱管理系統(tǒng)控制的標(biāo)定，從而在能源效率方面取得了部分改善。根據(jù)美國(guó)環(huán)保署（US EPA）協(xié)議的多周期測(cè)試（MCT）等認(rèn)證驅(qū)動(dòng)循環(huán)測(cè)試，評(píng)估了冷環(huán)境條件下（-7°C）電動(dòng)汽車的駕駛范圍和能源效率。這一綜合評(píng)估工作是在新電動(dòng)汽車項(xiàng)目的開發(fā)階段進(jìn)行的，測(cè)試在SOP（開始量產(chǎn)）前進(jìn)行，驗(yàn)證了該方法的有效性。

01  前    言

隨著電動(dòng)汽車（EV）的普及，熱管理開發(fā)在汽車行業(yè)的重要性日益增加。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車熱管理的主要目標(biāo)是保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)部件和確保乘客的舒適度，而電動(dòng)汽車在各個(gè)方面都受到熱管理的顯著影響，包括電池性能、效率、續(xù)航里程以及各種需求，例如在車內(nèi)休息和賽道比賽。隨著熱管理性能影響的增加，系統(tǒng)的復(fù)雜性呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。為滿足各種車輛要求，這種日益增加的復(fù)雜性迅速引發(fā)了諸多與安全和質(zhì)量相關(guān)的問(wèn)題。然而，現(xiàn)有的基于車輛的測(cè)試方法在驗(yàn)證和優(yōu)化不同環(huán)境和使用條件下的眾多要求時(shí)存在局限性。車輛和測(cè)試設(shè)施面臨諸如無(wú)法精確控制變量、測(cè)量能力的限制以及因熱容量導(dǎo)致的測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)等約束。此外，由于開發(fā)無(wú)法在測(cè)試車輛制造之前進(jìn)行，時(shí)間也成為一個(gè)制約因素。本研究的目的是克服現(xiàn)有測(cè)試方法的局限性，提高熱能系統(tǒng)驗(yàn)證和優(yōu)化的完整性。為此，建立了一個(gè)虛擬開發(fā)環(huán)境，稱為XiLS（X-in-the-Loop仿真），該環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)物理組件/系統(tǒng)與車輛模型之間的實(shí)時(shí)連接，使得在接近實(shí)際場(chǎng)景的條件下進(jìn)行評(píng)估。在該環(huán)境中，系統(tǒng)的優(yōu)化校準(zhǔn)已完成，并通過(guò)認(rèn)證駕駛周期評(píng)估進(jìn)行了性能驗(yàn)證（見圖1）。本研究的目標(biāo)是證明所建立的開發(fā)環(huán)境可以有效地作為未來(lái)性能/功能驗(yàn)證和校準(zhǔn)的測(cè)試平臺(tái)。

圖1使用基于 XiLS 的虛擬車輛在各種場(chǎng)景中進(jìn)行車輛性能驗(yàn)證的概念

02   方   法    

在系統(tǒng)之間的合作和需求復(fù)雜性增加的情況下，虛擬開發(fā)是能夠克服物理驗(yàn)證和優(yōu)化限制的有效替代方案之一。在虛擬開發(fā)環(huán)境中，為車輛及其系統(tǒng)建立被控對(duì)象模型并確保其保真度至關(guān)重要。但是，此過(guò)程需要付出巨大的努力。特別是對(duì)于新組件或系統(tǒng)，僅基于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)而沒有物理驗(yàn)證數(shù)據(jù)獲得高保真被控對(duì)象模型可能具有挑戰(zhàn)性。由于這些限制，在車輛開發(fā)過(guò)程中，有必要使用可用的物理組件或系統(tǒng)進(jìn)行車輛性能開發(fā)。此外，即使擁有可靠的系統(tǒng)和被控對(duì)象模型，在制造過(guò)程的后期階段，最終產(chǎn)品的物理性能驗(yàn)證至關(guān)重要。因此，虛擬開發(fā)通過(guò)在測(cè)試車輛制造之前開發(fā)車輛來(lái)確保開發(fā)期，從而幫助提高產(chǎn)品完整性和盈利能力。本研究旨在在原型測(cè)試車制造之前，在上述系統(tǒng)模型的限制下開發(fā)車輛的熱管理性能。

在本研究中，由于評(píng)估了新的熱系統(tǒng)，并且其模型沒有經(jīng)過(guò)充分的驗(yàn)證，因此被測(cè)系統(tǒng)包含實(shí)際硬件。相比之下，對(duì)于車輛的所有其他組件，它是使用模型和軟件配置的。

基于 XiLS 建立 TMS 測(cè)試環(huán)境

在本節(jié)中，介紹了熱能系統(tǒng)評(píng)估和開發(fā)的環(huán)境設(shè)置。鑒于該領(lǐng)域的現(xiàn)有限制，通過(guò)有效利用虛擬資源和物理組件來(lái)建立全面的開發(fā)環(huán)境。圖 2 描述了本研究的 XiLS 環(huán)境的概念配置，表 1 顯示了整個(gè)集成工作的方法和解決方案。

圖2XiLS 評(píng)估環(huán)境的概念配置表1各子系統(tǒng)的集成方法和解決方案

關(guān)于通信環(huán)境設(shè)置，將物理組件與分析模型相結(jié)合，以確保對(duì)熱系統(tǒng)進(jìn)行全面評(píng)估。建立了CAN網(wǎng)絡(luò)用于系統(tǒng)和模型之間的通信。所有組件和設(shè)施的測(cè)量信號(hào)和控制信號(hào)都通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸。通信遵循并模擬了實(shí)際車輛的CAN通信協(xié)議，以便后續(xù)的無(wú)縫集成工作。通信原理圖見圖3。

圖3物理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的通信示意圖車輛模型的集成：使用真實(shí)車輛測(cè)試數(shù)據(jù)和 PE、電池系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)艙的單個(gè)組件性能數(shù)據(jù)構(gòu)建了適合車輛性能的 GT-Suite 模型。這些模型是使用 Virtual Vehicle 公司的 ICOS 標(biāo)準(zhǔn) （Independent Co-Simulation platform） 集成的。對(duì)于這種集成，必須考慮模型和物理組件之間物理量的準(zhǔn)確和適當(dāng)?shù)慕涌诙x。控制器的集成：為了驗(yàn)證所有用例，應(yīng)考慮評(píng)估車輛和熱系統(tǒng)控制策略。為了遵循真實(shí)的控制策略，使用硬件、軟件和模型以各種選項(xiàng)將所有控制單元集成到物理熱系統(tǒng)和車輛模型中。對(duì)于 VCU，SiLS（軟件在環(huán)仿真）中使用虛擬 VCU環(huán)境。虛擬 VCU 是用于嵌入到物理 VCU 的部署級(jí)軟件，但可以使用 Silver 軟件在 PC 平臺(tái)上執(zhí)行。它以 FMU（功能模型單元）的形式集成到 AVL 的 Model.ConNECT 軟件中，充當(dāng)整個(gè) XiLS 平臺(tái)的中央控制樞紐。

熱系統(tǒng)控制：使用 TMS 控制器和控制面板的物理組件，并通過(guò)物理 CAN 網(wǎng)絡(luò)連接到 HiLS 環(huán)境。

另一方面，VCU 上的 TMS 控制邏輯以模型的形式集成，從而能夠敏捷開發(fā)新策略。利用這種配置，可以快速評(píng)估來(lái)自熱系統(tǒng)新策略的新控制模型。

瞬態(tài)評(píng)估的設(shè)施開發(fā)

傳統(tǒng)的熱系統(tǒng)測(cè)試設(shè)施僅用于穩(wěn)態(tài)測(cè)試。對(duì)于真實(shí)車輛行為和條件的仿真，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行修改以支持動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。認(rèn)證駕駛模式使 PE 系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)熱量，浸泡車輛的機(jī)艙空調(diào)使空氣溫度和濕度發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。調(diào)節(jié)的結(jié)果也將在下一章中詳細(xì)描述。這些的實(shí)際設(shè)置如圖 4 所示。集成系統(tǒng)和數(shù)據(jù)集成的控制 為了確保所有硬件和軟件組件的無(wú)縫運(yùn)行，采用了 AVL 的 Model.ConNECT 軟件作為中央控制中心。不同元件之間的互連是根據(jù)我們的配置計(jì)劃執(zhí)行的。為了保持一致性和便于操作，所有控制功能和數(shù)據(jù)處理都在 Model.ConNECT 上配置。圖 5描述了 Model 上所有子系統(tǒng)的實(shí)際配置。

圖4使用調(diào)節(jié)器和模擬器設(shè)置熱系統(tǒng)硬件

圖5集成工具 （AVL Model.CONNECT） 中的詳細(xì)和實(shí)際配置

03  基于新方法論的TMS開發(fā)

在 XiLS 環(huán)境下開發(fā) TMS 評(píng)估方法

在建立物理系統(tǒng)、模型和控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)集成的基礎(chǔ)上，開發(fā)了 XiLS 虛擬車輛熱管理性能評(píng)價(jià)方法?？紤]到整合的難度和穩(wěn)定性，建立了系統(tǒng)化、循序漸進(jìn)的發(fā)展規(guī)劃。（表 2）

表2基于 XiLS 的熱系統(tǒng)評(píng)估的開發(fā)級(jí)別

1. 1 級(jí) - 在這個(gè)初始階段，傳統(tǒng)的系統(tǒng)評(píng)估是在靜態(tài)條件下進(jìn)行的，沒有與車輛狀況互聯(lián)。

2. 2 級(jí) - 隨著 HiLS 設(shè)備的引入，車輛模型和物理熱系統(tǒng)硬件實(shí)時(shí)集成，便于根據(jù)車輛的確切條件在系統(tǒng)操作點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估。最初，由于難以與控制器連接，因此對(duì)熱穩(wěn)定和最大運(yùn)行條件場(chǎng)景進(jìn)行評(píng)估。

3. 3 級(jí) - 涵蓋了機(jī)艙內(nèi)的熱瞬態(tài)條件。開發(fā)了用于 HVAC 進(jìn)氣空調(diào)的新型動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，以準(zhǔn)確復(fù)制空氣溫度和濕度條件的動(dòng)態(tài)。這些條件對(duì)應(yīng)于機(jī)艙冷卻性能測(cè)試，結(jié)果如圖 8 所示。對(duì)模型和物理組件之間傳遞的物理量進(jìn)行深入測(cè)量和分析，可以識(shí)別積分誤差、模型不準(zhǔn)確和建模缺陷，這些都在持續(xù)改進(jìn)中。

4. 4 級(jí) - 真實(shí) TMS 控制單元硬件和軟件級(jí)虛擬 VCU 與物理熱系統(tǒng)的集成，可以評(píng)估機(jī)艙加熱性能。與 3 級(jí)機(jī)艙冷卻測(cè)試不同，用于機(jī)艙加熱的熱泵系統(tǒng)需要系統(tǒng)控制邏輯，并受駕駛條件和駕駛控制邏輯的影響。

5. 5 級(jí) - 引入了瞬態(tài)駕駛條件，其中包括認(rèn)證駕駛循環(huán)、真實(shí)道路場(chǎng)景，甚至賽道條件。有關(guān)在認(rèn)證模式下進(jìn)行評(píng)估的詳細(xì)信息將在下一節(jié)中詳細(xì)說(shuō)明。

XiLS 環(huán)境下的組件冷卻和空調(diào)測(cè)試

本節(jié)將討論傳統(tǒng)的熱系統(tǒng)功能和性能測(cè)試，例如組件冷卻和空調(diào)。表 3 顯示了為驗(yàn)證組件冷卻功能而進(jìn)行的上坡駕駛測(cè)試的結(jié)果。除了電池系統(tǒng)的結(jié)果外，總體結(jié)果與實(shí)車測(cè)試結(jié)果吻合較好，我們可以找到這種方法的可行性。電池系統(tǒng)的不良結(jié)果可歸因于與真實(shí)車輛相比，SUT 中的電池冷卻制冷劑阻力更高，而這種差異是由制冷劑質(zhì)量流量測(cè)量?jī)x器引起的。

圖 6 顯示了機(jī)艙冷卻測(cè)試的結(jié)果，該測(cè)試從 60°C 和 45% 相對(duì)濕度的初始機(jī)艙空氣條件開始。（RH）進(jìn)出熱系統(tǒng)的空氣的物理量在真實(shí)車輛和系統(tǒng)測(cè)試之間表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性。當(dāng)然，需要更多的增強(qiáng)功能來(lái)提高保真度，目前正在努力提高保真度。

表3現(xiàn)代 IONIQ5 基于 XiLS 的 PE 散熱性能測(cè)試結(jié)果

圖6真實(shí)車輛和基于 XiLS 的系統(tǒng)與 IONIQ5 虛擬車輛的機(jī)艙冷卻測(cè)試模式測(cè)試結(jié)果比較

XiLS 環(huán)境下的 EV 續(xù)航里程和能效測(cè)試

本章介紹了如何創(chuàng)建 XiLS（X-in-theLoop Simulation） 評(píng)估環(huán)境，重點(diǎn)關(guān)注 EV 續(xù)航里程和能效性能，這是客戶的關(guān)鍵考慮因素。最初，先對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行了多周期測(cè)試 （MCT）評(píng)估，針對(duì)低溫條件（環(huán)境溫度 -7°C），已知這些條件可以展示熱能系統(tǒng)的影響。這些評(píng)估是在新的 EV 項(xiàng)目中進(jìn)行的。結(jié)果如圖7所示。

圖7基于XiLS的新項(xiàng)目-7°C下的EV MCT測(cè)試結(jié)果

XiLS EV 續(xù)航里程和能效評(píng)估環(huán)境建立在車輛模型的基礎(chǔ)上，有可能顯著減少實(shí)車測(cè)試期間動(dòng)力總成評(píng)估所需的時(shí)間。這可以提高評(píng)估時(shí)間的效率，促進(jìn)更多的優(yōu)化和校準(zhǔn)檢查。（見表4）

表4通過(guò) XiLS 環(huán)境提高 MCT 測(cè)試的效率

XiLS環(huán)境下的校準(zhǔn)

在XiLS環(huán)境中，我們通過(guò)分析物理系統(tǒng)與車輛被控對(duì)象之間的相互作用，探索了多種性能提升策略。為了驗(yàn)證新策略的有效性，我們?cè)诶錀l件MCT模式下進(jìn)行了連續(xù)的對(duì)比評(píng)估。提出的策略根據(jù)所需熱負(fù)荷與PE系統(tǒng)的熱回收情況調(diào)整冷卻電動(dòng)水泵（EWP）的運(yùn)行。這導(dǎo)致了EWP功耗的減少、由于較低的熱傳遞而降低的電機(jī)損耗，以及由于制冷劑壓力降低而在恒速行駛條件下壓縮機(jī)功耗的降低。（在50公里每小時(shí)行駛時(shí)，功耗減少150瓦，車輛能耗提高1.5%）。表5和圖8中呈現(xiàn)的連續(xù)測(cè)試對(duì)比評(píng)估結(jié)果顯示，與恒速初步評(píng)估結(jié)果相反，在綜合模式下性能下降了1.1%。在整個(gè)MCT階段，所提出的策略在動(dòng)力總成性能方面顯示出1.8%的改善，這與恒速初步評(píng)估結(jié)果高度一致。然而，需要特別注意的是，這一結(jié)果受到了長(zhǎng)時(shí)間恒速駕駛放電模式影響的顯著影響。對(duì)于瞬態(tài)駕駛，如每個(gè)循環(huán)在 10 分鐘熄火浸泡后，它會(huì)產(chǎn)生與穩(wěn)態(tài)駕駛不同的行為，因此應(yīng)針對(duì)各種駕駛條件進(jìn)行評(píng)估和校準(zhǔn)。考慮到在認(rèn)證模式測(cè)試中與熱 soak 相關(guān)的限制，XiLS評(píng)估環(huán)境預(yù)計(jì)將具有很高的有效性。表5XiLS 測(cè)試臺(tái)上 -7°C 下 EV MCT 模式的新控制策略測(cè)試結(jié)果

圖8在XiLS 測(cè)試臺(tái)上評(píng)估的 -7°C 下當(dāng)前控制邏輯和新控制邏輯之間每個(gè)周期的 MCT 效率比較

 04  結(jié)    論  

本研究的主要目標(biāo)是通過(guò)無(wú)縫集成物理熱系統(tǒng)、復(fù)雜的車輛模型和控制器，建立基于 XiLS 的虛擬開發(fā)環(huán)境。早期性能驗(yàn)證 通過(guò)新創(chuàng)建的虛擬開發(fā)環(huán)境，該研究成功地在傳統(tǒng)車輛測(cè)試協(xié)議下進(jìn)行了基本空調(diào)性能評(píng)估。這些評(píng)估的結(jié)果表明，即使沒有實(shí)車，也能進(jìn)行早期性能驗(yàn)證和改進(jìn)，從而確保更長(zhǎng)的開發(fā)期。此外，該研究還包括執(zhí)行認(rèn)證模式 EV 續(xù)航里程和能源效率評(píng)估。這些評(píng)估是所提出的方法適合響應(yīng)熱能控制技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵指標(biāo)。高效的開發(fā)過(guò)程與傳統(tǒng)的實(shí)車測(cè)試方法相比，基于 XiLS 的熱系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境表現(xiàn)出顯著的省時(shí)優(yōu)勢(shì)。這種效率提升促進(jìn)了敏捷的性能開發(fā)流程，與工業(yè)和客戶對(duì)快速產(chǎn)品開發(fā)周期的需求保持一致。 基于 XiLS 的新環(huán)境的一個(gè)顯著特點(diǎn)是它提供的深度分析。該平臺(tái)通過(guò)對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行高級(jí)測(cè)量和對(duì)模型內(nèi)內(nèi)部物理量的分析檢查，實(shí)現(xiàn)高級(jí)性能分析。復(fù)雜的分析能力為我們的熱能管理技術(shù)的進(jìn)步奠定了基礎(chǔ)。

  本期編輯|向立志    

               審      核|何藤升、王藝霖    

Lim, T., Baek, J., Dongmyeong, L., Jeon, J. et al., "XiLS (X in the Loop Simulation) based Thermal Management Development," SAE Technical Paper 2024-01-2272, 2024, https://doi.org/10.4271/2024-01-2272.

基于模型的汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化|AutoAero202439期

基于Simulink搭建應(yīng)用于HiL系統(tǒng)的熱管理模型|AutoAero202425期

基于系統(tǒng)仿真的電動(dòng)汽車熱管理|AutoAero202411期

增程電動(dòng)送貨車的電池選型及能量?jī)?yōu)化管理 | AutoAero202321期

一種應(yīng)用于不同汽車熱管理系統(tǒng)的整車能源消耗比較方法|AutoAero202247期

點(diǎn)擊圖片了解詳細(xì)信息

張英朝教授主編新書《汽車氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)》已正式出版，現(xiàn)面向AutoAero公眾號(hào)粉絲開通獲取方式：

點(diǎn)擊文末喜歡作者，贊賞超35元的粉絲即可獲贈(zèng)一本！后臺(tái)私信“汽車氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)”，即可備注地址，全國(guó)可發(fā)，感謝您的支持！

AutoAero是吉林大學(xué)張英朝教授團(tuán)隊(duì)建立的專業(yè)汽車空氣動(dòng)力學(xué)微信公眾號(hào)，致力于普及汽車空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，傳播汽車空氣動(dòng)力學(xué)。其所推廣內(nèi)容包括流體力學(xué)基本理論、汽車空氣動(dòng)力學(xué)以及熱管理和水管理等基礎(chǔ)知識(shí)、乘用車氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)、卡車氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)等多方面的內(nèi)容。歡迎感興趣的專業(yè)人士閱讀、關(guān)注、共享！      

同時(shí)歡迎對(duì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)感興趣的同學(xué)報(bào)考課題組的碩士、博士研究生，歡迎畢業(yè)博士到課題組進(jìn)行博士后工作！歡迎關(guān)注汽車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的企業(yè)聯(lián)系課題組！課題組郵箱:aerosae@jlu.edu.cn。

微信公眾號(hào)（點(diǎn)擊下方名片或長(zhǎng)按二維碼即可關(guān)注）

本文使用 文章同步助手 同步