整车级虚拟标定技术的应用研究

杨云波 陈国栋 张学锋 韩令海 李岩

（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：虚拟标定 对象模型 驾驶性 控制器

OBD On Board Diagnosis

RDE Real Drive Emission

CFD Computational Fluid Dynamics

MIL Model in the Loop

SIL Software in theLoop

HIL Hardwarein the Loop

EMS Engine Management System

TCU Transmission Control Unit

HCU Hybrid Control Unit

BMS Battery Management System

MCU Motor Control Unit

ABS Antilock Braking System

ACC Adaptive Cruise Control

ESP Electronic Stability Program

VVT Variable Valve Timing

1 前言

随着社会发展和用户对汽车产品要求的提高，排放油耗法规的逐步加严，动力系统配置、车辆配置以及目标市场的多样化都为汽车产品开发工作带来巨大的挑战，给整车厂的研发带来的巨大的压力，如图1所示。整车厂不断尝试通过缩短研发周期、优化研发流程、提高研发质量、降低研发成本途径适应行业的发展，整车电控标定作为产品开发后期的一个重要环节，可以有效实现车辆的排放、油耗、驾驶性、NVH性能的全面提升，需要根据动力系统的配置进行全面的试验方案设计，但每增加1个配置，试验方案的设计就增加1个维度，随着系统配置的增多会导致整体的试验呈几何级数增长，运用传统标定方法已很难满足当前汽车产品开发的需求，因此急需寻找一种先进的标定方法和工具来解决这一问题，虚拟标定技术作为能有效解决上述问题的技术手段之一越来越受到整车厂的重视。

图1 整车标定面临的挑战[11]

近年来，国内外主要厂商在虚拟标定上的研究日益增多，2015年至2020年全球各主机厂商在SAE上发表虚拟标定论文的统计如图2所示。国内厂商吉利、长城、长安也均在开展相关的研究，第三方技术技术咨询公司AVL、Ricardo、FEV、ETAS等也已有了在某些特定应用场景的成功应用案例。

图2 各主要厂商2015到2020年在SAE上发表虚拟标定论文数

2 虚拟标定技术的优势

虚拟标定技术是建立在CAE技术的基础上，可以使用先进的方法论和工具链解决复杂问题。利用计算机技术，可以大大减少人员、车辆和试验资源的投入，同时缩短开发周期，降低开发费用，提高测试数据质量，如图3所示。

图3 虚拟标定技术的价值

虚拟标定的技术优势主要通过以下途径来实现。

（1）标定工作前移。标定工作开始时间从样机/车试制完成提前至样机/车性能设计完成，可以实现标定工作提前6～9个月启动，与整车开发其它工作并行开展，从而实现整个产品开发周期的缩短。

（2）标定效率提升。自动化测试及自动寻优工具在虚拟平台上有更大的使用空间，可每天24 h运行。

（3）摆脱环境和季节因素的影响。节省排放车辆如静置等试验准备时间，三高标定可随时进行，其中三高标定是指高温、高寒、高原标定试验。

（4）易于实现极限工况和重复工况。最高车速、OBD故障模拟、RDE工况等易于实现，且不用担心车辆驾驶安全和车辆保养问题。

与此同时，整车级虚拟标定技术除了对标定本身的贡献之外，还可以很好的反哺整车性能设计和控制策略开发，如在项目开发过程中如果发现某些性能不能达标，通过更改软件控制策略及标定数据无法优化的情况下，可以尝试更改相关硬件的某些参数，然后通过虚拟标定平台进行整车系统级的仿真，这种方法能够很好的为硬件优化提供方向性的指导，见图4。

图4 虚拟标定技术反馈性能设计和控制策略开发

3 整车级虚拟标定关键技术

整车级虚拟标定技术是在虚拟的整车对象模型上开展工作的，对象模型的精度和运算速度是虚拟标定能否开展的主要制约因素。因此，对象模型的建立是虚拟标定的关键技术之一。同时，整车级的虚拟标定技术需要综合考虑整车各个部件的性能，但不同的部件，其建模的工具和方法却不尽相同，为了让各个部件最终都在统一平台上协调运行，对各个模型进行集成以及搭建虚拟试验台也是整车级虚拟标定关注的重点。虚拟标定的结果最终需要在实车上进行验证，整车级虚拟标定技术与实车标定如何结合才能发挥最大作用，实现质量高、周期短、成本低的目标也是整车级虚拟标定技术所需要重点突破的技术，下面分别对3个关键技术进行阐述。

3.1 对象模型的建立

针对某一需要研究的零部件或系统为研究对象进行建模，一般称为对象模型，对象模型有3种类型，如图5所示。越高精度的模型需要越长的开发时间，而且计算过程的耗时也较长，例如三维CFD的模型。整车级虚拟标定是进行整车系统级的仿真，所需零部件的对象模型种类繁多，全部开发高精度复杂模型会耗费大量的时间，而且由于系统复杂程度高会导致运算速度较慢，很难用于虚拟标定，因此虚拟标定一般根据使用目的和所要标定工作包不同，进行不同等级对象模型的建立，整车级虚拟标定一般建模的模型等级如图6所示。

图5 对象模型类型[2]

图6 整车级虚拟标定对象模型分类

发动机是汽车系统中的重要部件，与整车的驾驶性、排放和油耗的主要性能息息相关，因此发动机对象模型的开发过程是虚拟标定研究的一项重要内容。零维均值模型是一种基于物理原理和试验数据相结合的模型，由于其开发时间短、运行速度快，被广泛应用于控制系统开发，也用于开展部分标定工作。Chen等就是建立发动机均值模型的基础上开展OBD的标定；王利民等运用AVL的CruiseM软件建立半经验、半物理的发动机零维模型开展燃油消耗率和NO 排放的虚拟标定研究。但是均值模型只能反映一个循环的平均特性，同时，由于其是基于试验数据测试搭建的，发动机任何零部件的更换试验数据都需要重新测试，模型的可复用性比较差。

一维动态模型是虚拟标定发动机对象模型目前的主流趋势，这种模型是基于曲轴转角求解的，可反映每一度曲轴转角的发动机的动态特性。Liu等的研究指出1 800 r/min以下发动机各缸之间扭矩循环波动是影响驾驶性的重要因素，因此使用Ricardo的Wave软件搭建了一维气路和基于曲轴转角的燃烧循环发动机模型，可计算气缸之间扭矩的循环波动，用于驾驶性的虚拟标定研究。Damji等使用AVL Boost-RT软件搭建了基于曲轴转角计算的实时物理模型，该模型的优势是零部件模型是基于物理特征建立的，任何零部件的更改或变化可快速的在模型中体现，可复用性较强。Andric等使用GT-SUITE软件开发了一款柴油机一维实时仿真模型用于虚拟标定，但是一维动态模型的缺点是不能完全反映控制参数调整而引起的发动机性能的变化。例如，一维动态模型一般采用韦伯或双韦伯模型反映燃烧放热过程，但是点火提前角的变化会导致燃烧放热过程与韦伯模型的放热过程不相符，从而导致模型计算结果失真。在整车电控标定过程中，调整点火提前角的工况是非常普遍的，因此，性能可预测是虚拟标定对对象模型的进一步要求。Uppalapati等开发了发动机一维预测模型，用于发动机标定的研究。三维模型由于其复杂程度较高，计算耗时长，一般无法用于虚拟标定，相关文献中均没有提及。

如上所述，对于如变速器、传动系、底盘、轮胎等整车其它部件的模型，如果只关注油耗、排放和OBD主要性能目标，一般都采用基于MAP的简化模型，如果要开展整车的驾驶性研究，就需要开发详细的一维多体动力学模型。虽然，目前单个部件对传动系统的动态响应研究很多，但是对整个车辆系统的行为影响和分析确较少提及，福特公司在进行驾驶性虚拟标定研究过程中，使用GT-SUITE软件进行变速器对象模型的开发，使用SIMPACK软件进行了整车多体动力学模型的开发，从整车系统级的角度对影响驾驶性的对象模型进行了详细的开发。同样的，AVL公司也通过使用CRUISE和VSM软件开发相关对象模型，用于模拟从发动机到轮胎再到底盘的车辆动态响应，从而将发动机的扭矩输出反映到整车加速度的变化上。

3.2 对象模型集成及虚拟标定试验台搭建

不同的对象模型其建模所使用的软件不同，例如：发动机对象模型的建模软件为GT-Power、Wave、AVL-Boost等，变速器对象模型的建模软件为AMES⁃im、MATLAB/Simscape、GT-SUITE等，整车多体动力学的对象模型的建模软件为ADAMS、SIMPACk、MAT⁃LAB/Simscape等。进行整车级虚拟标定研究，需要将各个部件的模型进行联合仿真，不同软件的联合仿真成功与否在于数据的传输接口是否有效，一般来说，目前各个商业软件的接口技术已经成熟。存在的主要问题还是系统耦合时的精度和运算速度问题。

虚拟标定试验台有3种实现方案：模型在环（MIL）、软件在环（SIL）和硬件在环（HIL），不同的方案有不同的优缺点。因为EMS一般由Bosch、Continen⁃tal等供应商来提供，因缺少控制策略和虚拟EMS，硬件在环方案是大部分公司的选择。硬件在环系统的供应商主要有dSPACE和ETAS，可以实现和MAT⁃LAB/Simulink的完全无缝链接。因此，MATLAB/Simulink作为仿真模型的集成平台被广泛应用。赵君伟等就提出一种基于MATLAB/Simulink为主的虚拟试验系统搭建方法，将ADAMS、AMESim和MATLAB/Simulink开发的子系统对象模型统一集成到MAT⁃LAB/Simulink环境中进行仿真。Damji等进行虚拟标定对象模型集成时，选用的集成平台也是MATLAB/Simulink。值得注意的是，硬件在环系统是由实际控制器通过传感器和执行信号与虚拟的整车对象模型组成。由于集成后的模型最终是要与控制器实物进行相连，这就要求整车级系统及的对象模型必须是能实时运行。因此，在进行对象模型集成时，对运算速度过慢的对象模型常用的处理方法是进行降阶或者是简化，在保证一定精度的前提下提高模型的运算速度。更先进的做法是采用多计算平台分别运算再进行联合仿真，Liu等研究中就采用了这样一种方式，他们将车辆模型和IO接口运行在dSPACE DS1006上，发动机和变速器模型运行在dSPACE SCALEXIO多核处理器上，SIMPACK车辆模型运行在一个Linux实时仿真计算机上，其架构如图7所示。

图7 多计算平台联合仿真架构[7]

3.3 整车级虚拟标定的应用

根据使用目的开发不同的对象模型，建立起虚拟标定试验台后，理论上可以实现虚拟标定在整车标定全过程的应用，如图8所示。在经济性标定方面，胡兴奇等在虚拟试验台上进行动力传动装置经济性虚拟标定研究，Merl等研究了混动系统的油耗集排放标定在虚拟标定平台上的解决方案。在排放标定方面，Lee等研究了虚拟标定在实际道路排放（RDE）的应用，徐文杰研究了柴油机排放虚拟标定评价的建立以及应用。在驾驶性标定方面，Liu等人使用多计算平台联合仿真的虚拟平台进行了驾驶性标定的研究，曾浩等基于GT-SUITE研究了换挡规律对驾驶性的影响，并对经济性和全负荷动力性进行了预测。在OBD标定应用上，Baltusis详细对比了在OBD标定上虚拟标定方法比传统标定方法的优势，Chen等详细介绍了发动机虚拟标定平台在氧传感器、凸轮轴位置传感器和三元催化器在线诊标定上的应用。综上所述，目前虚拟标定应用研究应用已经覆盖了整车标定最关注的经济性、排放、驾驶性和OBD大部分工作包。

图8 整车级虚拟标定应用场景

以上相关的文献资料的研究成果都着重于介绍虚拟测试与实车测试结果的对比，用于证明虚拟试验台测试结果的可信度。对于虚拟标定和实车测试的结合关系却较少提及，本文将以排温模型标定过程为例，通过对比传统标定过程和虚拟标定应用后的标定过程进行介绍。图9为传统标定过程和虚拟标定应用后标定过程对比。从图9中可以看出，从标定过程来看，传统标定和虚拟标定都经过标定准备、标定过程和标定验证3个步骤。

图9 排温模型传统标定过程与虚拟标定应用后标定过程对比

（1）在标定准备阶段中，虚拟标定应用中增加HIL系统中传感器的配置，而减少车辆在上底盘测功机前的预处理工作；

（2）在标定过程阶段，标定内容相同，传统标定主要是用实际车辆在底盘测功机上进行，而虚拟标定则直接在虚拟试验台上进行，效率较高；

（3）在标定验证阶段，传统标定和虚拟标定都是用真实车辆在实际道路上行驶进行标定数据验证，区别在于传统标定是用第2台车来验证第1台车上标定数据的合理性，着重于验证标定数据对于车辆差异的覆盖度，排除标定过程中所使用车辆是非标准车辆的风险，而虚拟标定则是用真实车辆来验证虚拟试验台标定数据的合理性，着重于验证在虚拟试验台上完成的标定数据在实车上的可信度。

由于虚拟试验台是基于整车设计参数搭建的，所以虚拟标定所产生的标定数据可以天然排除制造误差的影响，所要重点关注的就是理论设计结果和实车测试结果的一致性。

4 结束语

本文从整车级虚拟标定的必要性、应用路径等方面阐述了虚拟标定的基本现状及技术优势，重点说明了虚拟标定的关键技术及国内外的研究现状，虽然Ford、AVL、Ricardo、FEV、ETAS等公司已有了在一些场景的成功应用案例，但是作为一项全新的、高效的研发手段，整车级虚拟标定在实际应用方面也面临着许多挑战。

（1）对象模型的高精度挑战

模型的精度是虚拟标定的前提条件，建立的模型要从物理特征及性能精度上能够满足标定的需求，因为最终应用的标定参数都依赖于模型输出及性能参数，并以此为基准按照标定流程进行性能的标定优化。所以从标定对象的角度，虚拟标定建立的对象模型为数字孪生的模型。当前能够支持虚拟标定，满足高精度仿真的模型实时模型，需要满足保持模型的物理几何特征，同时满足高精度，实时性，这需要对实时模型开发的求解器有很高的要求，目前能够满足该需求的模型开发软件很少。

（2）对象模型的可预测性挑战

虚拟标定建立的模型要脱离实际的标定数据，也就是说模型的仿真和标定数据之间要解耦，即不能存在因为标定数据的更改而导致模型需要重新修正。同时，从仿真应用的角度模型要有预测性，即仿真过程只是通过少量的建模工作对关键点进行精度验证，同时需要保证其它工况点也能预测出相应的性能，如发动机不同的VVT，点火角，喷油时刻，节气门开度等均为EMS的控制输出，这些参数要和建立的模型形成闭环，建立的模型要能预测出在以上不同控制参数组合的性能输出，并能达到虚拟标定精度的需求，同时在标定数据更改的情况下能够预测出新数据的性能表现，供标定工程师使用，这对模型的建立提出更高的要求。

（3）对象模型的实时性挑战

传统的1D仿真实时性比较差，RTM（实时因子）一般在十几，这意味着使用该1D模型是不能够和EMS形成闭环进行联合仿真的，同时仿真效率低，且需要处理器性能很高的电脑来运行模型，目前HIL的实时处理机也满足不了该需求。为了满足EMS软件和硬件的控制需求，建立的模型需要具备实时性，最基础的要求为模型的运行速度要比EMS运行快，同时从仿真精度的角度实时模型要尽量在1D模型转换过程中少的简化或最好不要简化，以达到即能满足保留物理几何特征，又能满足高精度、实时性的要求。以发动机为例，我们理想的模型仿真步长在<=1CA的曲轴转角分辨率，同时实时模型无任何元器件简化，并能保持高精度，因此实现该需求对1D实时模型的算法和求解器偶读有很高的要求。

（4）对象模型的可复用性挑战

考虑到发动机的变种形式越来越多，从建模效率上来讲模型需要有较高的复用性以应用于不同的变型机上，也就是说1D模型通过针对性的建模更新，直接生成实时模型然后用于变形机型，达到高效的模型建模。同时从后续模型迭代的角度，最主要的工作就是模型的参数化，而不是花大量的时间进行模型重整或重新建模，这就要求在建模初期对模型的架构做好整体规划。

（5）标定效率提升的挑战

由于标定工程师的工作环境从物理台架转移到HIL虚拟标定台架，就需要研发人员开发一些自动化工具来提高标定效率，如测试效率，数据分析效率等，这就要求标定工程师不仅有专业的标定技能还要有相关的软件开发技能。