汪曉偉 凌 健 閆 峰

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司 天津 300300）

引言

硬件在環(huán)（hardware-in-the-loop，HIL）仿真是指通過將某些子系統(tǒng)的實(shí)際物理硬件嵌入到其余虛擬子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)仿真來模擬系統(tǒng)[1]。HIL 仿真如今已成為航空航天、汽車、船舶和國(guó)防工業(yè)不可或缺的一部分。它在動(dòng)力總成控制器、汽車安全系統(tǒng)、無人水下航行器和防御系統(tǒng)等領(lǐng)域的開發(fā)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[2]。

對(duì)于汽車行業(yè)，傳統(tǒng)的HIL 仿真通常指只有控制單元是物理硬件，發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及整車等都以模型的方式通過適當(dāng)?shù)慕涌诟刂茊卧M(jìn)行交互[3]。這種HIL 仿真已被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能標(biāo)定與驗(yàn)證、汽車制動(dòng)系統(tǒng)和車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)開發(fā)等，大大降低了對(duì)原型車的依賴，節(jié)省了開發(fā)時(shí)間，縮短了開發(fā)周期[4-5]。

盡管HIL 仿真已被證明在預(yù)測(cè)和優(yōu)化傳統(tǒng)汽車和混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性方面是有效的，但是，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)排放（特別是碳煙排放）仍然是一種挑戰(zhàn)[6]。尤其是在現(xiàn)在的環(huán)保監(jiān)管越來越關(guān)注整車和實(shí)際道路排放的背景下，如何在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中結(jié)合整車和實(shí)際道路的參數(shù)輸入來進(jìn)行開發(fā)越來越受到關(guān)注和重視。在這種情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)（engine-in-the-loop，EIL）仿真逐漸被廣大開發(fā)者所接受。

EIL 仿真可以認(rèn)為是HIL 仿真的一種特殊型式。只不過對(duì)于EIL 仿真，實(shí)際物理硬件為發(fā)動(dòng)機(jī)（或動(dòng)力總成）及其控制器（engine control unit，ECU），而虛擬子系統(tǒng)為整車及駕駛員。EIL 仿真即是將實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)（或動(dòng)力總成）及其ECU 安裝在測(cè)功機(jī)上，在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架環(huán)境中跟虛擬的整車和駕駛員模型耦合進(jìn)行開發(fā)的方式。對(duì)于EIL 仿真，由于發(fā)動(dòng)機(jī)（或動(dòng)力總成）是實(shí)際的物理硬件，無需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模，從而能更精確、更真實(shí)地開展對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況下的排放和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估[7]。

本文分析了國(guó)內(nèi)外EIL 仿真在汽車開發(fā)和測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀以及研究中出現(xiàn)的主要問題，并對(duì)將來的研究方向進(jìn)行了展望。

1 EIL 仿真的系統(tǒng)架構(gòu)

EIL 系統(tǒng)主要由測(cè)功機(jī)及其附屬系統(tǒng)（如油耗儀、排放儀等）、實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)或動(dòng)力總成系統(tǒng)、車輛動(dòng)力學(xué)模型、駕駛員模型以及實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)等組成。

密歇根大學(xué)的Filipi 等人[8]基于SIMULINK 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)構(gòu)建了混合動(dòng)力汽車的EIL 仿真平臺(tái)，如圖1 所示。通過SIMULINK 對(duì)駕駛員、傳動(dòng)系統(tǒng)、混合動(dòng)力部件及其控制器、車輛動(dòng)力學(xué)等進(jìn)行建模，基于這些模型，實(shí)時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)并行運(yùn)行，模擬車輛行駛，并向虛擬駕駛員和測(cè)功機(jī)控制器提供反饋。發(fā)動(dòng)機(jī)與測(cè)功機(jī)及其控制器耦合，使其性能完全取決于駕駛員提供的信號(hào)和來自虛擬車輛的響應(yīng)。對(duì)于混合動(dòng)力汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)命令來自于動(dòng)力管理模塊而不是直接來自于駕駛員。因此，該EIL 仿真可實(shí)時(shí)同時(shí)模擬所需的車輛、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和駕駛員。

圖1 基于SIMULINK 的EIL 仿真平臺(tái)

A&D 公司的Jiang 等人[9]基于一臺(tái)2.4 L 的四缸汽油機(jī)和265 kW 的電力測(cè)功機(jī)所搭建的EIL 仿真平臺(tái)如圖2 所示。整車和駕駛員模型以及測(cè)功機(jī)和加速踏板的控制通過一臺(tái)ADX 實(shí)時(shí)控制器運(yùn)行。ADX 控制器讀取轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩值，通過整車和駕駛員模型計(jì)算后輸出給測(cè)功機(jī)，同時(shí)輸出加速踏板命令給相應(yīng)的踏板執(zhí)行器。通過虛擬系統(tǒng)（包括駕駛員模型、整車模型、測(cè)功機(jī)和加速踏板的控制邏輯等）和實(shí)際硬件（包括發(fā)動(dòng)機(jī)和ECU、測(cè)功機(jī)、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳感器、加速踏板執(zhí)行器等）的耦合，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上實(shí)現(xiàn)了對(duì)整車的模擬。

Bosch 公司的Gerstenberg 等人[10]利用AVL In－Motion 建立了整車及傳動(dòng)系統(tǒng)模型、交通狀況模型等。測(cè)功機(jī)通過實(shí)時(shí)接口跟AVL PUMA 測(cè)試臺(tái)架通訊。如圖3 所示。該EIL 仿真平臺(tái)能在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上模擬實(shí)際的道路情況，確保在不同的道路和交通條件下發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)量的可重復(fù)性，有利于進(jìn)行實(shí)際駕駛排放（real driving emission，RDE）的研究和標(biāo)定。

圖2 基于ADX 的EIL 仿真平臺(tái)

圖3 基于AVL InMotion 的EIL 仿真平臺(tái)

中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司的張宏超等人[11-12]建立了基于dSPACE 的EIL 仿真平臺(tái)，該系統(tǒng)主要由dSPACE 實(shí)時(shí)運(yùn)算單元、車輛動(dòng)力學(xué)模型、AVL 測(cè)功機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和油耗儀等組成。車輛動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)車輛的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的精確仿真。dSAPCE 實(shí)時(shí)仿真硬件平臺(tái)是模型的計(jì)算載體，運(yùn)行模型根據(jù)輸入（包括來自測(cè)功機(jī)的信號(hào)）信號(hào)輸出與現(xiàn)實(shí)時(shí)間同步的整車信號(hào)計(jì)算結(jié)果，并由測(cè)功機(jī)將計(jì)算結(jié)果動(dòng)態(tài)地施加在發(fā)動(dòng)機(jī)上。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 根據(jù)轉(zhuǎn)速和由dSPACE 控制的加速踏板等信號(hào)對(duì)測(cè)試機(jī)加載負(fù)荷做出響應(yīng)，高精度地模擬其在實(shí)車上的運(yùn)行工況。測(cè)功機(jī)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)并發(fā)回給dSPACE 實(shí)時(shí)仿真硬件，作為整車模型的輸入?yún)?shù)，參與下一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)的整車動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算。

亞琛工業(yè)大學(xué)的Klein 等人[13-14]通過dSPACE 構(gòu)建了針對(duì)48V 微混合動(dòng)力汽車的EIL 仿真平臺(tái)，如圖4 所示。整車模型等通過dSPACE SCALEXIO HIL模擬系統(tǒng)構(gòu)建，并通過以太網(wǎng)跟臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行通訊?？勺兊鸟{駛循環(huán)生成可變的加速踏板信號(hào)，再將該踏板信號(hào)輸入到測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)，產(chǎn)生有效的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。該發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)矩法蘭測(cè)量并反饋到實(shí)時(shí)協(xié)同仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。同時(shí)，測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值發(fā)送到電動(dòng)機(jī)的逆變器，根據(jù)協(xié)同仿真的設(shè)定值來控制電動(dòng)機(jī)速度。由于電動(dòng)機(jī)速度控制器的性能對(duì)整個(gè)控制回路和控制結(jié)果具有很大影響，因此必須遵循換擋期間的高瞬態(tài)速度梯度。同時(shí)，必須補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的慣性以實(shí)現(xiàn)真實(shí)的閉環(huán)結(jié)果。

康明斯公司的Andreae 等人[15-16]提出了基于動(dòng)力總成的EIL 仿真平臺(tái)進(jìn)行混合動(dòng)力重型汽車的油耗和排放評(píng)估。平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖5 所示。與常規(guī)的EIL 仿真不同的是，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱均作為實(shí)際物理硬件。更多的實(shí)際部件能更真實(shí)地反映混合動(dòng)力總成的油耗、排放和耐久性等性能，但也增加了測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖4 基于dSPACE 的EIL 仿真平臺(tái)

圖5 基于動(dòng)力總成的EIL 仿真平臺(tái)

2 國(guó)內(nèi)外EIL 仿真的研究現(xiàn)狀

EIL 仿真的可行性已得到了廣泛的驗(yàn)證。

Jiang 等人在其搭建的EIL 仿真平臺(tái)上測(cè)試了10～15 個(gè)循環(huán)，發(fā)現(xiàn)該測(cè)試平臺(tái)能實(shí)時(shí)反映車輛動(dòng)力學(xué)特性，可用于瞬態(tài)運(yùn)行模式下的動(dòng)力總成控制開發(fā)[9]。

Gerstenberg 等人使用其所開發(fā)的EIL 支持輕型汽車的RDE 標(biāo)定。這種方法能在項(xiàng)目開發(fā)早期對(duì)整車的RDE 性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，并評(píng)估變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的改變對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，從而大大減少項(xiàng)目周期并大幅減小對(duì)原型車的依賴[10]。

張宏超等人利用其建立的EIL 仿真平臺(tái)進(jìn)行整車油耗測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，EIL 測(cè)試環(huán)境下得到的城市循環(huán)油耗與純軟件仿真環(huán)境下的計(jì)算結(jié)果有不小的差異，差異主要集中城市循環(huán)工況。產(chǎn)生差異的主要原因是城市循環(huán)中包含大量的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、車輛起停、加減速等瞬態(tài)工況。在純軟件仿真環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)模型不能對(duì)上述瞬態(tài)工況做出精確的仿真，造成仿真結(jié)果失真。在EIL 仿真環(huán)境下，基于臺(tái)架的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于變工況的反應(yīng)與真實(shí)道路情況非常接近，用瞬時(shí)油耗儀記錄實(shí)際油耗，可以得到更為準(zhǔn)確的整車綜合油耗[11]。

此外，張宏超等人將其所開發(fā)的EIL 仿真運(yùn)用在優(yōu)化車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)過程。他們基于EIL 仿真平臺(tái)，分別建立動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的試驗(yàn)路況，對(duì)動(dòng)力總成的不同匹配方案進(jìn)行半物理的汽車性能試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析確定出最佳的動(dòng)力總成匹配方案，從而在不延長(zhǎng)動(dòng)力總成開發(fā)周期的前提下，完成了其開發(fā)后期測(cè)試環(huán)節(jié)，保證了動(dòng)力總成匹配的合理性[12]。

Klein 等人對(duì)比了使用EIL 仿真以及實(shí)際整車的測(cè)試結(jié)果。發(fā)現(xiàn)EIL 的仿真結(jié)果很大程度上依賴于整車模型的精度，而整車建模的精確參數(shù)主要掌握在車輛生產(chǎn)企業(yè)而非發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)。盡管如此，EIL 仿真的靈活性能縮短整個(gè)開發(fā)周期。比如，在整車配置和選型過程中，可通過EIL 仿真來了解不同變速箱速比和整車質(zhì)量對(duì)整車性能的影響。通過對(duì)EIL 和實(shí)際整車行駛的結(jié)果對(duì)比表明，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎沒有差別，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和換擋時(shí)間也具有很好的同步性，但在換擋過程中，轉(zhuǎn)矩變化有一些不同[13-14]。

密歇根大學(xué)的Guse 等人[17]認(rèn)為EIL 仿真的結(jié)果能對(duì)應(yīng)實(shí)際整車測(cè)試的結(jié)果。他們分別通過EIL 仿真和整車轉(zhuǎn)轂測(cè)量了整車在全球統(tǒng)一輕型車測(cè)試循環(huán)（WLTC）下的排放，在整車轉(zhuǎn)轂上使用實(shí)際的駕駛員，而在EIL 仿真中使用駕駛員模型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，EIL仿真所獲得的CO2排放和加速踏板動(dòng)作與整車轉(zhuǎn)轂具有高度的一致性。但是，EIL 仿真所獲得的PN（顆粒物數(shù)量）排放比整車轉(zhuǎn)轂高。他們認(rèn)為EIL 仿真具有高度的重復(fù)性，可滿足標(biāo)定的精度要求?；诖耍珿use 等人[18]研究了更改變速箱控制器（TCU）的控制策略對(duì)油耗和排放的影響。

在經(jīng)過廣泛驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，EIL 仿真被越來越多地應(yīng)用在整車開發(fā)過程中。

Vijayagopal 等人[19]使用EIL 評(píng)估了在常規(guī)汽油車上使用熱電發(fā)電機(jī)的節(jié)油潛力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在US06循環(huán)下使用熱電發(fā)電機(jī)，能帶來約1%的節(jié)油效果。

隨著混合動(dòng)力汽車得到越來越多的關(guān)注，EIL 仿真更多地應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車的開發(fā)過程中。

Filipi 等人所建立的混合動(dòng)力汽車EIL 仿真平臺(tái)是通過實(shí)際的V8 柴油機(jī)和虛擬的車輛建立的，利用此EIL 仿真平臺(tái)評(píng)估了市區(qū)工況下柴油機(jī)的瞬態(tài)排放。他們發(fā)現(xiàn)，混合動(dòng)力汽車的能量管理不能僅僅考慮經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)態(tài)排放，更應(yīng)該考慮瞬態(tài)排放。通過EIL 可以很方便地分析和標(biāo)定瞬態(tài)排放，從而為進(jìn)一步設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)（如多次噴射）或車輛級(jí)（如最優(yōu)能量管理下的排放控制）的策略提供了基礎(chǔ)[8]。

維也納科技大學(xué)的Teiner 等人[20]利用EIL 仿真評(píng)估了并聯(lián)柴油混合動(dòng)力總成NOx排放和油耗的降低潛力。相比于傳統(tǒng)柴油機(jī)，集成起動(dòng)機(jī)-交流發(fā)電機(jī)輕度混合動(dòng)力總成能使NOx排放降低28%左右，油耗降低8%左右。使用單離合器并聯(lián)微混合及全混合動(dòng)力總成時(shí)，NOx的降低幅度達(dá)到35%，油耗降低了15%。

Argonne 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Shidore 等人[21]使用EIL仿真對(duì)功率分流式的插電式混合動(dòng)力汽車使用乙醇汽油的效果進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，對(duì)于常規(guī)汽車，使用乙醇汽油后，隨著乙醇汽油中乙醇含量的增加，燃油經(jīng)濟(jì)性降低。而在混合動(dòng)力模式下，由于乙醇汽油具有更好的防爆震特性，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較高的情況下（比如電量保持模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)除了驅(qū)動(dòng)汽車之外，還同時(shí)給電池充電），發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的燃燒效率，從而彌補(bǔ)了乙醇汽油能量密度低的缺點(diǎn)。

此外，Shidore 等人[22]通過EIL 仿真對(duì)串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，并確定影響油耗的主要因素，隨后通過純仿真探索油耗優(yōu)化策略，最后又回到EIL仿真，在考慮排放的情況下，對(duì)油耗的優(yōu)化策略進(jìn)行驗(yàn)證，從而縮短了開發(fā)周期。

Kim 等人[23]利用EIL 仿真對(duì)功率分流式的插電式混合動(dòng)力汽車的能量管理策略進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)新開發(fā)的能量管理策略能提高約12%的燃油經(jīng)濟(jì)性。

Klein 等人[24]應(yīng)用EIL 仿真評(píng)估了使用48V 微混合動(dòng)力系統(tǒng)帶來的燃油經(jīng)濟(jì)性收益。通過EIL 進(jìn)行了多次WLTC 和RDE 測(cè)試，發(fā)現(xiàn)使用48V 微混合動(dòng)力系統(tǒng)后，THC 和NOx排放變化很小，但顆粒排放降低了38%（WLTC）和40%（RDE），油耗降低了3.8%（WLTC）和3.2%（RDE）。

Planer 等人[25]通過純虛擬仿真對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，然后基于EIL 仿真平臺(tái)，對(duì)優(yōu)化后的控制策略的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)對(duì)于NEDC 循環(huán)的油耗，純虛擬仿真結(jié)果和EIL 仿真結(jié)果具有較高的一致性。

除了將EIL 仿真應(yīng)用在產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的環(huán)保部門正在研究如何使用EIL 仿真制定混合動(dòng)力重型汽車的測(cè)試法規(guī)。

Andreae 等人一直致力于為美國(guó)環(huán)保局（EPA）開發(fā)基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的測(cè)試和評(píng)價(jià)方法[16]。他們定義了重型車混合動(dòng)力總成評(píng)估的測(cè)試步驟，允許將一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)用于多個(gè)車輛，并確保以高保真和可重復(fù)的方式來評(píng)估動(dòng)力系統(tǒng)的性能。通過對(duì)變速器輸出端的測(cè)試要求的定義，所提出的測(cè)試步驟允許使用自動(dòng)和手自一體變速箱及混合動(dòng)力系統(tǒng)或其他先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行一致性評(píng)估。

事實(shí)上，除了美國(guó)EPA 在通過EIL 仿真進(jìn)行一系列應(yīng)用于法規(guī)認(rèn)證的測(cè)試方法的開發(fā)外，聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（ECE）于2015 年發(fā)布了針對(duì)混合動(dòng)力重型汽車的排放測(cè)試規(guī)程的提議稿[26]。在這份文件中，除了提議采用基于日本法規(guī)的HIL 仿真方法外，也提議采用基于混合動(dòng)力總成的EIL 仿真方法。該EIL 仿真方法需要將混合動(dòng)力總成的所有零部件都作為實(shí)際物理硬件，從而直接進(jìn)行排放測(cè)量。

3 結(jié)論與展望

1）HIL 仿真在汽車領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。作為HIL 仿真的一種特殊型式，EIL 仿真逐漸成為研究的重點(diǎn)。

2）EIL 仿真系統(tǒng)的實(shí)際物理硬件為發(fā)動(dòng)機(jī)（或動(dòng)力總成）及其控制器，虛擬子系統(tǒng)為整車和駕駛員模型等。實(shí)際物理硬件和虛擬子系統(tǒng)通過不同的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)耦合在一起。EIL 仿真適用于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況下的排放和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估。眾多的研究結(jié)果表明，EIL 仿真測(cè)試結(jié)果具備開發(fā)級(jí)別的精度。

3）EIL 仿真系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車，特別是混合動(dòng)力重型汽車的開發(fā)中。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已著手制訂基于EIL 的混合動(dòng)力重型汽車的排放和油耗法規(guī)。在國(guó)內(nèi)，尚未有研究機(jī)構(gòu)針對(duì)這種評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究。因此，在未來的研究工作或法規(guī)制訂過程中，應(yīng)針對(duì)基于EIL 的方法展開細(xì)致的研究。