基于虛擬標(biāo)定技術(shù)的混合動(dòng)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(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春130013；2. 汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130013）

主題詞：硬件在環(huán) 排放模型 虛擬標(biāo)定 排放DoE

1 前言

排放及油耗法規(guī)日趨加嚴(yán)，電控系統(tǒng)日益復(fù)雜化、精益化，使發(fā)動(dòng)機(jī)及整車的標(biāo)定工作量顯著增加，標(biāo)定工作時(shí)序鏈不斷延長(zhǎng)，試驗(yàn)成本大幅提高。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，發(fā)展基于模型的虛擬標(biāo)定技術(shù)有助于縮短汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，并能節(jié)約試驗(yàn)開(kāi)發(fā)成本。國(guó)際上日本、歐洲、美國(guó)等知名車企，均有成功應(yīng)用虛擬試驗(yàn)技術(shù)的案例，國(guó)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(cè)試方案。對(duì)于傳統(tǒng)乘用車標(biāo)定來(lái)說(shuō)，排放標(biāo)定占據(jù)了整個(gè)標(biāo)定開(kāi)發(fā)周期一半以上的時(shí)間。通過(guò)排放建模手段提前進(jìn)行排放優(yōu)化標(biāo)定，對(duì)于縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期具有重大意義。此次研究是基于數(shù)學(xué)模型與物理模型相結(jié)合的方法搭建整車排放模型，進(jìn)行排放物預(yù)測(cè)與優(yōu)化標(biāo)定。

2 排放DoE試驗(yàn)建模方法

2.1 排放建模基本原理

本研究采用排放建模的基本原理如下：首先通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)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(dòng)機(jī)排放模型。然后以發(fā)動(dòng)機(jī)排放模型為基礎(chǔ)，在硬件在環(huán)仿真平臺(tái)上搭建整車排放模型，計(jì)算車輛在道路循環(huán)工況的排放。

也有研究利用動(dòng)態(tài)排放數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，研究不同參數(shù)的動(dòng)態(tài)排放值，對(duì)循環(huán)工況進(jìn)行修正，搭建動(dòng)態(tài)瞬態(tài)排放計(jì)算模型，從而進(jìn)一步提高整車排放循環(huán)的準(zhǔn)確性，如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)工況排放測(cè)量[8]

2.2 排放試驗(yàn)工況DoE設(shè)計(jì)方法

利用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，需要考慮影響發(fā)動(dòng)機(jī)排放的各項(xiàng)電控參數(shù)，如：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、排氣溫度、空燃比、軌壓、噴油時(shí)刻、噴油次數(shù)、噴油比例和發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度。把這些變量的實(shí)際運(yùn)行范圍通過(guò)空間填充的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行均勻分布，生成發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試工況點(diǎn)，在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試。變量的范圍要覆蓋到整車實(shí)際使用工況，測(cè)量工況點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 排放試驗(yàn)工況DoE設(shè)計(jì)

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放建模方法

利用MATLAB 軟件，以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試的DoE工況點(diǎn)的排放數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)高斯算法，建立排放污染物與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、出水溫度、空燃比、軌壓、噴油時(shí)刻、噴油比例等相關(guān)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。每種污染物在硬件在環(huán)系統(tǒng)中要分別實(shí)時(shí)計(jì)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(jī)+DHT 雙電機(jī)混動(dòng)整車為研究對(duì)象。整車模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)及熱管理模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型、混動(dòng)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(dòng)機(jī)模型及精度驗(yàn)證

首先搭建發(fā)動(dòng)機(jī)一維模型，如圖4 所示。利用外特性工況點(diǎn)及15 個(gè)部分負(fù)荷工況點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒采用的是燃燒預(yù)測(cè)模型。發(fā)動(dòng)機(jī)氣路模型及燃燒模型的關(guān)鍵參數(shù)滿足精度要求后，對(duì)一維發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)化，既要滿足實(shí)時(shí)模型的計(jì)算速度要求，也要滿足標(biāo)定精度要求。圖5是發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性扭矩模型偏差，95%的工況點(diǎn)在偏差限值以內(nèi)就可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的計(jì)算精度。在硬件在環(huán)系統(tǒng)中，高精度的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)模型能保證車輛在道路循環(huán)工況計(jì)算值與真實(shí)值一致，從而保證排放計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩模型偏差

3.2 電機(jī)模型

根據(jù)電機(jī)的物理特性建立模型，模擬輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、功率損失、轉(zhuǎn)矩?fù)p失等特性，根據(jù)損失轉(zhuǎn)矩計(jì)算電機(jī)功率損失，根據(jù)功率損失計(jì)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?fàn)顟B(tài)，建立離合器轉(zhuǎn)速傳感器模型，根據(jù)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)帶入傳動(dòng)損失，計(jì)算出離合盤的轉(zhuǎn)速和扭矩。通過(guò)模擬齒輪傳遞，計(jì)算經(jīng)過(guò)差速器到車輪端的動(dòng)力。

3.4 電池模型

根據(jù)電池SOC、溫度，計(jì)算電池內(nèi)阻；根據(jù)內(nèi)阻和電流計(jì)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(shí)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(dòng)力以及道路的坡度，計(jì)算車輪端的速度以及加速度，通過(guò)輪速傳感器的模型將其換算為車速。需要把模型計(jì)算結(jié)果與整車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以保證相同的車速下，發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)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(yàn)證

通過(guò)硬件在環(huán)系統(tǒng)集成整車模型，進(jìn)行WLTC 循環(huán)測(cè)試，得到關(guān)鍵參數(shù)與試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果。圖6 是車速精度仿真與實(shí)測(cè)的對(duì)比結(jié)果，仿真車速與實(shí)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(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果，從結(jié)果可見(jiàn)，踏板跟隨性較好。圖8 是電池的仿真結(jié)果對(duì)比，最大偏差在3.5%。圖9是發(fā)動(dòng)機(jī)出水口溫度精度對(duì)比，最大偏差在±7 ℃以內(nèi)，但是在節(jié)溫器開(kāi)啟時(shí)，瞬態(tài)溫度偏差能達(dá)到10 ℃，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器開(kāi)啟時(shí)刻的仿真，目前模型中還無(wú)法精準(zhǔn)模擬。關(guān)鍵參數(shù)精度保證與實(shí)車一致，這樣才能WLCT 循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的一致性，進(jìn)而保證排放污染物數(shù)學(xué)模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖6 WLTC循環(huán)車速仿真結(jié)果對(duì)比

圖7 WLTC循環(huán)踏板仿真結(jié)果對(duì)比

圖8 WLTC循環(huán)電池SOC仿真結(jié)果對(duì)比

圖9 WLTC循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫仿真結(jié)果對(duì)比

4.2 排放物仿真結(jié)果及精度驗(yàn)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(jì)的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比，總體上看各氣態(tài)污染物的瞬態(tài)趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值都基本吻合。從單個(gè)污染物上看，循環(huán)累計(jì)排放值HC的偏差7.3%，CO累計(jì)偏差1.1%，NO累計(jì)偏差4.1%，CO累計(jì)偏差2.9%。

圖10 WLTC循環(huán)HC排放仿真結(jié)果對(duì)比

圖11 WLTC循環(huán)CO排放仿真結(jié)果對(duì)比

圖12 WLTC循環(huán)NOx排放仿真結(jié)果對(duì)比

圖13 WLTC循環(huán)CO2排放仿真結(jié)果對(duì)比

5 總結(jié)

（1）利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行氣態(tài)污染物排放仿真，仿真精度較高，可以用來(lái)進(jìn)行車輛排放標(biāo)定及前期發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)及基礎(chǔ)標(biāo)定，能夠節(jié)省大量的試驗(yàn)資源，對(duì)縮短整車標(biāo)定開(kāi)發(fā)周期及節(jié)約開(kāi)發(fā)費(fèi)用有顯著作用。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)工況需要覆蓋到整車排放循環(huán)中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行所有的工況，否則在實(shí)時(shí)模型中無(wú)法進(jìn)行差值計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)各參數(shù)的范圍有提前的預(yù)置。

（3）對(duì)試驗(yàn)要求較高，無(wú)法做到脫離試驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)性，也是目前此類模型的局限。