基于虛擬標定技術(shù)的混合動力汽車排放研究

祝遵祥 張文韜 韓令海 周天鵬 徐寧寧 閆濤

（1. 中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春130013；2. 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：硬件在環(huán) 排放模型 虛擬標定 排放DoE

1 前言

排放及油耗法規(guī)日趨加嚴，電控系統(tǒng)日益復雜化、精益化，使發(fā)動機及整車的標定工作量顯著增加，標定工作時序鏈不斷延長，試驗成本大幅提高。為了應對這一挑戰(zhàn)，發(fā)展基于模型的虛擬標定技術(shù)有助于縮短汽車產(chǎn)品開發(fā)時間，并能節(jié)約試驗開發(fā)成本。國際上日本、歐洲、美國等知名車企，均有成功應用虛擬試驗技術(shù)的案例，國際知名汽車技術(shù)廠商如：AVL、FEV、ETAS、IAV 等公司都有各自的虛擬測試方案。對于傳統(tǒng)乘用車標定來說，排放標定占據(jù)了整個標定開發(fā)周期一半以上的時間。通過排放建模手段提前進行排放優(yōu)化標定，對于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期具有重大意義。此次研究是基于數(shù)學模型與物理模型相結(jié)合的方法搭建整車排放模型，進行排放物預測與優(yōu)化標定。

2 排放DoE試驗建模方法

2.1 排放建?；驹?/h3>

本研究采用排放建模的基本原理如下：首先通過發(fā)動機臺架穩(wěn)態(tài)排放數(shù)據(jù)，采用空間填充DoE建模及高斯算法，建立發(fā)動機排放模型。然后以發(fā)動機排放模型為基礎，在硬件在環(huán)仿真平臺上搭建整車排放模型，計算車輛在道路循環(huán)工況的排放。

也有研究利用動態(tài)排放數(shù)據(jù)進行建模，研究不同參數(shù)的動態(tài)排放值，對循環(huán)工況進行修正，搭建動態(tài)瞬態(tài)排放計算模型，從而進一步提高整車排放循環(huán)的準確性，如圖1所示。

圖1 動態(tài)工況排放測量[8]

2.2 排放試驗工況DoE設計方法

利用發(fā)動機臺架穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進行建模，需要考慮影響發(fā)動機排放的各項電控參數(shù)，如：發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機負荷、排氣溫度、空燃比、軌壓、噴油時刻、噴油次數(shù)、噴油比例和發(fā)動機出水溫度。把這些變量的實際運行范圍通過空間填充的設計方法進行均勻分布，生成發(fā)動機臺架測試工況點，在實際發(fā)動機臺架上進行測試。變量的范圍要覆蓋到整車實際使用工況，測量工況點分布如圖2所示。

圖2 排放試驗工況DoE設計

2.3 發(fā)動機原始排放建模方法

利用MATLAB 軟件，以發(fā)動機臺架測試的DoE工況點的排放數(shù)據(jù)為基礎，通過高斯算法，建立排放污染物與發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷、出水溫度、空燃比、軌壓、噴油時刻、噴油比例等相關(guān)參數(shù)的數(shù)學模型。每種污染物在硬件在環(huán)系統(tǒng)中要分別實時計算。

3 車輛模型架構(gòu)及關(guān)鍵物理模型

以一款1.5 L 四缸增壓直噴的汽油機+DHT 雙電機混動整車為研究對象。整車模型包括發(fā)動機及熱管理模型、傳動系統(tǒng)模型、混動系統(tǒng)模型、控制器模型、整車模型、駕駛員模型及環(huán)境模型等，模型架構(gòu)如圖3所示。

圖3 整車模型架構(gòu)

3.1 發(fā)動機模型及精度驗證

首先搭建發(fā)動機一維模型，如圖4 所示。利用外特性工況點及15 個部分負荷工況點的試驗數(shù)據(jù)對模型進行校準。發(fā)動機燃燒采用的是燃燒預測模型。發(fā)動機氣路模型及燃燒模型的關(guān)鍵參數(shù)滿足精度要求后，對一維發(fā)動機模型進行實時化，既要滿足實時模型的計算速度要求，也要滿足標定精度要求。圖5是發(fā)動機萬有特性扭矩模型偏差，95%的工況點在偏差限值以內(nèi)就可以保證發(fā)動機扭矩的計算精度。在硬件在環(huán)系統(tǒng)中，高精度的發(fā)動機實時模型能保證車輛在道路循環(huán)工況計算值與真實值一致，從而保證排放計算的準確性。

圖4 發(fā)動機模型

圖5 發(fā)動機扭矩模型偏差

3.2 電機模型

根據(jù)電機的物理特性建立模型，模擬輸出電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、功率損失、轉(zhuǎn)矩損失等特性，根據(jù)損失轉(zhuǎn)矩計算電機功率損失，根據(jù)功率損失計算內(nèi)部溫度。

3.3 變速箱模型

根據(jù)離合器壓力判斷鎖止狀態(tài)，建立離合器轉(zhuǎn)速傳感器模型，根據(jù)電機和發(fā)動機連接狀態(tài)，模擬變速箱內(nèi)部離合器和齒輪狀態(tài)的變化。通過帶入傳動損失，計算出離合盤的轉(zhuǎn)速和扭矩。通過模擬齒輪傳遞，計算經(jīng)過差速器到車輪端的動力。

3.4 電池模型

根據(jù)電池SOC、溫度，計算電池內(nèi)阻；根據(jù)內(nèi)阻和電流計算電壓降；根據(jù)電功率損失產(chǎn)生的熱量，建立電池溫度模型。

3.5 DC/DC模型

DC/DC模型包含升壓電路和降壓電路的模型，模擬了真實電路的功率損失。

3.6 車輛模型

根據(jù)輸入到輪端的扭矩、制動力以及道路的坡度，計算車輪端的速度以及加速度，通過輪速傳感器的模型將其換算為車速。需要把模型計算結(jié)果與整車試驗數(shù)據(jù)進行對比，以保證相同的車速下，發(fā)動機及電機工況的一致性，從而保證車輛排放仿真的一致性。

4 結(jié)果及結(jié)論

4.1 關(guān)鍵參數(shù)仿真結(jié)果及精度驗證

通過硬件在環(huán)系統(tǒng)集成整車模型，進行WLTC 循環(huán)測試，得到關(guān)鍵參數(shù)與試驗值對比結(jié)果。圖6 是車速精度仿真與實測的對比結(jié)果，仿真車速與實際車速偏差值在±2 km/h 以內(nèi)。圖7 是WLTC 循環(huán)車輛加速踏板仿真與實測值的對比結(jié)果，從結(jié)果可見，踏板跟隨性較好。圖8 是電池的仿真結(jié)果對比，最大偏差在3.5%。圖9是發(fā)動機出水口溫度精度對比，最大偏差在±7 ℃以內(nèi)，但是在節(jié)溫器開啟時，瞬態(tài)溫度偏差能達到10 ℃，對于發(fā)動機節(jié)溫器開啟時刻的仿真，目前模型中還無法精準模擬。關(guān)鍵參數(shù)精度保證與實車一致，這樣才能WLCT 循環(huán)發(fā)動機工況的一致性，進而保證排放污染物數(shù)學模型計算的準確性。

圖6 WLTC循環(huán)車速仿真結(jié)果對比

圖7 WLTC循環(huán)踏板仿真結(jié)果對比

圖8 WLTC循環(huán)電池SOC仿真結(jié)果對比

圖9 WLTC循環(huán)發(fā)動機水溫仿真結(jié)果對比

4.2 排放物仿真結(jié)果及精度驗證

圖10 ～圖13是整車WLTC循環(huán)各氣態(tài)排放污染物瞬態(tài)與循環(huán)累計的仿真結(jié)果與實測值對比，總體上看各氣態(tài)污染物的瞬態(tài)趨勢與實測值都基本吻合。從單個污染物上看，循環(huán)累計排放值HC的偏差7.3%，CO累計偏差1.1%，NO累計偏差4.1%，CO累計偏差2.9%。

圖10 WLTC循環(huán)HC排放仿真結(jié)果對比

圖11 WLTC循環(huán)CO排放仿真結(jié)果對比

圖12 WLTC循環(huán)NOx排放仿真結(jié)果對比

圖13 WLTC循環(huán)CO2排放仿真結(jié)果對比

5 總結(jié)

（1）利用數(shù)學模型進行氣態(tài)污染物排放仿真，仿真精度較高，可以用來進行車輛排放標定及前期發(fā)動機開發(fā)及基礎標定，能夠節(jié)省大量的試驗資源，對縮短整車標定開發(fā)周期及節(jié)約開發(fā)費用有顯著作用。

（2）發(fā)動機臺架試驗工況需要覆蓋到整車排放循環(huán)中發(fā)動機運行所有的工況，否則在實時模型中無法進行差值計算。在實際應用中，需要對各參數(shù)的范圍有提前的預置。

（3）對試驗要求較高，無法做到脫離試驗數(shù)據(jù)的預測性，也是目前此類模型的局限。