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 | EUROPEEduardo GRAZIANO, Alessandro ZANELLI, Paolo CORRADO, Emanuele SERVETTO Dongkyu LEE, Taekyu CHANG, Kyung SONG 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。子系统建模分别建立了以下子系统模型： 图：子系统模型示意01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02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3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来源：艾迪捷
