發(fā)動機在環(huán)（EIL）仿真的應用和進展綜述*

汪曉偉 凌 健 閆 峰

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津 300300）

引言

硬件在環(huán)（hardware-in-the-loop，HIL）仿真是指通過將某些子系統(tǒng)的實際物理硬件嵌入到其余虛擬子系統(tǒng)實現閉環(huán)仿真來模擬系統(tǒng)[1]。HIL 仿真如今已成為航空航天、汽車、船舶和國防工業(yè)不可或缺的一部分。它在動力總成控制器、汽車安全系統(tǒng)、無人水下航行器和防御系統(tǒng)等領域的開發(fā)中發(fā)揮著關鍵作用[2]。

對于汽車行業(yè)，傳統(tǒng)的HIL 仿真通常指只有控制單元是物理硬件，發(fā)動機、動力傳動系統(tǒng)及整車等都以模型的方式通過適當的接口跟控制單元進行交互[3]。這種HIL 仿真已被廣泛應用于發(fā)動機和變速箱電控系統(tǒng)設計、功能標定與驗證、汽車制動系統(tǒng)和車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)開發(fā)等，大大降低了對原型車的依賴，節(jié)省了開發(fā)時間，縮短了開發(fā)周期[4-5]。

盡管HIL 仿真已被證明在預測和優(yōu)化傳統(tǒng)汽車和混合動力汽車的動力性和燃油經濟性方面是有效的，但是，準確預測發(fā)動機的瞬態(tài)排放（特別是碳煙排放）仍然是一種挑戰(zhàn)[6]。尤其是在現在的環(huán)保監(jiān)管越來越關注整車和實際道路排放的背景下，如何在發(fā)動機開發(fā)過程中結合整車和實際道路的參數輸入來進行開發(fā)越來越受到關注和重視。在這種情況下，發(fā)動機在環(huán)（engine-in-the-loop，EIL）仿真逐漸被廣大開發(fā)者所接受。

EIL 仿真可以認為是HIL 仿真的一種特殊型式。只不過對于EIL 仿真，實際物理硬件為發(fā)動機（或動力總成）及其控制器（engine control unit，ECU），而虛擬子系統(tǒng)為整車及駕駛員。EIL 仿真即是將實際的發(fā)動機（或動力總成）及其ECU 安裝在測功機上，在實驗室臺架環(huán)境中跟虛擬的整車和駕駛員模型耦合進行開發(fā)的方式。對于EIL 仿真，由于發(fā)動機（或動力總成）是實際的物理硬件，無需對發(fā)動機進行建模，從而能更精確、更真實地開展對發(fā)動機瞬態(tài)工況下的排放和燃油經濟性進行評估[7]。

本文分析了國內外EIL 仿真在汽車開發(fā)和測試領域的發(fā)展現狀以及研究中出現的主要問題，并對將來的研究方向進行了展望。

1 EIL 仿真的系統(tǒng)架構

EIL 系統(tǒng)主要由測功機及其附屬系統(tǒng)（如油耗儀、排放儀等）、實際的發(fā)動機或動力總成系統(tǒng)、車輛動力學模型、駕駛員模型以及實時仿真平臺等組成。

密歇根大學的Filipi 等人[8]基于SIMULINK 實時仿真平臺構建了混合動力汽車的EIL 仿真平臺，如圖1 所示。通過SIMULINK 對駕駛員、傳動系統(tǒng)、混合動力部件及其控制器、車輛動力學等進行建模，基于這些模型，實時與發(fā)動機并行運行，模擬車輛行駛，并向虛擬駕駛員和測功機控制器提供反饋。發(fā)動機與測功機及其控制器耦合，使其性能完全取決于駕駛員提供的信號和來自虛擬車輛的響應。對于混合動力汽車，發(fā)動機命令來自于動力管理模塊而不是直接來自于駕駛員。因此，該EIL 仿真可實時同時模擬所需的車輛、動力傳動系統(tǒng)和駕駛員。

圖1 基于SIMULINK 的EIL 仿真平臺

A&D 公司的Jiang 等人[9]基于一臺2.4 L 的四缸汽油機和265 kW 的電力測功機所搭建的EIL 仿真平臺如圖2 所示。整車和駕駛員模型以及測功機和加速踏板的控制通過一臺ADX 實時控制器運行。ADX 控制器讀取轉速和轉矩值，通過整車和駕駛員模型計算后輸出給測功機，同時輸出加速踏板命令給相應的踏板執(zhí)行器。通過虛擬系統(tǒng)（包括駕駛員模型、整車模型、測功機和加速踏板的控制邏輯等）和實際硬件（包括發(fā)動機和ECU、測功機、轉速和轉矩傳感器、加速踏板執(zhí)行器等）的耦合，在發(fā)動機臺架上實現了對整車的模擬。

Bosch 公司的Gerstenberg 等人[10]利用AVL In－Motion 建立了整車及傳動系統(tǒng)模型、交通狀況模型等。測功機通過實時接口跟AVL PUMA 測試臺架通訊。如圖3 所示。該EIL 仿真平臺能在發(fā)動機臺架上模擬實際的道路情況，確保在不同的道路和交通條件下發(fā)動機排放測量的可重復性，有利于進行實際駕駛排放（real driving emission，RDE）的研究和標定。

圖2 基于ADX 的EIL 仿真平臺

圖3 基于AVL InMotion 的EIL 仿真平臺

中國汽車技術研究中心有限公司的張宏超等人[11-12]建立了基于dSPACE 的EIL 仿真平臺，該系統(tǒng)主要由dSPACE 實時運算單元、車輛動力學模型、AVL 測功機、發(fā)動機和油耗儀等組成。車輛動力學模型根據車輛的設計參數進行參數配置，實現對車輛的精確仿真。dSAPCE 實時仿真硬件平臺是模型的計算載體，運行模型根據輸入（包括來自測功機的信號）信號輸出與現實時間同步的整車信號計算結果，并由測功機將計算結果動態(tài)地施加在發(fā)動機上。發(fā)動機ECU 根據轉速和由dSPACE 控制的加速踏板等信號對測試機加載負荷做出響應，高精度地模擬其在實車上的運行工況。測功機測量發(fā)動機瞬態(tài)響應并發(fā)回給dSPACE 實時仿真硬件，作為整車模型的輸入參數，參與下一個計算步長的整車動力學模型計算。

亞琛工業(yè)大學的Klein 等人[13-14]通過dSPACE 構建了針對48V 微混合動力汽車的EIL 仿真平臺，如圖4 所示。整車模型等通過dSPACE SCALEXIO HIL模擬系統(tǒng)構建，并通過以太網跟臺架測試系統(tǒng)進行通訊?？勺兊鸟{駛循環(huán)生成可變的加速踏板信號，再將該踏板信號輸入到測功機控制系統(tǒng)，產生有效的發(fā)動機轉矩。該發(fā)動機實際轉矩由轉矩法蘭測量并反饋到實時協(xié)同仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于發(fā)動機轉矩計算得到的發(fā)動機轉速。同時，測功機控制系統(tǒng)將發(fā)動機轉矩設定值發(fā)送到電動機的逆變器，根據協(xié)同仿真的設定值來控制電動機速度。由于電動機速度控制器的性能對整個控制回路和控制結果具有很大影響，因此必須遵循換擋期間的高瞬態(tài)速度梯度。同時，必須補償電動機的慣性以實現真實的閉環(huán)結果。

康明斯公司的Andreae 等人[15-16]提出了基于動力總成的EIL 仿真平臺進行混合動力重型汽車的油耗和排放評估。平臺的系統(tǒng)架構如圖5 所示。與常規(guī)的EIL 仿真不同的是，發(fā)動機和變速箱均作為實際物理硬件。更多的實際部件能更真實地反映混合動力總成的油耗、排放和耐久性等性能，但也增加了測試系統(tǒng)的復雜性。

圖4 基于dSPACE 的EIL 仿真平臺

圖5 基于動力總成的EIL 仿真平臺

2 國內外EIL 仿真的研究現狀

EIL 仿真的可行性已得到了廣泛的驗證。

Jiang 等人在其搭建的EIL 仿真平臺上測試了10～15 個循環(huán)，發(fā)現該測試平臺能實時反映車輛動力學特性，可用于瞬態(tài)運行模式下的動力總成控制開發(fā)[9]。

Gerstenberg 等人使用其所開發(fā)的EIL 支持輕型汽車的RDE 標定。這種方法能在項目開發(fā)早期對整車的RDE 性能進行預測，并評估變速箱和發(fā)動機控制策略的改變對整個系統(tǒng)的影響，從而大大減少項目周期并大幅減小對原型車的依賴[10]。

張宏超等人利用其建立的EIL 仿真平臺進行整車油耗測試。測試結果表明，EIL 測試環(huán)境下得到的城市循環(huán)油耗與純軟件仿真環(huán)境下的計算結果有不小的差異，差異主要集中城市循環(huán)工況。產生差異的主要原因是城市循環(huán)中包含大量的發(fā)動機怠速、車輛起停、加減速等瞬態(tài)工況。在純軟件仿真環(huán)境下，發(fā)動機模型不能對上述瞬態(tài)工況做出精確的仿真，造成仿真結果失真。在EIL 仿真環(huán)境下，基于臺架的發(fā)動機對于變工況的反應與真實道路情況非常接近，用瞬時油耗儀記錄實際油耗，可以得到更為準確的整車綜合油耗[11]。

此外，張宏超等人將其所開發(fā)的EIL 仿真運用在優(yōu)化車輛傳動系統(tǒng)的開發(fā)過程。他們基于EIL 仿真平臺，分別建立動力性和燃油經濟性的試驗路況，對動力總成的不同匹配方案進行半物理的汽車性能試驗，通過對試驗結果的分析確定出最佳的動力總成匹配方案，從而在不延長動力總成開發(fā)周期的前提下，完成了其開發(fā)后期測試環(huán)節(jié)，保證了動力總成匹配的合理性[12]。

Klein 等人對比了使用EIL 仿真以及實際整車的測試結果。發(fā)現EIL 的仿真結果很大程度上依賴于整車模型的精度，而整車建模的精確參數主要掌握在車輛生產企業(yè)而非發(fā)動機生產企業(yè)。盡管如此，EIL 仿真的靈活性能縮短整個開發(fā)周期。比如，在整車配置和選型過程中，可通過EIL 仿真來了解不同變速箱速比和整車質量對整車性能的影響。通過對EIL 和實際整車行駛的結果對比表明，發(fā)動機轉速幾乎沒有差別，發(fā)動機轉矩和換擋時間也具有很好的同步性，但在換擋過程中，轉矩變化有一些不同[13-14]。

密歇根大學的Guse 等人[17]認為EIL 仿真的結果能對應實際整車測試的結果。他們分別通過EIL 仿真和整車轉轂測量了整車在全球統(tǒng)一輕型車測試循環(huán)（WLTC）下的排放，在整車轉轂上使用實際的駕駛員，而在EIL 仿真中使用駕駛員模型。結果發(fā)現，EIL仿真所獲得的CO2排放和加速踏板動作與整車轉轂具有高度的一致性。但是，EIL 仿真所獲得的PN（顆粒物數量）排放比整車轉轂高。他們認為EIL 仿真具有高度的重復性，可滿足標定的精度要求?；诖?，Guse 等人[18]研究了更改變速箱控制器（TCU）的控制策略對油耗和排放的影響。

在經過廣泛驗證的基礎上，EIL 仿真被越來越多地應用在整車開發(fā)過程中。

Vijayagopal 等人[19]使用EIL 評估了在常規(guī)汽油車上使用熱電發(fā)電機的節(jié)油潛力。結果發(fā)現，在US06循環(huán)下使用熱電發(fā)電機，能帶來約1%的節(jié)油效果。

隨著混合動力汽車得到越來越多的關注，EIL 仿真更多地應用在混合動力汽車的開發(fā)過程中。

Filipi 等人所建立的混合動力汽車EIL 仿真平臺是通過實際的V8 柴油機和虛擬的車輛建立的，利用此EIL 仿真平臺評估了市區(qū)工況下柴油機的瞬態(tài)排放。他們發(fā)現，混合動力汽車的能量管理不能僅僅考慮經濟性和穩(wěn)態(tài)排放，更應該考慮瞬態(tài)排放。通過EIL 可以很方便地分析和標定瞬態(tài)排放，從而為進一步設計發(fā)動機級（如多次噴射）或車輛級（如最優(yōu)能量管理下的排放控制）的策略提供了基礎[8]。

維也納科技大學的Teiner 等人[20]利用EIL 仿真評估了并聯柴油混合動力總成NOx排放和油耗的降低潛力。相比于傳統(tǒng)柴油機，集成起動機-交流發(fā)電機輕度混合動力總成能使NOx排放降低28%左右，油耗降低8%左右。使用單離合器并聯微混合及全混合動力總成時，NOx的降低幅度達到35%，油耗降低了15%。

Argonne 國家實驗室的Shidore 等人[21]使用EIL仿真對功率分流式的插電式混合動力汽車使用乙醇汽油的效果進行了評估。結果表明，對于常規(guī)汽車，使用乙醇汽油后，隨著乙醇汽油中乙醇含量的增加，燃油經濟性降低。而在混合動力模式下，由于乙醇汽油具有更好的防爆震特性，因此在發(fā)動機負荷較高的情況下（比如電量保持模式下，發(fā)動機除了驅動汽車之外，還同時給電池充電），發(fā)動機具有較高的燃燒效率，從而彌補了乙醇汽油能量密度低的缺點。

此外，Shidore 等人[22]通過EIL 仿真對串聯式混合動力系統(tǒng)進行測試，并確定影響油耗的主要因素，隨后通過純仿真探索油耗優(yōu)化策略，最后又回到EIL仿真，在考慮排放的情況下，對油耗的優(yōu)化策略進行驗證，從而縮短了開發(fā)周期。

Kim 等人[23]利用EIL 仿真對功率分流式的插電式混合動力汽車的能量管理策略進行了驗證，發(fā)現新開發(fā)的能量管理策略能提高約12%的燃油經濟性。

Klein 等人[24]應用EIL 仿真評估了使用48V 微混合動力系統(tǒng)帶來的燃油經濟性收益。通過EIL 進行了多次WLTC 和RDE 測試，發(fā)現使用48V 微混合動力系統(tǒng)后，THC 和NOx排放變化很小，但顆粒排放降低了38%（WLTC）和40%（RDE），油耗降低了3.8%（WLTC）和3.2%（RDE）。

Planer 等人[25]通過純虛擬仿真對混合動力系統(tǒng)的控制策略進行了優(yōu)化，然后基于EIL 仿真平臺，對優(yōu)化后的控制策略的有效性進行了驗證。發(fā)現對于NEDC 循環(huán)的油耗，純虛擬仿真結果和EIL 仿真結果具有較高的一致性。

除了將EIL 仿真應用在產品開發(fā)領域，歐美等發(fā)達國家的環(huán)保部門正在研究如何使用EIL 仿真制定混合動力重型汽車的測試法規(guī)。

Andreae 等人一直致力于為美國環(huán)保局（EPA）開發(fā)基于發(fā)動機臺架的測試和評價方法[16]。他們定義了重型車混合動力總成評估的測試步驟，允許將一個動力系統(tǒng)運用于多個車輛，并確保以高保真和可重復的方式來評估動力系統(tǒng)的性能。通過對變速器輸出端的測試要求的定義，所提出的測試步驟允許使用自動和手自一體變速箱及混合動力系統(tǒng)或其他先進動力系統(tǒng)技術對動力系統(tǒng)進行一致性評估。

事實上，除了美國EPA 在通過EIL 仿真進行一系列應用于法規(guī)認證的測試方法的開發(fā)外，聯合國歐洲經濟委員會（ECE）于2015 年發(fā)布了針對混合動力重型汽車的排放測試規(guī)程的提議稿[26]。在這份文件中，除了提議采用基于日本法規(guī)的HIL 仿真方法外，也提議采用基于混合動力總成的EIL 仿真方法。該EIL 仿真方法需要將混合動力總成的所有零部件都作為實際物理硬件，從而直接進行排放測量。

3 結論與展望

1）HIL 仿真在汽車領域已得到廣泛的應用和認可。作為HIL 仿真的一種特殊型式，EIL 仿真逐漸成為研究的重點。

2）EIL 仿真系統(tǒng)的實際物理硬件為發(fā)動機（或動力總成）及其控制器，虛擬子系統(tǒng)為整車和駕駛員模型等。實際物理硬件和虛擬子系統(tǒng)通過不同的實時仿真系統(tǒng)耦合在一起。EIL 仿真適用于對發(fā)動機瞬態(tài)工況下的排放和燃油經濟性進行評估。眾多的研究結果表明，EIL 仿真測試結果具備開發(fā)級別的精度。

3）EIL 仿真系統(tǒng)越來越多地應用于混合動力汽車，特別是混合動力重型汽車的開發(fā)中。歐美等發(fā)達國家已著手制訂基于EIL 的混合動力重型汽車的排放和油耗法規(guī)。在國內，尚未有研究機構針對這種評價方法進行研究。因此，在未來的研究工作或法規(guī)制訂過程中，應針對基于EIL 的方法展開細致的研究。