虚拟测试技术在发动机开发中应用研究

2021-07-06张文韬祝遵祥周天鹏徐宁宁胡平郝伟闫涛

汽车文摘 2021年7期

关键词：标定扭矩精度

张文韬祝遵祥周天鹏徐宁宁胡平郝伟闫涛

（1.中国第一汽车股份有限公司研发总院，长春 130013；2.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春 130013）

主题词：虚拟测试实时模型预标定发动机

缩略语

VVT Variable Valve Timing

HIL Hardware-In-the-Loop

ECU Engine Control Unit

VTB Virtual Test Bed

RT Real Time

BMEP Brake Mean Effective Pressure

RDE Real Drive Emission

1 前言

近年来，随着汽车排放法规和油耗法规日趋严格，控制系统越来越复杂，测试工作需要更多的人力资源及试验设备资源，测试工作耗时且成本高昂。虚拟测试的方法具有重要意义，有利于应对这些挑战并缩短产品上市时间。虚拟测试技术属于可控、无破坏性、耗费小并允许多次重复的验证手段，采用虚拟测试技术可以降低人力及试验设备资源需求。国际上日本、欧洲、美国等知名车企，均有成功应用虚拟试验技术的案例[1-3]，并在不断开发扩展应用深度和广度。AVL、FEV、ETAS、IAV 等公司都有各自的虚拟测试方案[4-7]。采用软硬件构建虚拟测试系统，阐述了虚拟测试的流程及方法，验证虚拟测试方法论的有效性。

2 虚拟测试系统构成及原理

图1 显示的是一个比较完整的虚拟测试系统，包含实时模型、信号处理系统、电气负载物理部件、试验操作系统、ECU、标定应用系统、数据库、自动测试系统。虚拟测试系统通过提供与真实测试相同的工具与接口，使工程师更加容易从真实测试到虚拟测试环境过渡。其中，实时模型、信号处理系统、电气负载物理部件共同组成虚拟发动机。试验操作系统、ECU、标定应用系统、数据库、自动测试系统共同组成试验系统VTB。针对虚拟测试系统的构成，不同的公司有不同的解决方案，表1 显示的是3 个主流公司的虚拟测试工具链[4-6]。

图1 虚拟测试系统示意

表1 不同的虚拟测试工具链

3 虚拟测试流程

传统发动机试验需要实物发动机，并连接ECU、试验设备、试验控制软件。而虚拟发动机试验需要虚拟发动机（模型）并连接ECU、虚拟试验设备、试验控制软件。与传统测试相比，虚拟试验可以降低产品开发费用（减少样机数量、降低试验设备使用成本），缩短产品开发周期（并行开发、工作前移）。虚拟测试流程如图2。

图2 虚拟测试流程

4 模型搭建与验证

4.1 模型概述

模型开发工作的目标是实现一个高精度的实时模型，尽可能精确地模拟发动机和关键零部件，以保证虚拟测试结果质量。模型主要有基于MAP 的模型、基于机器学习的经验模型和、基于物理规律的模型[1,8-9]，模型精度越高、越复杂，响应速度越慢，各类型模型的特点如表2 所示。采用半物理半经验模型搭建发动机，其中气路模型为物理模型和燃烧模型为带预测功能的经验模型,该模型的优点是在保障精度的同时保证了计算速度。发动机模型及模型标定步骤如图3 所示。验证后的模型添加输入和输出的所有执行器和传感器，并连接到外部控制（驱动程序），在Simulink 环境中对实时模型进行验证，保证模型精度。

表2 各类型模型特点

图3 发动机一维模型及模型标定步骤

4.2 验证结果

发动机一维模型、实时模型与实测数据匹配度较高，空气量、缸压、扭矩和比油耗能达到95%的精度要求，模型验证结果如图4。

图4 模型验证结果

5 虚拟测试集成环境

完成实时模型的搭建，进行虚拟测试系统集成与闭环调试。硬件基于dSPACEMID-SIZE Simulator 搭建，上位机采用ControlDesk作为操作软件，INCA为标定和数据采集工具,通过自动化测试工具ECU TEST集成ControlDesk与INCA的标定和数据录制功能。实时模型以S-Function 的形式集成于被控对象模型，ECU 传感器信号由实时模型信号通过HIL 转换进行输入，实时模型相关执行器信号的输入，由ECU 通过HIL 的控制模型来进行输入，由此形成闭环控制。软硬件集成环境示意图如图5所示。

图5 软硬件集成环境示意

6 闭环验证

以发动机稳态工况点作为虚拟测试系统的边界条件，在虚拟测试系统中进行发动机万有特性测试，测试结果与实际发动机试验结果进行对比，结果如图6 所示。目标转速与BMEP 下，虚拟测试系统与发动机台架实测的进气量对应良好：84%的点偏差在±3%以内，95%的点偏差在±5%以内。在相同进气量的条件下，虚拟测试系统扭矩与台架实测扭矩偏差可以达到95%的工况点偏差在±5%。