硬件在環(huán)(HIL)技術(shù)在動力集成開發(fā)中的應(yīng)用研究

劉靈

(一汽海馬汽車有限公司動力底盤部，海南海口 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(biāo)的設(shè)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(yīng)用配置方案選擇等工作，在考慮到動力總成匹配的關(guān)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(guān)鍵。如何將整車的性能開發(fā)目標(biāo)分解到動力總成甚至其零部件的性能目標(biāo)和設(shè)計目標(biāo)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(shù)的應(yīng)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(shù)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(shù)及方法。如何更好地應(yīng)用這些模擬仿真技術(shù)，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(shù)，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(shù)在動力集成開發(fā)中的應(yīng)用是眾多新興仿真技術(shù)中較為典型的一項。研究它在整車項目開發(fā)中的應(yīng)用，是動力集成工程師的重要工作。

1 硬件在環(huán)(HIL)技術(shù)介紹

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

HIL技術(shù)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(zhuǎn)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。可分為整車性能驗證的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(shù)是伴隨電控技術(shù)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(shù)(即半物理仿真技術(shù))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(shù)和半物理仿真技術(shù)，將整車性能在臺架上動態(tài)地準(zhǔn)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(shù)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(shù)的應(yīng)用也是重要的一環(huán)。HIL仿真技術(shù)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(fēng)險大、成本高及周期長的老大難問題。可以有效地把試驗道路轉(zhuǎn)移到發(fā)動機實驗室中，大大減少了整車道路驗證的任務(wù)及風(fēng)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(shù)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(shù)為代表的硬件在環(huán)技術(shù)應(yīng)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(yīng)商dSPACE和ETAS在該領(lǐng)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(nèi)臺架的在環(huán)仿真測試和分析服務(wù)。

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(fù)雜道路情況的油耗測試，油耗特性研究結(jié)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(jié)果和實車道路測試結(jié)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(shù)在國外已得到廣泛的應(yīng)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(nèi)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(shù)的控制。

在國內(nèi)，各大高校和自主品牌車企依托主流供應(yīng)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(shù)(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(shù)，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(shè)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(shè)也在逐步加快，其中上汽已將硬件在環(huán)仿真技術(shù)應(yīng)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(shù)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(gòu)建并深入地研究該平臺的應(yīng)用方法和技術(shù)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(gòu)建不僅為專業(yè)能力建設(shè)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(shù)的發(fā)展趨勢

隨著電控技術(shù)在汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和滲透，當(dāng)前整車性能開發(fā)流程已由傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)向性能設(shè)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(guān)的計算分析和試驗研究，在設(shè)計工程階段給整車設(shè)計部門提出相應(yīng)的設(shè)計指標(biāo)和要求，指導(dǎo)整車正向開發(fā)，同時保證開發(fā)過程各階段的指標(biāo)滿足設(shè)定目標(biāo)。此過程中整車性能的實時跟蹤和反饋至關(guān)重要，它直接決定了項目的開發(fā)周期、成本和風(fēng)險(如圖4所示)，在此背景下硬件在環(huán)仿真技術(shù)應(yīng)運而生。2012年AVL公司對汽車開發(fā)過程中各種測試技術(shù)進行了分析和預(yù)測，分析表明未來在整車開發(fā)過程中硬件在環(huán)技術(shù)的應(yīng)用將急劇增加，尤其是動力總成在環(huán)技術(shù)應(yīng)用，實際道路測試的任務(wù)將有所減少(如圖5所示)。

圖4 整車開發(fā)流程中的關(guān)鍵問題

圖5 當(dāng)前和未來整車開發(fā)測試任務(wù)量對比

4 硬件在環(huán)(HIL)技術(shù)研究目的及意義

當(dāng)前一般車型開發(fā)時動力總成選型主要是通過標(biāo)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(shù)、質(zhì)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(dá)成最終的速比選擇。其他零部件的選型或選擇應(yīng)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(biāo)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(shù)或者零部件(智能油泵、啟停功能、電子格柵、低滾阻輪胎等)應(yīng)用于整車上，在測試節(jié)能技術(shù)或零部件的節(jié)油率時，基本上是通過整車的油耗轉(zhuǎn)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(zhǔn)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(shù)平臺，有效提高動力集成能力，可將道路試驗轉(zhuǎn)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(shù)平臺可以實現(xiàn)任意車輛循環(huán)的發(fā)動機工況轉(zhuǎn)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(dǎo)；可以提供整車行駛中平順性、操縱穩(wěn)定性及換擋品質(zhì)評價，有助于自動變速器換擋策略開發(fā)等技術(shù)水平和質(zhì)量的提高與沉淀；可以將某項節(jié)能技術(shù)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(yīng)關(guān)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(shù)在整車性能開發(fā)流程中的應(yīng)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(shù)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(shù)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(biāo)準(zhǔn))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(jié)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(shù)的流程和規(guī)范是硬件在環(huán)仿真技術(shù)無縫鏈接到整車開發(fā)流程中的關(guān)鍵技術(shù)。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(nèi)容。總體來說，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(biāo)，根據(jù)成熟車型或標(biāo)桿車型作為整車研發(fā)驗證的對標(biāo)車型，專業(yè)部室通過在環(huán)技術(shù)平臺進行評估，按照項目需要細(xì)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(shù)流程和內(nèi)容中，形成規(guī)范說明，即形成作業(yè)指導(dǎo)書或流程來開展相關(guān)項目的指導(dǎo)工作。

6 硬件在環(huán)(HIL)技術(shù)在動力集成開發(fā)中的應(yīng)用

按照整車性能開發(fā)流程，利用硬件在環(huán)仿真技術(shù)平臺，結(jié)合某車型的開發(fā)需求，構(gòu)建平臺，開展相應(yīng)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(shù)在動力集成開發(fā)中的應(yīng)用主要分為5個階段，主要工作內(nèi)容及周期如表1所示。

表1 硬件在環(huán)技術(shù)整車開發(fā)中的主要內(nèi)容及周期

7 小結(jié)

在能源與環(huán)境日益惡化的今天，推動節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用已成為汽車技術(shù)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢和企業(yè)不可推卸的社會責(zé)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(shù)將應(yīng)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(shù)在動力集成開發(fā)中的應(yīng)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(wù)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(dá)到整車降耗的目標(biāo)。

另外，可以通過HIL技術(shù)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(diào)教手段和精準(zhǔn)度，提高產(chǎn)品的節(jié)能效果和品質(zhì)，為產(chǎn)品后期改進與升級提供車輛信息參考、結(jié)合車型，優(yōu)化整車性能，為評估節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的可行性分析(智能油泵、PWM風(fēng)扇等節(jié)能技術(shù)的節(jié)油率)提供依據(jù)。