劉靈

(一汽海馬汽車有限公司動力底盤部，海南?？?570216)

0 引言

在新車型平臺搭載新的動力總成研發(fā)項目中，動力系統(tǒng)的匹配開發(fā)將是決定整車開發(fā)是否成功落地非常重要的一環(huán)。在全新的整車開發(fā)流程中，必然涉及到動力總成目標的設定、動力總成的選型、動力總成集成(動力性、經(jīng)濟性、排放性能匹配等)、節(jié)能零部件應用配置方案選擇等工作，在考慮到動力總成匹配的關鍵節(jié)點時又必須要考慮整車的開發(fā)流程、整體開發(fā)周期及成本。

在整車開發(fā)項目中，動力總成的匹配工作覆蓋著整個項目開發(fā)節(jié)點，目前動力總成的開發(fā)存在著需要較長的周期和昂貴的研發(fā)成本(發(fā)動機的選型、變速器速比的選配等)，因此，動力總成的合理匹配是整車開發(fā)工作的關鍵。如何將整車的性能開發(fā)目標分解到動力總成甚至其零部件的性能目標和設計目標上，實現(xiàn)合理的系統(tǒng)匹配；掌握動力總成的匹配及優(yōu)化方法，通過模擬仿真技術的應用，縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，這些能力對動力集成工程師尤為重要，這也是動力集成工程師提升整車魅力急需攻克的重要課題。

隨著計算機技術的快速發(fā)展，在動力集成開發(fā)中也產(chǎn)生了多種類型模擬仿真技術及方法。如何更好地應用這些模擬仿真技術，提高仿真精度、擴大驗證范圍、選擇最適合公司研發(fā)體系的模擬仿真技術，是目前動力集成工程師急需建立并提升的能力。

硬件在環(huán)(Hardware in the Loop,HIL)技術在動力集成開發(fā)中的應用是眾多新興仿真技術中較為典型的一項。研究它在整車項目開發(fā)中的應用，是動力集成工程師的重要工作。

1 硬件在環(huán)(HIL)技術介紹

硬件在環(huán)(HIL)技術是在環(huán)的半物理測試仿真技術，是將道路試驗轉移到動力總成實驗室的一種仿真技術，即通過仿真模型代替樣機進行動力總成及ECU(Electronic Control Unit)標定的仿真技術。它可以為對動力總成的匹配及驗證提供更加準確的理論參考，大大減少整車道路驗證任務和風險，從而達到縮短開發(fā)周期及降低開發(fā)費用的目的。

HIL技術總共有6種仿真平臺：發(fā)動機硬件在環(huán)、變速器硬件在環(huán)、混合動力硬件在環(huán)、車身穩(wěn)定系統(tǒng)(Electronic Stability Program,ESP)硬件在環(huán)、車身電子硬件在環(huán)、動力轉向車身電子硬件在環(huán)。即可以將缺少發(fā)動機或變速器等部件的整車接入發(fā)動機或變速器的模擬信號后進行的臺架仿真測試，可以在臺架上模擬實際使用工況的測試?？煞譃檎囆阅茯炞C的3個階段進行測試，前期、中期、后期，實時性、真實性、精度也是隨之增高的。

圖1 整車系統(tǒng)集成與虛擬仿真環(huán)境

硬件在環(huán)(HIL)技術是伴隨電控技術的發(fā)展和需要衍生出的一種測試、分析和評價整車性能的方法，是硬件在環(huán)仿真技術(即半物理仿真技術)的一種表現(xiàn)形式。它為整車性能研發(fā)提供了一個經(jīng)濟快捷的驗證平臺。通過電控技術和半物理仿真技術，將整車性能在臺架上動態(tài)地準真實(半物理)在現(xiàn)，具有一致性、動態(tài)性和實時性的優(yōu)點。如圖1所示為整車系統(tǒng)集成與虛擬仿真環(huán)境HIL技術平臺，通過AVL-Cruise軟件建立整車模型，連接動力總成臺架，在道路運行整車綜合性能虛擬測試研究[4]。

在整車性能開發(fā)的過程中，仿真輔助技術的應用也是重要的一環(huán)。HIL仿真技術彌補了CAE分析仿真精度低、實時性差、驗證范圍小的缺點，降低了試車驗證風險大、成本高及周期長的老大難問題?？梢杂行У匕言囼灥缆忿D移到發(fā)動機實驗室中，大大減少了整車道路驗證的任務及風險，如圖2所示。

圖2 HIL仿真測試在整車性能開發(fā)的作用

2 硬件在環(huán)仿真技術的現(xiàn)狀

在國外，2008年7月法國里昂AVL和VOLVO兩家公司首先合作將以發(fā)動機在環(huán)仿真技術為代表的硬件在環(huán)技術應用到一款新型卡車開發(fā)測試中，AVL隨后在中國市場上推出了自己的硬件在環(huán)產(chǎn)品(INMOTION硬件系統(tǒng)和CARMAKE等軟件模型)。同時，由于作為硬件在環(huán)平臺的主流供應商dSPACE和ETAS在該領域占據(jù)著絕對的市場優(yōu)勢，擁有大量的用戶群體，因此，AVL同時和這兩家公司合作重點開展國內臺架的在環(huán)仿真測試和分析服務。

AVL公司在硬件在環(huán)仿真測試方面進行了大量的研究，其工程師通過動力總成在環(huán)平臺和實際道路平臺在奧地利東南部城市格拉茨進行了復雜道路情況的油耗測試，油耗特性研究結果表明仿真測試值與實際測試值的誤差為-2.4%(如圖3所示)，其結果和實車道路測試結果基本一致。

圖3 HIL仿真與實測油耗特性對比

目前，該硬件在環(huán)仿真技術在國外已得到廣泛的應用和推廣，以不同硬件在環(huán)形式(控制系統(tǒng)在環(huán)、發(fā)動機在環(huán)和動力總成在環(huán))已滲透到整車性能開發(fā)的各個環(huán)節(jié)(從零部件、總成到整車)，國內合資企業(yè)也往往將該部分平臺資源放置到國外進行(如泛亞)，加強對核心技術的控制。

在國內，各大高校和自主品牌車企依托主流供應商dSPACE和ETAS都逐步有序地建立起硬件在環(huán)平臺，其重點是在控制系統(tǒng)的開發(fā)和驗證上，進行傳統(tǒng)汽車硬件在環(huán)仿真技術(屬于中期階段)研究為數(shù)不多，多數(shù)為新能源汽車平臺的研究(屬于初期階段)。

對于基于臺架的在環(huán)仿真技術，中國汽車中心(天津)汽車工程院于2011年1月首次開始進行該平臺能力的建設和測試方法探索，近幾年一些較大的整車企業(yè)(上汽、北汽、廣汽等)在此方面的能力建設也在逐步加快，其中上汽已將硬件在環(huán)仿真技術應用到新開發(fā)的一款混合動力車型的性能開發(fā)上。

總而言之，硬件在環(huán)仿真技術在未來整車性能開發(fā)過程中將扮演越來越重要的角色。構建并深入地研究該平臺的應用方法和技術將對企業(yè)的未來車型開發(fā)提供更有利的幫助，該平臺的構建不僅為專業(yè)能力建設與提升提供幫助，對車型開發(fā)周期、性能驗證都會更加有利，會讓動力集成開發(fā)工作更加有效化、便捷化、節(jié)約化。

3 整車開發(fā)流程與硬件在環(huán)仿真技術的發(fā)展趨勢

隨著電控技術在汽車領域的廣泛應用和滲透，當前整車性能開發(fā)流程已由傳統(tǒng)的結構設計轉向性能設計，逐步推進整車項目進入正向開發(fā)模式。在產(chǎn)品開發(fā)初期就對產(chǎn)品的主要性能進行相關的計算分析和試驗研究，在設計工程階段給整車設計部門提出相應的設計指標和要求，指導整車正向開發(fā)，同時保證開發(fā)過程各階段的指標滿足設定目標。此過程中整車性能的實時跟蹤和反饋至關重要，它直接決定了項目的開發(fā)周期、成本和風險(如圖4所示)，在此背景下硬件在環(huán)仿真技術應運而生。2012年AVL公司對汽車開發(fā)過程中各種測試技術進行了分析和預測，分析表明未來在整車開發(fā)過程中硬件在環(huán)技術的應用將急劇增加，尤其是動力總成在環(huán)技術應用，實際道路測試的任務將有所減少(如圖5所示)。

圖4 整車開發(fā)流程中的關鍵問題

圖5 當前和未來整車開發(fā)測試任務量對比

4 硬件在環(huán)(HIL)技術研究目的及意義

當前一般車型開發(fā)時動力總成選型主要是通過標桿車型，確定動力總成的扭矩、功率來確定發(fā)動機、變速器的選取范圍，綜合考慮資源狀況、技術、質量、成本等，形成可行的3～5個提案，再進行布置搭建和利用如Cruise等一維仿真軟件進行性能方面的模擬仿真計算，確定初選速比，再進行實車路試評價，達成最終的速比選擇。其他零部件的選型或選擇應用時，由于此類的仿真軟件存在較大誤差，無法通過仿真計算，縮小選擇范圍，例如在催化器選型時是無法計算的，還是需要實車不斷地測試及標定來確定配比的方案選擇，這樣開發(fā)周期長，費用也較高。另外，在各專業(yè)組提出需將某項節(jié)能技術或者零部件(智能油泵、啟停功能、電子格柵、低滾阻輪胎等)應用于整車上，在測試節(jié)能技術或零部件的節(jié)油率時，基本上是通過整車的油耗轉鼓測試來獲得，由于操作誤差和環(huán)境等原因，有時無法獲得準確的節(jié)油率。在車型配置規(guī)劃時，無法給予足夠的決策支撐。

硬件在環(huán)(HIL)技術平臺，有效提高動力集成能力，可將道路試驗轉移到動力總成實驗室中，具有精度高、實效性好、驗證方便等特點，是未來整車性能分析和驗證不可或缺的途徑。

該技術平臺可以實現(xiàn)任意車輛循環(huán)的發(fā)動機工況轉換，可以明確發(fā)動機匹配優(yōu)化的重點區(qū)域，即為動力總成的匹配、優(yōu)化提供更好的指導；可以提供整車行駛中平順性、操縱穩(wěn)定性及換擋品質評價，有助于自動變速器換擋策略開發(fā)等技術水平和質量的提高與沉淀；可以將某項節(jié)能技術或者節(jié)能零部件更換，于臺架上模擬NEDC循環(huán)測試，驗證節(jié)油率；有助于研究變速箱不同擋位及變化過程中發(fā)動機工況和整車循環(huán)工況的對應關系，包括發(fā)動機油耗工況圖和車輛能耗流的研究等。

5 硬件在環(huán)(HIL)技術在整車性能開發(fā)流程中的應用模式和規(guī)范

在新的整車性能開發(fā)中，硬件在環(huán)仿真技術以半物理測試方式來驗證整車性能，介于CAE仿真計算和道路測試之間(如圖6所示)。CAE仿真計算分析后，確定需要測試驗證的技術方案，由硬件在環(huán)仿真平臺進行驗證和分析。因此硬件在環(huán)仿真平臺需要輸入3個方面的信息：驗證方案、試驗規(guī)范(標準)和模型參數(shù)。最終經(jīng)過硬件在環(huán)仿真平臺驗證篩選后的評價結果確定最終方案，最后再進行道路驗證。

圖6 硬件在環(huán)仿真在整車性能開發(fā)流程

硬件在環(huán)仿真技術的流程和規(guī)范是硬件在環(huán)仿真技術無縫鏈接到整車開發(fā)流程中的關鍵技術。在明確仿真平臺的輸入和輸出接口信息后，需要進一步規(guī)劃仿真平臺驗證的實施過程、步驟和內容?？傮w來說，大致分為3個部分：車輛模型建立、模型在環(huán)仿真驗證和硬件在環(huán)仿真平臺驗證(如圖7所示)，即按照項目組提出的項目研發(fā)目標，根據(jù)成熟車型或標桿車型作為整車研發(fā)驗證的對標車型，專業(yè)部室通過在環(huán)技術平臺進行評估，按照項目需要細化模型子系統(tǒng)參數(shù)，最終完成模型建立及實驗仿真平臺的搭建與驗證工作。

將硬件在環(huán)仿真平臺的輸入輸出信息融合到其技術流程和內容中，形成規(guī)范說明，即形成作業(yè)指導書或流程來開展相關項目的指導工作。

6 硬件在環(huán)(HIL)技術在動力集成開發(fā)中的應用

按照整車性能開發(fā)流程，利用硬件在環(huán)仿真技術平臺，結合某車型的開發(fā)需求，構建平臺，開展相應動力集成的開發(fā)工作，為動力總成的選型方案的最終確定提供分析、評價以及為動力集成優(yōu)化提供幫助。

硬件在環(huán)HIL技術在動力集成開發(fā)中的應用主要分為5個階段，主要工作內容及周期如表1所示。

表1 硬件在環(huán)技術整車開發(fā)中的主要內容及周期

7 小結

在能源與環(huán)境日益惡化的今天，推動節(jié)能技術的應用已成為汽車技術不可逆轉的趨勢和企業(yè)不可推卸的社會責任。隨著燃油消耗量法規(guī)的出臺和推進，未來越來越多的節(jié)能技術將應用于整車性能開發(fā)中。通過半物理仿真模式，將有效提高通過模擬計算的方式快速獲得車輛的基本性能，更好地節(jié)省開發(fā)過程中的試驗成本及時間，也便于進一步開展車輛性能優(yōu)化工作，提高優(yōu)化效率。

硬件在環(huán)仿真技術在動力集成開發(fā)中的應用，能夠很好地提升工程師的動力集成分析能力，有利于動力總成的匹配及研究、有利于自動變速器換擋規(guī)律開發(fā)。更好地服務于整車項目開發(fā)中的動力集成，可以明確發(fā)動機匹配優(yōu)化的重點區(qū)域，達到整車降耗的目標。

另外，可以通過HIL技術平臺建立整車性能數(shù)字化平臺，積累數(shù)據(jù)，加強整車性能集成與匹配能力，并基于數(shù)據(jù)分析提高動力總成的調教手段和精準度，提高產(chǎn)品的節(jié)能效果和品質，為產(chǎn)品后期改進與升級提供車輛信息參考、結合車型，優(yōu)化整車性能，為評估節(jié)能技術應用的可行性分析(智能油泵、PWM風扇等節(jié)能技術的節(jié)油率)提供依據(jù)。