使用GT建立1D多物理场模型分析某PHEV车型的热管理性能与能量管理优化
摘要 等效燃油消耗最小策略（Equivalent Consumption Minimization Strategy，以下简称ECMS）是一种实时控制策略，其核心思想是通过一个等效因子，将瞬时电池电能消耗等效为瞬时燃油消耗。通过计算在当前时刻发动机和电机所有可能的转矩分配组合，得到等效燃油消耗最低的转矩分配组合，作为控制器的输出[1]。 本文采用起亚汽车Niro PHEV为研究对象，分别建立了热管理模型（含机舱COOL3D、冷却、空调、乘员舱）、动力性模型（含整车相关部件）、发动机模型（含FRM和MAP模型）以及其他电气系统等，从而构建了一套详细的集成仿真模型。利用ECMS分析该车型的P0-P2结构在WLTP工况下的最优策略，最终分析采用该策略下热管理相关的性能表现。 文章来源 GT Conference 2022 | EUROPE Eduardo GRAZIANO, Alessandro ZANELLI, Paolo CORRADO, Emanuele SERVETTO Dongkyu LEE, Taekyu CHANG, Kyung SONG
研究背景
研究背景
减少化石燃料的使用和依赖目前已经成为一个全球化的趋势，混合动力汽车（HEV）是一个非常好的方案来帮助降低相应的碳排放。随着混动车型相关的动力系统及其子系统系统日益复杂，能量管理方案也变得越来越具有挑战性，对相关的控制策略也提出了更高的要求，因此在进行动力系统的选型、匹配和设计的过程中不能仅仅依赖于试验过程，还需要更多的仿真过程来介入。
图：混动汽车动力分解示意图
本文的仿真分析工作流程如下：
①CAD几何文件的处理和导入，完成部件建模；
②各子系统的建模和标定校准；
③能量分配和优化评估；
④集成整车热管理模型；
⑤依据试验结果进行对比验证。
子系统建模
子系统建模
分别建立了以下子系统模型：
图：子系统模型示意
发动机模型及其传热模型
（1）发动机模型
采用GT-POWER建立详细的发动机模型，并转化为FRM模型（Fast Running Engine Model），用以最大化的预测发动机相关的输出结果和发动机标定。进而利用详细发动机模型输出相应的性能map，构建EngineMap模型，用以进一步提升运行速度。
图：发动机模型建立和转化
（2）发动机换热模型
依据CAD数据建立集总质量的换热模型，在几何中按气缸排布分割成多个质量单元，最终转化为1D的换热模型，同时考虑活塞缸、缸体、冷却液、油液、空气之间的换热过程。
图：发动机换热模型建立
电路系统换热模型
（1）E-Motor电机换热模型
类似的，将电机建立成集总质量单元的模型，铜耗、铁耗等损失采用2D Look-up的查表方法定义，在后续重点关注线圈温度。
图：电机换热模型
（2）逆变器换热模型
建模方式同上，重点关注每个IGBT和二极管的温度。
图：逆变器换热模型
（3）电池换热模型
建模方式同上，这里按电池模组为单元进行建模，模组的产热量由电路部分计算，同时换热模型也会反馈对应的温度。
图：电池换热模型
其他子系统模型
（1）发动机高温冷却回路
（2）电机低温冷却回路
（3）车辆和动力总成模型
（4）空调和驾驶舱模型
（5）机舱Underhood模型
（6）电池的空冷回路
能量管理优化
能量管理优化
使用能量管理系统（EMS）定义HEV模式和功率分配，主要功能分为：
①监控：动力总成的高级控制；
②能量管理：在ICE和EM（E-Motor，电机）之间划分功率需求。
图：EMS工作过程示意
设定EMS的判断依据基于ECMS策略，即最小燃油消耗为目标，本文将分别对比两种计算方案的结果：
①Map-Based ECMS：仅GT-SUITE软件对ECMS策略求解（即offline）；
②Simulink Online ECMS：采用Simulink和GT耦合实现ECMS策略求解（即online）。
其中等效燃油消耗计算公式如下：
注：在本案例中暂不考电池SOC的惩罚函数。
下面对两种计算方案进行说明：
1、Map-Based ECMS（GT-SUITE ONLY）
根据等效因子、功率需求和ICE/电机转速，生成ICE、P0和P2电机之间的最佳功率分配map。
对每个等效因子进行迭代计算，分析和提取ICE、P0和P2之间的最优功率分配情况。
2、Simulink Online ECMS：采用Simulink和GT的耦合的方式
在Simulink中建立Online ECMS的控制模块。
图：Simulink模型
Simulink和GT-SUITE的耦合通过SimulinkHarness模板，分析过程为：
①瞬态变量从GT发动到Simulink，例如：驾驶员功率需求、发动机转速、电机转速；
②建立一些发动机和电机可能的组合矩阵；
③对每种组合计算等效燃料消耗；
④确定最小等效消耗(对于给定等效因子)的坐标，并应用于GT-SUITE动态车辆模型
图：分析过程
对WLTP工况下的燃油消耗量评估，分析发现Map-Based ECMS（offline）的方案可以寻找到更优的策略。
图：对比两种分析方案，并与试验结果进行对比
集成热管理模型验证
集成热管理模型验证
将上述建立的换热模型、电气模型等集成到一起，建立一个综合热管理模型，并包含Map-Based ECMS策略。
图：集成模型
验证和分析基于这种优化策略下其他系统的性能表现情况。
图：WLTP工况不同时刻的发动机扭矩、电机扭矩、SOC、实时仿真因子
图：WLTP工况不同时刻的电机线圈温度、IGBT温度、电池温度、发动机冷却液温度
结论
结论
1、在GT-SUITE中建立了起亚Niro PHEV汽车的VTM（热管理）综合模型，仿真结果与试验数据之间有较好的相关性。
2、可以基本实现用灵活的控制逻辑满足模型运行需求，同时可以考虑到一些信号的限制和约束。
3、Map-Based ECMS（offline）由于其操作方便并有很好的预测性，因此可在早期的开发阶段应用到VTM模型中。另外Simulink online ECMS可用于实现先进的能量管理策略。
4、VTM模型可以有效地用于能量管理优化，从而缩短开发时间，降低开发成本。
5、未来可能的发展：将PHEV模型转换为硬件在环(HiL)的实时仿真模型，用于ECU的标定和验证。
注：目前2023版GT已可以实现ECMS online计算，详情请参考ECMSController模板的使用方法。
其他参考文献
[1] 邓涛,罗俊林,李军营,周豪.基于近似ECMS策略的HEV自适应规则能量管理控制研究. 汽车工程2017( Vol.39) No.6
