基于虚拟标定技术的混合动力汽车排放研究

祝遵祥 张文韬 韩令海 周天鹏 徐宁宁 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：硬件在环 排放模型 虚拟标定 排放DoE

1 前言

排放及油耗法规日趋加严，电控系统日益复杂化、精益化，使发动机及整车的标定工作量显著增加，标定工作时序链不断延长，试验成本大幅提高。为了应对这一挑战，发展基于模型的虚拟标定技术有助于缩短汽车产品开发时间，并能节约试验开发成本。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，国际知名汽车技术厂商如：AVL、FEV、ETAS、IAV 等公司都有各自的虚拟测试方案。对于传统乘用车标定来说，排放标定占据了整个标定开发周期一半以上的时间。通过排放建模手段提前进行排放优化标定，对于缩短产品开发周期具有重大意义。此次研究是基于数学模型与物理模型相结合的方法搭建整车排放模型，进行排放物预测与优化标定。

2 排放DoE试验建模方法

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：首先通过发动机台架稳态排放数据，采用空间填充DoE建模及高斯算法，建立发动机排放模型。然后以发动机排放模型为基础，在硬件在环仿真平台上搭建整车排放模型，计算车辆在道路循环工况的排放。

也有研究利用动态排放数据进行建模，研究不同参数的动态排放值，对循环工况进行修正，搭建动态瞬态排放计算模型，从而进一步提高整车排放循环的准确性，如图1所示。

图1 动态工况排放测量[8]

2.2 排放试验工况DoE设计方法

利用发动机台架稳态数据进行建模，需要考虑影响发动机排放的各项电控参数，如：发动机转速、发动机负荷、排气温度、空燃比、轨压、喷油时刻、喷油次数、喷油比例和发动机出水温度。把这些变量的实际运行范围通过空间填充的设计方法进行均匀分布，生成发动机台架测试工况点，在实际发动机台架上进行测试。变量的范围要覆盖到整车实际使用工况，测量工况点分布如图2所示。

图2 排放试验工况DoE设计

2.3 发动机原始排放建模方法

利用MATLAB 软件，以发动机台架测试的DoE工况点的排放数据为基础，通过高斯算法，建立排放污染物与发动机转速、负荷、出水温度、空燃比、轨压、喷油时刻、喷油比例等相关参数的数学模型。每种污染物在硬件在环系统中要分别实时计算。

3 车辆模型架构及关键物理模型

以一款1.5 L 四缸增压直喷的汽油机+DHT 双电机混动整车为研究对象。整车模型包括发动机及热管理模型、传动系统模型、混动系统模型、控制器模型、整车模型、驾驶员模型及环境模型等，模型架构如图3所示。

图3 整车模型架构

3.1 发动机模型及精度验证

首先搭建发动机一维模型，如图4 所示。利用外特性工况点及15 个部分负荷工况点的试验数据对模型进行校准。发动机燃烧采用的是燃烧预测模型。发动机气路模型及燃烧模型的关键参数满足精度要求后，对一维发动机模型进行实时化，既要满足实时模型的计算速度要求，也要满足标定精度要求。图5是发动机万有特性扭矩模型偏差，95%的工况点在偏差限值以内就可以保证发动机扭矩的计算精度。在硬件在环系统中，高精度的发动机实时模型能保证车辆在道路循环工况计算值与真实值一致，从而保证排放计算的准确性。

图4 发动机模型

图5 发动机扭矩模型偏差

3.2 电机模型

根据电机的物理特性建立模型，模拟输出电机的转矩、转速、电流、功率损失、转矩损失等特性，根据损失转矩计算电机功率损失，根据功率损失计算内部温度。

3.3 变速箱模型

根据离合器压力判断锁止状态，建立离合器转速传感器模型，根据电机和发动机连接状态，模拟变速箱内部离合器和齿轮状态的变化。通过带入传动损失，计算出离合盘的转速和扭矩。通过模拟齿轮传递，计算经过差速器到车轮端的动力。

3.4 电池模型

根据电池SOC、温度，计算电池内阻；根据内阻和电流计算电压降；根据电功率损失产生的热量，建立电池温度模型。

3.5 DC/DC模型

DC/DC模型包含升压电路和降压电路的模型，模拟了真实电路的功率损失。

3.6 车辆模型

根据输入到轮端的扭矩、制动力以及道路的坡度，计算车轮端的速度以及加速度，通过轮速传感器的模型将其换算为车速。需要把模型计算结果与整车试验数据进行对比，以保证相同的车速下，发动机及电机工况的一致性，从而保证车辆排放仿真的一致性。

4 结果及结论

4.1 关键参数仿真结果及精度验证

通过硬件在环系统集成整车模型，进行WLTC 循环测试，得到关键参数与试验值对比结果。图6 是车速精度仿真与实测的对比结果，仿真车速与实际车速偏差值在±2 km/h 以内。图7 是WLTC 循环车辆加速踏板仿真与实测值的对比结果，从结果可见，踏板跟随性较好。图8 是电池的仿真结果对比，最大偏差在3.5%。图9是发动机出水口温度精度对比，最大偏差在±7 ℃以内，但是在节温器开启时，瞬态温度偏差能达到10 ℃，对于发动机节温器开启时刻的仿真，目前模型中还无法精准模拟。关键参数精度保证与实车一致，这样才能WLCT 循环发动机工况的一致性，进而保证排放污染物数学模型计算的准确性。

图6 WLTC循环车速仿真结果对比

图7 WLTC循环踏板仿真结果对比

图8 WLTC循环电池SOC仿真结果对比

图9 WLTC循环发动机水温仿真结果对比

4.2 排放物仿真结果及精度验证

图10 ～图13是整车WLTC循环各气态排放污染物瞬态与循环累计的仿真结果与实测值对比，总体上看各气态污染物的瞬态趋势与实测值都基本吻合。从单个污染物上看，循环累计排放值HC的偏差7.3%，CO累计偏差1.1%，NO累计偏差4.1%，CO累计偏差2.9%。

图10 WLTC循环HC排放仿真结果对比

图11 WLTC循环CO排放仿真结果对比

图12 WLTC循环NOx排放仿真结果对比

图13 WLTC循环CO2排放仿真结果对比

5 总结

（1）利用数学模型进行气态污染物排放仿真，仿真精度较高，可以用来进行车辆排放标定及前期发动机开发及基础标定，能够节省大量的试验资源，对缩短整车标定开发周期及节约开发费用有显著作用。

（2）发动机台架试验工况需要覆盖到整车排放循环中发动机运行所有的工况，否则在实时模型中无法进行差值计算。在实际应用中，需要对各参数的范围有提前的预置。

（3）对试验要求较高，无法做到脱离试验数据的预测性，也是目前此类模型的局限。