汽車應用的熱開發比過去複雜得多。具體來說，插電式混合動力汽車(phev)的所有子系統都是相互交織的，很難只把它們作為子系統進行分析。為了適當地調整元件的大小，需要一個系統級的解決方案。
對於早期的熱開發，聯合模擬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電池可能需要製冷劑被動製冷，這也與室內加熱、通風和空調(HVAC)冷卻系統有關。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來考慮。插電式混合動力汽車上也有許多熱執行器，如控制閥、脈寬模組(PWM)泵、電動壓縮機、電動冷卻液加熱器等。
在產品開發的早期，智慧控制和校準開發可能會顯著影響前端冷卻模組和其他熱交換器的尺寸。硬體和軟體的設計必須同時和同步，以設計一個適當最佳化的熱系統。本文將闡述混合動力汽車的聯合模擬方法，並給出一些模擬結果。
- 介紹
在這一節中，我們將討論對有效和改進的熱系統設計的系統級聯合模擬的需求。然後，我們將討論聯合模擬方法在整合不同子系統的熱力系統中的應用。最後，利用不同工況下的車輛系統級試驗資料對結果進行了驗證。
1.1.透過聯合模擬提高操作效率
車輛系統由發動機、傳動系統、冷卻系統、客艙舒適系統等多個子系統組成。插電式混合動力汽車(PHEV)各子系統的複雜性和相互依賴性要大得多。所有的子系統必須無縫地工作在一起，以確保車輛的有效執行。每個子系統也有它自己獨立的控制系統，它決定它的個人最有效的操作。在整車開發過程中，需要將各個子系統進行整合，以瞭解和分析一個子系統對其他子系統的影響。
但是這些子系統的開發時間線並不是並行的。例如，一個新的動力系統的開發要比開發一個新的冷卻系統花費更多的時間，而冷卻系統的設計依賴於動力系統的開發。由於這些時間不匹配，可能出現的情況，最後一刻的設計改變將是必須實現車輛的功能目標。
為了在開發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。要在虛擬環境中整合所有這些內容，一種方法是使用相同的工具開發所有內容。在像汽車這樣複雜的行業，這幾乎是不可能的。此外，如果一切都是統一的，就會失去許多領域特定的專業知識。另一種選擇是聯合模擬。
現有的聯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，需要重寫介面。管理和支援介面需要花費大量的人力。另一個潛在領域是透過硬體在環(HIL)將虛擬模型與硬體整合的能力。圖1展示了一個虛擬整合平臺中多個工具之間的互動協同模擬示例。在本工作中，FCA採用AVL模型。CONNECT作為虛擬整合平臺。
圖1 具有不同子系統的互動式系統模擬模型
1.2.熱系統和子系統整合
熱力系統有兩個主要功能:加熱和冷卻。最佳熱管理系統的目標是保持車輛動力系統和傳動系統的流體溫度在最佳範圍內，即在最有效的狀態。供熱能力是在寒冷的環境條件下管理熱力系統。該系統需要提供艙室舒適性，並迅速預熱動力系統，以減少發動機和傳動摩擦損失。車輛熱管理的第二個功能是冷卻。當環境炎熱，車輛隨拖車爬坡時，冷卻系統消除發動機過熱，避免沸騰、過熱和流體溫度波動，保護髮動機不受損壞，延長車輛耐久性。
如圖2所示的典型車輛熱管理系統有以下三個目標:
•在高負載和高環境下的冷卻能力。
•在寒冷環境下積極快速的預熱，以獲得最佳的動力系統效率。
•最佳化熱控制，實現最佳空氣阻力，防止發動機爆震，提高動力總成耐久性，並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佈局
2.車輛熱管理系統模擬工具開發
2.1當前的建模方法
車輛熱管理系統建模是一項複雜的工作，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總結了傳統冷卻系統設計向基於模型的新方法的轉變。為了能夠準確預測瞬態情況下的流體溫度，模型應包括流體迴路模型、發動機和傳動系統熱模型、兩相客艙舒適性模型、前端冷卻氣流模型、車輛和傳動系統模型以及控制邏輯模型。該模型還應該能夠執行不同的駕駛週期，如燃料經濟週期和真實世界的駕駛週期。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。
整車開發經歷了不同的階段。在概念階段，代理模型或不太詳細的模型可用於系統佈局、初步規模調整和定向設計目的。當有實際的設計和功能資料時，可以構建詳細的模型，以提供更準確的結果。設計凍結生產意圖後，相關模型可用於控制和校準開發。
基於過去的經驗，半經驗模型在汽車開發過程中具有更強的穩健性和更準確的結果。根據實際測試資料建立子系統模型。例如，冷卻劑流動迴路應與實際流動臺架試驗資料相關聯。如果發動機和變速器存在，則應透過臺架試驗得到發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.冷卻系統模型
冷卻系統包括冷卻液迴路、發動機油路、傳動油路、前端冷卻氣流、換熱器等流體迴路。所有流體迴路包括泵、閥門、管道、彎道和轉換元件。這些流體迴路模型將計算和預測不同驅動迴圈的流量。冷卻液和油路模型應從CAD(計算機輔助設計)幾何建模，流動臺架試驗可用於驗證模型。前端冷卻氣流可以從計算流體力學(CFD)中得到，並應用於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。矩陣包括全範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供應商提供的資料和幾何形狀建模。通常，供應商將提供臺架測試或模擬的效能圖。
圖4 前端冷卻氣流表面（CFD）
2.1.2.動力系統熱慣性模型
發動機熱模型
為了捕捉髮動機的瞬態熱行為，需要建立熱質量、熱容、熱流和流體流動的發動機熱模型。燃燒熱分佈在金屬、冷卻劑和油中。發動機熱模型涉及流體與金屬之間的熱對流和導熱。發動機熱模型必須根據發動機動態測試進行校準。該發動機熱模型可以使用商業模擬工具建立。
熱傳輸模型
同樣，傳動熱模型涉及齒輪組和變矩器產生的熱量。熱量透過熱對流和導熱傳遞給熱質和油。Scott所建立的模型已透過試驗資料驗證。與發動機模型一樣，變速箱模型也可以使用商業工具構建。
供應商提供熱模型
FCA正在整合性能、舒適性和燃油經濟性方面的新技術，這些技術對整個熱系統都有影響。但大多數資訊不能用於室內建模和驗證目的。由於專有資訊共享規定，FCA以加密的形式或僅以DLL可執行檔案的形式從供應商接收這些模型。所以通常需要定製的介面。到目前為止，FCA選擇的工具是透過MATLAB Simulink進行整合。
2.1.3.車輛動力傳動系統模型
熱管理系統需要評估不同的驅動週期。應建立車輛傳動系統模型，以能夠模擬這些駕駛迴圈。傳動系統模型包括多個功能組的不同子模型(例如換擋計劃，離合器關係圖，旋轉損失和扭矩轉換器關係圖)。圖5是一個典型的車輛傳動系統模型，具有使用MATLAB Simulink或任何商業傳動系統工具切換驅動週期的能力。
圖5 車輛傳動系統模型例項
2.1.4.熱控制模型
在熱管理系統中，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，我們可以透過聯合模擬策略將現有的控制軟體(SW)與虛擬整合平臺整合。在這裡，這個例子說明了混合動力系統軟體內部集成了ECM軟體模組，作為混合動力PT軟體的反饋提供商。這將模擬車輛的情況，其中控制SW將控制驅動器。在虛擬整合平臺中使用該框架，可以在Loop (V-HIL)環境中建立虛擬硬體。虛擬整合平臺中嵌入了所有必要的裝置模型。
圖6 控制與工廠模型的整合
2.1.5.製冷劑迴圈模型
需要兩相模擬能力來模擬製冷劑迴路和艙室冷卻。氣候控制系統嚴重影響著車輛的冷卻系統設計和燃油經濟性。模型一般在LMS AMESim中進行。
3.結果
為了證明虛擬整合框架的有效性，我們在Simulink中用現有的混合動力系統軟體(SW)和GT SUITE中的工廠模型對一個車輛冷卻液迴路進行了模擬。在這種情況下，可以採取多種方法進行聯合模擬。基於高效的使用者介面和較好的數值穩定性，在商業聯合模擬工具中開發了聯合模擬框架。如圖7所示，在給定的驅動條件下，冷卻劑溫度的變化會影響泵速。該框架可以用作V-HIL(虛擬硬體在環)測試設定，以測試軟體能力、問題，並驗證給定條件下的冷卻系統規模。
圖7 驅動泵冷卻系統的聯合模擬
4.總結
討論了基於模型的設計和最佳化的要求。一個有效的聯合模擬工具可以提高執行這種虛擬開發過程的效率。它有助於消除組織內部的重複工作，利用供應商的努力，從而提高虛擬產品開發的執行效率。
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.
