插电式混合动力汽车热系统开发的联合仿真方法

汽车应用的热开发比过去复杂得多。具体来说，插电式混合动力汽车(phev)的所有子系统都是相互交织的，很难只把它们作为子系统进行分析。为了适当地调整组件的大小，需要一个系统级的解决方案。

对于早期的热开发，联合仿真方法可以确保我们考虑到汽车中所有热特性的相互依赖性。例如，大型PHEV电池可能需要制冷剂被动制冷，这也与室内加热、通风和空调(HVAC)冷却系统有关。为了使冷凝器、冷却器等的尺寸合适，必须把电池冷却和舱室冷却作为一个系统来考虑。插电式混合动力汽车上也有许多热执行器，如控制阀、脉宽模块(PWM)泵、电动压缩机、电动冷却液加热器等。

在产品开发的早期，智能控制和校准开发可能会显著影响前端冷却模块和其他热交换器的尺寸。硬件和软件的设计必须同时和同步，以设计一个适当优化的热系统。本文将阐述混合动力汽车的联合仿真方法，并给出一些仿真结果。

1. 介绍

在这一节中，我们将讨论对有效和改进的热系统设计的系统级联合仿真的需求。然后，我们将讨论联合仿真方法在集成不同子系统的热力系统中的应用。最后，利用不同工况下的车辆系统级试验数据对结果进行了验证。

1.1.通过联合仿真提高操作效率

车辆系统由发动机、传动系统、冷却系统、客舱舒适系统等多个子系统组成。插电式混合动力汽车(PHEV)各子系统的复杂性和相互依赖性要大得多。所有的子系统必须无缝地工作在一起，以确保车辆的有效运行。每个子系统也有它自己独立的控制系统，它决定它的个人最有效的操作。在整车开发过程中，需要将各个子系统进行集成，以了解和分析一个子系统对其他子系统的影响。

但是这些子系统的开发时间线并不是并行的。例如，一个新的动力系统的开发要比开发一个新的冷却系统花费更多的时间，而冷却系统的设计依赖于动力系统的开发。由于这些时间不匹配，可能出现的情况，最后一刻的设计改变将是必须实现车辆的功能目标。

为了在开发时间框架的早期理解和解决问题，虚拟分析是重要的。不同的团队使用不同的模拟工具设计不同的系统。要在虚拟环境中集成所有这些内容，一种方法是使用相同的工具开发所有内容。在像汽车这样复杂的行业，这几乎是不可能的。此外，如果一切都是统一的，就会失去许多领域特定的专业知识。另一种选择是联合模拟。

现有的联合模拟过程必须处理版本控制问题。当模拟工具升级其版本时，需要重写接口。管理和支持接口需要花费大量的人力。另一个潜在领域是通过硬件在环(HIL)将虚拟模型与硬件集成的能力。图1展示了一个虚拟集成平台中多个工具之间的交互协同仿真示例。在本工作中，FCA采用AVL模型。CONNECT作为虚拟集成平台。

图1 具有不同子系统的交互式系统仿真模型

1.2.热系统和子系统集成

热力系统有两个主要功能:加热和冷却。最佳热管理系统的目标是保持车辆动力系统和传动系统的流体温度在最佳范围内，即在最有效的状态。供热能力是在寒冷的环境条件下管理热力系统。该系统需要提供舱室舒适性，并迅速预热动力系统，以减少发动机和传动摩擦损失。车辆热管理的第二个功能是冷却。当环境炎热，车辆随拖车爬坡时，冷却系统消除发动机过热，避免沸腾、过热和流体温度波动，保护发动机不受损坏，延长车辆耐久性。

如图2所示的典型车辆热管理系统有以下三个目标:

o在高负载和高环境下的冷却能力。

o在寒冷环境下积极快速的预热，以获得最佳的动力系统效率。

o优化热控制，实现最佳空气阻力，防止发动机爆震，提高动力总成耐久性，并在正常驾驶条件下降低功耗。

图2 一种新型车辆热管理系统布局

2.车辆热管理系统仿真工具开发

2.1当前的建模方法

车辆热管理系统建模是一项复杂的工作，涉及到机械、液压、热力学、流体力学和传热学等方面的知识。表1总结了传统冷却系统设计向基于模型的新方法的转变。为了能够准确预测瞬态情况下的流体温度，模型应包括流体回路模型、发动机和传动系统热模型、两相客舱舒适性模型、前端冷却气流模型、车辆和传动系统模型以及控制逻辑模型。该模型还应该能够运行不同的驾驶周期，如燃料经济周期和真实世界的驾驶周期。变速器换挡计划和离合器控制逻辑也应该包括在模型中。图3显示了一个典型的车辆热管理模型系统。

整车开发经历了不同的阶段。在概念阶段，代理模型或不太详细的模型可用于系统布局、初步规模调整和定向设计目的。当有实际的设计和功能数据时，可以构建详细的模型，以提供更准确的结果。设计冻结生产意图后，相关模型可用于控制和校准开发。

基于过去的经验，半经验模型在汽车开发过程中具有更强的稳健性和更准确的结果。根据实际测试数据建立子系统模型。例如，冷却剂流动回路应与实际流动台架试验数据相关联。如果发动机和变速器存在，则应通过台架试验得到发动机的散热图和变速器效率图。

表1 车辆热管理设计趋势

图3 车辆热管理设计趋势

2.1.1.冷却系统模型

冷却系统包括冷却液回路、发动机油路、传动油路、前端冷却气流、换热器等流体回路。所有流体回路包括泵、阀门、管道、弯道和转换元件。这些流体回路模型将计算和预测不同驱动循环的流量。冷却液和油路模型应从CAD(计算机辅助设计)几何建模，流动台架试验可用于验证模型。前端冷却气流可以从计算流体力学(CFD)中得到，并应用于具有多维图的一维模型中。图4为CFD模拟得到的冷却气流矩阵的线性插值曲面图，可纳入一维模型进行气流计算。矩阵包括全范围的车辆速度和冷却风扇速度。

散热器、油冷却器和冷凝器等热交换器可以根据供应商提供的数据和几何形状建模。通常，供应商将提供台架测试或模拟的性能图。

图4 前端冷却气流表面（CFD）

2.1.2.动力系统热惯性模型

发动机热模型

为了捕捉发动机的瞬态热行为，需要建立热质量、热容、热流和流体流动的发动机热模型。燃烧热分布在金属、冷却剂和油中。发动机热模型涉及流体与金属之间的热对流和导热。发动机热模型必须根据发动机动态测试进行校准。该发动机热模型可以使用商业仿真工具建立。

热传输模型

同样，传动热模型涉及齿轮组和变矩器产生的热量。热量通过热对流和导热传递给热质和油。Scott所建立的模型已通过试验数据验证。与发动机模型一样，变速箱模型也可以使用商业工具构建。

供应商提供热模型

FCA正在整合性能、舒适性和燃油经济性方面的新技术，这些技术对整个热系统都有影响。但大多数信息不能用于室内建模和验证目的。由于专有信息共享规定，FCA以加密的形式或仅以DLL可执行文件的形式从供应商接收这些模型。所以通常需要定制的接口。到目前为止，FCA选择的工具是通过MATLAB Simulink进行集成。

2.1.3.车辆动力传动系统模型

热管理系统需要评估不同的驱动周期。应建立车辆传动系统模型，以能够模拟这些驾驶循环。传动系统模型包括多个功能组的不同子模型(例如换挡计划，离合器关系图，旋转损失和扭矩转换器关系图)。图5是一个典型的车辆传动系统模型，具有使用MATLAB Simulink或任何商业传动系统工具切换驱动周期的能力。

图5 车辆传动系统模型实例

2.1.4.热控制模型

在热管理系统中，为了解决真实的生活场景，一个真实的控制模型是很重要的。如图6所示，我们可以通过联合仿真策略将现有的控制软件(SW)与虚拟集成平台集成。在这里，这个例子说明了混合动力系统软件内部集成了ECM软件模块，作为混合动力PT软件的反馈提供商。这将模拟车辆的情况，其中控制SW将控制驱动器。在虚拟集成平台中使用该框架，可以在Loop (V-HIL)环境中创建虚拟硬件。虚拟集成平台中嵌入了所有必要的设备模型。

图6 控制与工厂模型的集成

2.1.5.制冷剂循环模型

需要两相模拟能力来模拟制冷剂回路和舱室冷却。气候控制系统严重影响着车辆的冷却系统设计和燃油经济性。模型一般在LMS AMESim中进行。

3.结果

为了证明虚拟集成框架的有效性，我们在Simulink中用现有的混合动力系统软件(SW)和GT SUITE中的工厂模型对一个车辆冷却液回路进行了仿真。在这种情况下，可以采取多种方法进行联合仿真。基于高效的用户界面和较好的数值稳定性，在商业联合仿真工具中开发了联合仿真框架。如图7所示，在给定的驱动条件下，冷却剂温度的变化会影响泵速。该框架可以用作V-HIL(虚拟硬件在环)测试设置，以测试软件能力、问题，并验证给定条件下的冷却系统规模。

图7 驱动泵冷却系统的联合仿真

4.总结

讨论了基于模型的设计和优化的要求。一个有效的联合仿真工具可以提高执行这种虚拟开发过程的效率。它有助于消除组织内部的重复工作，利用供应商的努力，从而提高虚拟产品开发的运行效率。

文章来源：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.