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為什么全球主流整車廠商選用Simcenter Amesim平臺進(jìn)行整車能量管理分析？
2020-03-15 23:02:25· 來源：數(shù)字化工業(yè)軟件技術(shù)期刊 作者：劉松
原創(chuàng) 前天文章簡介西門子Simcenter Amesim整車能量管理分析平臺適用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)、混動車及全電動車能耗分析，能夠全面分析整車各系統(tǒng)的能量流（化學(xué)能、熱能、機(jī)
文章簡介
西門子Simcenter Amesim整車能量管理分析平臺適用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)、混動車及全電動車能耗分析，能夠全面分析整車各系統(tǒng)的能量流（化學(xué)能、熱能、機(jī)械能）分布，全面預(yù)測不同優(yōu)化方案對油耗改善的影響，同時兼顧車輛多屬性（動力性、駕駛性、舒適性）平衡分析，是基于模型的整車研發(fā)（MBD）體系的核心組成部分。
由于疫情關(guān)系，近期回顧了2019年11月18-22日，西門子在Las Vegas的Converge2020會議和培訓(xùn)，在會上全球的專家和同事分享了云計算、大數(shù)據(jù)、低代碼開發(fā)、CAD、CAM、CAE等涉及機(jī)、電、軟領(lǐng)域的先進(jìn)知識和方案以及各行業(yè)的獨(dú)特技術(shù)應(yīng)用，讓人受益匪淺。尤其Simcenter平臺支撐的基于模型的研發(fā)（MBD）理念在整車能量管理方面的實(shí)踐，深感觸動。進(jìn)而思考，為什么全球主流的整車OEM和零部件企業(yè)都在選用Simcenter Amesim平臺進(jìn)行整車能量管理（VEM）分析？
圖1 MBD基于模型的研發(fā)在汽車行業(yè)的應(yīng)用
1 VEM實(shí)施背景
在新的經(jīng)濟(jì)環(huán)境和不斷變化的市場背景下，變革和全球化驅(qū)使全球汽車工業(yè)采用全新車輛配置方案以應(yīng)對燃油經(jīng)濟(jì)性要求。相對于傳統(tǒng)動力總成結(jié)構(gòu)，新型電驅(qū)結(jié)構(gòu)更能滿足創(chuàng)造“更加綠色”汽車的要求。然而，無論是傳統(tǒng)車還是新能源車的開發(fā)，面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是在項目初期如何選擇正確的技術(shù)，并且確保整車上所有子系統(tǒng)能夠最優(yōu)匹配、協(xié)同高效工作。整車的油耗（電耗）和排放的改進(jìn)需要全面考慮整車子系統(tǒng)之間的能量交互和消耗，單一部件或者總成的性能提高并不能全面解決該問題。因此迫切需要全新的方法和平臺（整車能量管理）來全局地提高燃油經(jīng)濟(jì)性，并兼顧整車多屬性之間的平衡，如動力性、駕駛性、舒適性等。
整車能量管理的方法綜合了全面的測試和集成的仿真來建立經(jīng)過驗(yàn)證的高精度的整車能量仿真系統(tǒng)。通過整車能量仿真系統(tǒng)分析整車在各種工況下各個子系統(tǒng)至各個部件能量消耗的情況（全面地能量流圖），一方面可以對對標(biāo)車型各個系統(tǒng)及部件能量消耗進(jìn)行對比，找到潛在節(jié)能的空間并測試各種節(jié)能技術(shù)的效果；另一方面，通過整車能量管理可以在設(shè)計的早期評估各種動力總成架構(gòu)、部件選型以及設(shè)計參數(shù)對油耗的影響，找到有效的提高燃油經(jīng)濟(jì)性的解決方案。此外通過整車能量管理能夠?yàn)檎嚹芰抗芾砜刂撇呗蚤_發(fā)提供全面地依據(jù)。
然而要獲得高精度的整車能量仿真系統(tǒng)，需要一個全面、精確和高效的能量流測試是基礎(chǔ)，包括：
1）全面：不僅僅只是獲得整車的整體油耗，而且要同時獲取各個子系統(tǒng)或者部件的燃油消耗和分布情況；
2）精確：在實(shí)車工作狀態(tài)下，通過測試的環(huán)境和過程的精確控制，使得獲取的數(shù)據(jù)的可重復(fù)性高，確保油耗數(shù)據(jù)精確地反映實(shí)車使用情況；
3）高效：通過自動化的控制實(shí)現(xiàn)各種能量相關(guān)的物理量的實(shí)時同步采集和數(shù)據(jù)后處理，包括轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度、流量、壓力、電流、電壓等。
同時需要一個系統(tǒng)仿真平臺，能夠覆蓋傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)、混動車及全電動車能耗分析，在不同的研發(fā)階段提供不同復(fù)雜度的各系統(tǒng)（如發(fā)動機(jī)、電機(jī)、傳動系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、電池系統(tǒng)等）及整車仿真模型。全面分析整車各系統(tǒng)的能量流（化學(xué)能、熱能、機(jī)械能）分布，預(yù)測不同優(yōu)化方案對油耗改善的影響。
西門子是全球唯一一家既提供VEM測試臺架又提供VEM系統(tǒng)仿真環(huán)境、以及實(shí)施經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商。
圖2 西門子仿真試驗(yàn)一體化正常VEM分析平臺
本文不涉及臺架和測試內(nèi)容，待后續(xù)。
2 VEM實(shí)施平臺Simcenter Amesim
西門子Simcenter Amesim平臺提供一個車輛統(tǒng)一的建模環(huán)境，覆蓋車輛各個子系統(tǒng)不同復(fù)雜度的建模。
圖3 Simcenter Amesim車輛建模與平臺
覆蓋整車從概念設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計階段的能耗分析。
圖4 不同研發(fā)階段的分析模型
在此平臺上可以進(jìn)行能量流分布和能耗優(yōu)化分析。
圖5 整車能量管理系統(tǒng)模型
圖6 整車能量流分布圖
圖7 不同構(gòu)型和策略下的能耗優(yōu)化對比
3 VEM實(shí)施平臺關(guān)鍵技術(shù)要求
單從模型來說，毫無疑問，目前市面上很多友商的仿真平臺都宣稱能夠進(jìn)行整車能量管理VEM分
3.1 多領(lǐng)域系統(tǒng)建模和集成環(huán)境--天然的能量流建模平臺
作為統(tǒng)一的建模平臺，不僅僅可以對車輛中具體的部件，例如發(fā)動機(jī)、變速器或者整車進(jìn)行詳細(xì)的建模，而且可以直接考慮這些部件之間的相互影響。例如可以直接將詳細(xì)的發(fā)動機(jī)模型和詳細(xì)的變速器模型之間連接起來，為發(fā)動機(jī)和變速器聯(lián)合控制提供依據(jù)。對于具體部件的模型，例如發(fā)動機(jī)，也可以將發(fā)動機(jī)的燃燒模型和附件系統(tǒng)，例如燃油噴射系統(tǒng)、VVA系統(tǒng)、渦輪增壓系統(tǒng)或者EGR系統(tǒng)直接耦合起來,該優(yōu)勢確保覆蓋車輛各大子系統(tǒng)中不同的能量形式，包括化學(xué)能、熱能、機(jī)械能、液壓能之間的消耗和轉(zhuǎn)換。
Simcenter Amesim 基于因果關(guān)系建模，遵循功率鍵合圖理論，從源頭上保證了模型的輸入輸出連接，系統(tǒng)始終遵循功率和能量守恒，是天然的能量流建模平臺。
圖8 基于能量流建模
3.2 車輛系統(tǒng)多層次建模功能—滿足整車不同開發(fā)階段的需求
該平臺上包含有建立車輛系統(tǒng)模型的各個應(yīng)用庫，從整體部件的功能模型應(yīng)用庫包括發(fā)動機(jī)模型、變速器模型、整車動力學(xué)模型到構(gòu)建這些整體部件詳細(xì)動態(tài)模型的應(yīng)用庫，包括發(fā)動機(jī)庫、傳動庫庫和車輛動力學(xué)庫。通過這些應(yīng)用庫，可以建立發(fā)動機(jī)、變速器和車輛動力學(xué)的詳細(xì)動態(tài)模型。對于執(zhí)行器，必須提供各個學(xué)科專業(yè)對應(yīng)的基礎(chǔ)庫，例如機(jī)械庫、液壓庫、電動庫、氣動庫等。通過這些專業(yè)基礎(chǔ)庫，可以對車輛控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器，例如車輛的電液或者電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、ABS和ESP的液壓系統(tǒng)、主動懸架及抗側(cè)傾液壓系統(tǒng)、自動變速器的液壓系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)的電液或者電磁VVA系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)等。該優(yōu)勢確?？梢杂蓽\入深，逐步挖掘出車輛從總成、部件直至單個零部件對能量消耗的貢獻(xiàn)量， 找到潛在的節(jié)能空間和方案。同時通過多層次的建模功能， 可以分析所采取的油耗措施對其它車輛屬性的影響， 例如動力性、操穩(wěn)、制動、舒適性等的影響， 進(jìn)行多屬性的平衡分析。
圖9 車輛系統(tǒng)多層級模型
3.3 綜合分析和優(yōu)化功能—多種能量流展示方法
為了能夠進(jìn)行油耗優(yōu)化，通過該功能可以首先可以方便地輸出各種形式的能量流圖，了解每個子系統(tǒng)及其部件對整車油耗的貢獻(xiàn)量，找到影響油耗的關(guān)鍵部件，為油耗改進(jìn)找到方向；其次能夠方便地找到每個子系統(tǒng)和部件相對于競品車輛來說的差距，特別是影響油耗的關(guān)鍵部件的性能和競品車輛的差距，所謂“知己知彼，百戰(zhàn)不殆”，為油耗改善找到可行的途徑。最后是確定每個子系統(tǒng)和部件的設(shè)計參數(shù)的更改對油耗的影響程度及耦合情況，為最終部件的選型奠定基礎(chǔ)。綜合分析和優(yōu)化功能為上述工作奠定了基礎(chǔ)。
圖10 車輛系統(tǒng)多層級模型多種能量流展示方法
3.4 自動智能求解器功能—多領(lǐng)域多級復(fù)雜度系統(tǒng)計算的核心
整車VEM是一個多物理領(lǐng)域系統(tǒng)，包括機(jī)電傳動、液壓和熱等領(lǐng)域，根據(jù)工程算法理論，不同的物理領(lǐng)域都有其最優(yōu)化的求解算法，不可能存在一種積分求解器最優(yōu)化求解所有的物理領(lǐng)域。比如求解變速箱高剛度液壓系統(tǒng)的積分算法就不能最優(yōu)求解齒輪傳動系，這樣會導(dǎo)致微積分方程求解不收斂，并容易產(chǎn)生積分間斷點(diǎn)等問題，因此對于VEM這種多領(lǐng)域系統(tǒng)必須要求其求解器能夠根據(jù)系統(tǒng)不同領(lǐng)域的狀態(tài)方程自動智能切換積分求解器，如果是手動選擇積分求解算法，存在以下兩個問題：
- 對于一個多領(lǐng)域系統(tǒng)，手動選擇一種固定的積分算法很難滿足多領(lǐng)域的求解需求，仿真精度和可靠性差；
- 由于工程技術(shù)人員重點(diǎn)關(guān)心工程實(shí)際應(yīng)用，不需要深入了解內(nèi)部的積分算法，比如龍格庫塔不適合求解剛性方程，歐拉法是求解方法簡單，計算量小但計算精度低，ADAMS法雖然可以求解隱式方程，但迭代的計算量大，影響計算效率；因此讓其手動去選擇，難度很大，可能會導(dǎo)致不同的工程師選擇不同的積分算法，因此結(jié)果的一致性很難達(dá)到保證，給方案優(yōu)化和對標(biāo)分析帶來困擾。
3.5 車輛系統(tǒng)模型與測試數(shù)據(jù)無縫耦合--測試與仿真分析一體化
在VEM建模和驗(yàn)證過程中，需要應(yīng)用到大量的VEM測試數(shù)據(jù)。該功能能夠方便地將測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模型中所需要的數(shù)據(jù)，并且能夠方便地對仿真結(jié)果和測試結(jié)果進(jìn)行對比。
1) 空調(diào)換熱器試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定工具
根據(jù)空調(diào)換熱器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)：冷熱邊的流量、溫度、壓力輸入以及換熱量，可以很快標(biāo)定出模型需要的換熱系數(shù)
2) 散熱器試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定工具
根據(jù)散熱器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)：冷熱邊的流量、溫度、壓力輸入以及換熱量，可以快速擬合各種散熱器模型
3) 電池試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入擬合工具
將標(biāo)準(zhǔn)的電池實(shí)驗(yàn)曲線（圖片格式）轉(zhuǎn)化精確電池模型，增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、可視化和驗(yàn)證功能，更簡化電池參數(shù)設(shè)置過程，與試驗(yàn)無縫連接；
4) 電池性能模型標(biāo)定工具
根據(jù)不同溫度和不同SOC下的充放電曲線，可以直接導(dǎo)入試驗(yàn)數(shù)據(jù)到電池模型中，進(jìn)行自動精確 標(biāo)定，生成模型所需要的參數(shù)；
5) 整車架構(gòu)生成工具
快速評估和對比不同動力構(gòu)型性能，并一鍵完成Amesim建模。
用戶可以定義車輛構(gòu)架、子系統(tǒng)參數(shù)和駕駛循環(huán)，內(nèi)嵌快速的優(yōu)化策略算法，對構(gòu)型進(jìn)行最低油耗評估
6) 模型測試驗(yàn)證工具（Model Test Bench Validation & Stats）
可以快速比較模型數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于評估模型的質(zhì)量；
7) 燃燒模型標(biāo)定（Wiebe）
通過比較試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果來標(biāo)定Wiebe燃燒模型；
8) MVEM模型數(shù)表生成工具
根據(jù)有效的測試數(shù)據(jù)，可以快速的生成MVEM模型
9) 壓縮機(jī)和渦輪全工況擬合工具
根據(jù)有限的壓縮機(jī)MAP，擬合全工況模型（low and high speed, surge, choke）
10) 電機(jī)預(yù)設(shè)計模型工具
根據(jù)已有電機(jī)的測試數(shù)據(jù)，可以快速預(yù)測新電機(jī)的性能；
4 Simcenter Amesim整車能量管理VEM分析案例
通過以上分析，毋庸置疑，事實(shí)上Simcenter Amesim平臺已成為全球主流車企能量管理分析的首選平臺。
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