基于AMESim軟件的整車(chē)能量管理平臺(tái)搭建方法研究

于志強(qiáng) 宋敏 邸亮

（1.中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130011；2.長(zhǎng)春汽車(chē)工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校，長(zhǎng)春 130011）

主題詞：整車(chē)能量管理 仿真分析 熱傳遞 節(jié)能減排

1 前言

隨著排放和油耗法規(guī)的日益嚴(yán)苛、新能源汽車(chē)和智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的迅速發(fā)展，汽車(chē)制造商和供應(yīng)商越來(lái)越關(guān)注動(dòng)力總成的升級(jí)優(yōu)化、電子電氣的節(jié)能、輕量化/小型化技術(shù)的應(yīng)用以及混合動(dòng)力車(chē)型的開(kāi)發(fā)。如何全面了解車(chē)輛的能量消耗情況，如何確定哪些部件進(jìn)行優(yōu)化能最有效地節(jié)能以及如何評(píng)估改進(jìn)措施的節(jié)能潛力是亟待解決的問(wèn)題。在此背景下，整車(chē)能量管理平臺(tái)可以經(jīng)濟(jì)有效地找到滿(mǎn)足車(chē)輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放的設(shè)計(jì)方案。整車(chē)能量管理平臺(tái)是從系統(tǒng)集成和整車(chē)角度統(tǒng)籌動(dòng)力傳遞系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，控制和優(yōu)化能量的傳遞過(guò)程，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能、電能、熱能和液壓能的綜合管理以及整車(chē)能量流的分解，將車(chē)輛由可靠性設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄茉O(shè)計(jì)。

本文基于AMESim軟件，以某傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛為例，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和仿真相結(jié)合的方法搭建了兩級(jí)復(fù)雜程度的能量管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了NEDC綜合工況下的整車(chē)能量流分解，為相關(guān)的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用及驗(yàn)證提供依據(jù)。

2 整車(chē)能量管理平臺(tái)搭建

2.1 整車(chē)能量管理平臺(tái)Level 1

根據(jù)分級(jí)建模理念，整車(chē)能量管理平臺(tái)Level 1模型主要包括動(dòng)力傳遞系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，模型的輸入主要是臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和油溫變化的影響，該級(jí)別模型主要用于動(dòng)力總成的前期匹配分析及控制策略的開(kāi)發(fā)，如綜合工況的熱起動(dòng)分析、48V弱混合動(dòng)力系統(tǒng)虛擬驗(yàn)證、換擋策略?xún)?yōu)化等。

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

AMESim軟件中發(fā)動(dòng)機(jī)模型從簡(jiǎn)單到復(fù)雜可分為功能模型（table模型）、半物理模型（MVEM模型）和物理模型（CFM模型），仿真時(shí)間也逐漸變慢。暖機(jī)過(guò)程中冷卻液和潤(rùn)滑油的溫度變化對(duì)油耗有著顯著影響，因此所選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)模型不僅能夠計(jì)算扭矩、油耗、排放等，而且還要能夠計(jì)算燃燒熱傳遞到缸體、缸蓋和活塞的熱量、排氣溫度等。整車(chē)能量管理模型要完成NEDC綜合駕駛工況，仿真計(jì)算時(shí)間要快，綜合考慮采用功能級(jí)的table發(fā)動(dòng)機(jī)模型，模型輸入如表1所列。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)table模型輸入

發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式（怠速、恢復(fù)供油、最大轉(zhuǎn)速）和發(fā)動(dòng)機(jī)的需求扭矩，其中,怠速轉(zhuǎn)速和恢復(fù)供油轉(zhuǎn)速可作為冷卻液溫度的函數(shù)。

2.1.2 傳動(dòng)系模型

傳動(dòng)系模型包括奇數(shù)擋離合器、偶數(shù)擋離合器、變速器、主減速器和變速器控制單元（TCU）。

變速器的建模從能量傳遞的角度只考慮變速器速比和傳動(dòng)效率，不考慮軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和剛度。變速器的效率受變速器油溫的影響，變速器油溫是由變速器內(nèi)部生熱和變速器殼體與周?chē)h(huán)境的換熱以及變速器機(jī)油冷卻器共同決定的。為了反映變速器油溫對(duì)傳動(dòng)效率的影響，需要對(duì)變速器效率進(jìn)行修正，修正公式[1]為：

式中，η（T）為變速器油溫為T(mén)時(shí)的變速器效率；η（Tref）為變速器油溫為T(mén)ref（80℃）時(shí)的變速器效率；C為根據(jù)已知的40℃和80℃時(shí)的效率通過(guò)最小二乘法確定的系數(shù)。

變速器控制單元（TCU）根據(jù)車(chē)速信號(hào)和油門(mén)踏板信號(hào)來(lái)控制奇數(shù)擋離合器和偶數(shù)擋離合器的結(jié)合狀態(tài)以及變速器擋位切換。

2.1.3 車(chē)輛模型

車(chē)輛模型根據(jù)整車(chē)質(zhì)量、車(chē)輪慣量、滾阻系數(shù)、車(chē)速、路面坡度以及制動(dòng)力計(jì)算車(chē)輛行駛阻力[2]，模型的輸入為來(lái)自傳動(dòng)系的驅(qū)動(dòng)扭矩和駕駛員模型的制動(dòng)控制信號(hào)，輸出為車(chē)速、加速度和行駛距離。

2.1.4 駕駛員模型

駕駛員模型是通過(guò)對(duì)比實(shí)際車(chē)速與目標(biāo)車(chē)速來(lái)控制加速和制動(dòng)信號(hào)，通過(guò)PID控制，使實(shí)際車(chē)速跟隨定義的目標(biāo)車(chē)速。

首先計(jì)算實(shí)際車(chē)速與目標(biāo)車(chē)速的差值err：

式中，Vcont為目標(biāo)車(chē)速；Vreh為實(shí)際車(chē)速。

加速控制信號(hào)acc計(jì)算式為：

式中，G為車(chē)輛質(zhì)量；Pacc、Iacc、Aacc為加速控制的PID增益系數(shù)；t為時(shí)間。

制動(dòng)控制信號(hào)brak的計(jì)算式為：

式中，Pbr、Ibr、Abr為制動(dòng)控制的PID增益系數(shù)。

2.1.5 電氣系統(tǒng)模型

從能量傳遞的角度，電氣系統(tǒng)主要關(guān)注機(jī)械能經(jīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變成電能儲(chǔ)存于電池和作用于電氣負(fù)載的過(guò)程。電氣系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、電池和車(chē)輛工作時(shí)的用電負(fù)載，發(fā)電機(jī)模型的輸入為最大電流map和發(fā)電機(jī)效率，電池模型的輸入為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、開(kāi)路電壓和電池內(nèi)阻。

2.2 整車(chē)能量管理平臺(tái)Level 2

整車(chē)能量管理平臺(tái)Level 2是在Level 1的基礎(chǔ)上增加了整車(chē)熱管理系統(tǒng)，該平臺(tái)模型可以動(dòng)態(tài)地考察各子系統(tǒng)溫度的變化以及熱效應(yīng)對(duì)整車(chē)能量流的影響。熱管理系統(tǒng)由諸多部件和傳熱流體組成，廣義上整車(chē)熱管理系統(tǒng)是對(duì)所有車(chē)載熱源系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)進(jìn)行熱傳遞的綜合管理與優(yōu)化[3]，整車(chē)熱管理元件之間的相互作用如圖1所示，各部件和流體必須協(xié)調(diào)工作以滿(mǎn)足車(chē)輛散熱和溫度控制的要求。

整車(chē)能量管理平臺(tái)主要關(guān)注整車(chē)熱效應(yīng)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，其熱效應(yīng)模型主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)、機(jī)艙系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體熱模型等，可用于模擬暖機(jī)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和油溫的變化、子系統(tǒng)技術(shù)的評(píng)估、熱管理控制策略開(kāi)發(fā)等，如廢氣熱回收[4]、節(jié)溫器的開(kāi)啟、水泵啟?？刂啤⒎蛛x式水套、主動(dòng)格柵等[5]。

圖1 整車(chē)熱管理系統(tǒng)元件的相互作用示意

2.2.1 冷卻系統(tǒng)模型

根據(jù)應(yīng)用目的不同，冷卻系統(tǒng)模型分為功能模型、半物理模型和物理模型3個(gè)等級(jí)。本文采用半物理模型，模型包括水泵、節(jié)溫器、散熱器、風(fēng)扇等部件。該冷卻系統(tǒng)體現(xiàn)了主流發(fā)動(dòng)機(jī)的分體式水套結(jié)構(gòu)和集成式排氣歧管設(shè)計(jì)，使發(fā)動(dòng)機(jī)快速暖機(jī)以及讓空調(diào)系統(tǒng)更快制暖。同時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高轉(zhuǎn)速高負(fù)載工況時(shí)，集成式排氣歧管能夠高效降低排氣溫度，讓渦輪增壓器處于合適的工作溫度，不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴注更多的燃油來(lái)降低渦輪溫度，從而達(dá)到節(jié)能效果。

2.2.1.1 散熱器模型

散熱器外部流體（空氣）計(jì)算選用速度模式，利用CFD計(jì)算獲取通過(guò)散熱器的風(fēng)速，用map形式作為輸入，散熱器內(nèi)部流體計(jì)算采用水流試驗(yàn)結(jié)果以map的形式作為輸入。

2.2.1.2 其它部件模型

風(fēng)扇采用兩檔式風(fēng)扇，散熱器的風(fēng)速是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和車(chē)速共同作用的結(jié)果，采用CFD分析方法得到各工況下通過(guò)散熱器的風(fēng)速。水泵、節(jié)溫器、暖風(fēng)機(jī)芯、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油冷卻器、變速器機(jī)油冷卻器、冷卻水套等部件的輸入?yún)?shù)從供應(yīng)商處或試驗(yàn)獲得。

2.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)模型

潤(rùn)滑系統(tǒng)用于減小發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的摩擦，同時(shí)將熱量帶出機(jī)體。本文采用等效簡(jiǎn)化的方法搭建簡(jiǎn)單潤(rùn)滑系統(tǒng)模型，模型包括油泵、機(jī)油冷卻器、等效缸體油路、等效缸蓋油路、油箱等部件。各部件輸入?yún)?shù)來(lái)自供應(yīng)商或相關(guān)計(jì)算結(jié)果。

2.2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)熱模型

發(fā)動(dòng)機(jī)熱模型的輸入熱量來(lái)自燃料的燃燒釋放熱以及發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦產(chǎn)生的熱量，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熱模型被冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和機(jī)艙空氣將熱量帶走。本文采用等效的方法，根據(jù)部件之間的溫差對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)金屬機(jī)體進(jìn)行適當(dāng)質(zhì)量塊劃分。熱模型搭建需要提供金屬材質(zhì)特性（密度、比熱容和熱傳導(dǎo)率）和質(zhì)量塊的質(zhì)量。

金屬質(zhì)量塊之間的接觸熱傳導(dǎo)計(jì)算式為：

式中，T為質(zhì)量塊的溫度；dist為質(zhì)量塊溫度點(diǎn)與接觸面之間的距離；thcm為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；area為接觸面積；thres為接觸熱阻；下標(biāo)1、2代表接觸熱傳導(dǎo)的兩側(cè)金屬。

發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量塊的熱源除了燃料燃燒之外，還有一部分來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失，這部分摩擦損失產(chǎn)生的熱量計(jì)算式為：

式中，Q為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械摩擦產(chǎn)生的熱量；Tf為發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)艙模型

發(fā)動(dòng)機(jī)艙模型用于模擬機(jī)艙中的空氣與動(dòng)力總成部件表面之間的相互熱作用。從能量平衡的角度，機(jī)艙中空氣的流動(dòng)有助于動(dòng)力總成部件的冷卻。這部分模型只計(jì)算空氣和動(dòng)力總成之間的熱交換，不考慮機(jī)艙中空氣壓力的變化。除此之外，機(jī)艙中的空氣流動(dòng)是復(fù)雜的三維現(xiàn)象，但在模型中假設(shè)為一維均勻流體，以簡(jiǎn)單模擬機(jī)艙中空氣溫度對(duì)車(chē)速和散熱器狀態(tài)變化的合理響應(yīng)。

2.3 模型集成

在AMESim軟件中集成的整車(chē)能量管理平臺(tái)的Level1等級(jí)模型如圖2所示，圖3為集成后的整車(chē)能量管理平臺(tái)Level2等級(jí)模型。

3 模型標(biāo)定及整車(chē)能量流分解

3.1 整車(chē)能量管理平臺(tái)Level1模型驗(yàn)證及標(biāo)定

Level1模型各子系統(tǒng)輸入大部分為臺(tái)架測(cè)試結(jié)果，所以無(wú)需對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，只需對(duì)集成后的模型進(jìn)行標(biāo)定。整車(chē)標(biāo)定所需驗(yàn)證試驗(yàn)為NEDC工況熱起動(dòng)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗率、變速器擋位、車(chē)速等信號(hào)來(lái)標(biāo)定整車(chē)模型。標(biāo)定后的整車(chē)能量管理Level1模型相關(guān)參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

圖2 整車(chē)能量管理平臺(tái)Level 1

圖3 整車(chē)能量管理平臺(tái)Level 2

圖4 標(biāo)定后的Level1模型仿真和試驗(yàn)的對(duì)比情況

3.2 整車(chē)能量管理平臺(tái)Level 2模型驗(yàn)證及標(biāo)定

整車(chē)能量管理平臺(tái)Level 2模型中許多熱效應(yīng)相關(guān)子系統(tǒng)模型經(jīng)過(guò)了等效簡(jiǎn)化，所以需要對(duì)熱效應(yīng)相關(guān)子系統(tǒng)模型和集成后的整車(chē)模型進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定過(guò)程中首先標(biāo)定熱效應(yīng)子系統(tǒng)的壓降-流量特性，然后標(biāo)定子系統(tǒng)的局部換熱特性，最后標(biāo)定整車(chē)的換熱特性。

3.2.1 子系統(tǒng)壓降-流量特性標(biāo)定

根據(jù)標(biāo)定流程的不同階段設(shè)計(jì)相關(guān)的驗(yàn)證試驗(yàn)，如冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)的壓降流量特性標(biāo)定需要設(shè)計(jì)流量特性試驗(yàn)或以相關(guān)計(jì)算結(jié)果為依據(jù)。圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為750 r/min、1 000 r/min、1 200 r/min……5 500 r/min時(shí)，標(biāo)定后的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)各部件仿真和試驗(yàn)壓降-流量特性對(duì)比結(jié)果。

圖5 標(biāo)定后的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)各部件仿真和試驗(yàn)壓降與流量特性對(duì)比結(jié)果

3.2.2 整車(chē)換熱特性標(biāo)定

對(duì)于換熱特性的標(biāo)定，需要根據(jù)模型架構(gòu)來(lái)布置傳感器獲取相關(guān)驗(yàn)證參數(shù)，通過(guò)調(diào)整對(duì)流交換系數(shù)、接觸熱阻、努塞爾特系數(shù)等來(lái)標(biāo)定子系統(tǒng)和整車(chē)的熱交換特性，以模擬暖機(jī)工況的水溫和油溫的變化，圖6為NEDC工況下發(fā)動(dòng)機(jī)水溫/油溫仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

圖6 NEDC工況發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫/油溫仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.3 整車(chē)能量流分解

搭建能量管理平臺(tái)最主要的目的之一是通過(guò)整車(chē)能量流的分解來(lái)分析車(chē)輛子系統(tǒng)之間的相互影響，如從燃油燃燒產(chǎn)生的能量傳遞到車(chē)輪、水泵、油泵、摩擦損失、廢氣、電氣負(fù)載等能量分解。

AMESim軟件中內(nèi)置的Flow Chart工具可通過(guò)后處理實(shí)現(xiàn)整車(chē)能量流的分解，圖7為車(chē)型的能量流分解結(jié)果，其中，矩形框內(nèi)數(shù)值表示能量傳遞值與總?cè)加湍芰康谋戎?；橢圓形代表儲(chǔ)能元件，其數(shù)值代表從NEDC工況開(kāi)始到結(jié)束時(shí)儲(chǔ)能元件儲(chǔ)存的能量與總?cè)加湍芰康谋戎?。從圖7可看出，在整個(gè)NEDC循環(huán)工況下，燃油能量的26%轉(zhuǎn)換成發(fā)動(dòng)機(jī)的有效輸出扭矩，燃油總能量的11.3%用于驅(qū)動(dòng)車(chē)輛；通過(guò)廢氣帶走的能量占燃油總能量的42%，發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失占燃油總能量的4%,燃油總能量的27%以熱量的形式傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)金屬機(jī)體；整個(gè)工況結(jié)束時(shí)，加熱發(fā)動(dòng)機(jī)金屬機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的熱量所占燃油總能量的比值分別為12.7%、7.5%和4.4%；驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)、油泵和水泵的能量占燃油總能量的比值分別為7.3%、0.11%和0.4%，其余部件之間的能量傳遞值均可在能量流分解圖中讀出。

圖7 傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛的整車(chē)能量傳遞路徑

4 結(jié)束語(yǔ)

整車(chē)能量管理平臺(tái)是當(dāng)前形勢(shì)下實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的重要工具，本文以某傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)型為例介紹了利用AMESim軟件搭建和標(biāo)定整車(chē)能量管理平臺(tái)的完整流程，并通過(guò)Flow Chart后處理工具直觀的展示了在整個(gè)NEDC工況下的整車(chē)能量流的傳遞。整車(chē)能量管理平臺(tái)進(jìn)一步的應(yīng)用將體現(xiàn)在整車(chē)及系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化升級(jí)、節(jié)能前瞻技術(shù)的虛擬及實(shí)車(chē)驗(yàn)證、對(duì)標(biāo)車(chē)型的能量流對(duì)標(biāo)等方面。