整車級虛擬標定技術的應用研究

楊云波 陳國棟 張學鋒 韓令海 李巖

（1.中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：虛擬標定 對象模型 駕駛性 控制器

OBD On Board Diagnosis

RDE Real Drive Emission

CFD Computational Fluid Dynamics

MIL Model in the Loop

SIL Software in theLoop

HIL Hardwarein the Loop

EMS Engine Management System

TCU Transmission Control Unit

HCU Hybrid Control Unit

BMS Battery Management System

MCU Motor Control Unit

ABS Antilock Braking System

ACC Adaptive Cruise Control

ESP Electronic Stability Program

VVT Variable Valve Timing

1 前言

隨著社會發展和用戶對汽車產品要求的提高，排放油耗法規的逐步加嚴，動力系統配置、車輛配置以及目標市場的多樣化都為汽車產品開發工作帶來巨大的挑戰，給整車廠的研發帶來的巨大的壓力，如圖1所示。整車廠不斷嘗試通過縮短研發周期、優化研發流程、提高研發質量、降低研發成本途徑適應行業的發展，整車電控標定作為產品開發后期的一個重要環節，可以有效實現車輛的排放、油耗、駕駛性、NVH性能的全面提升，需要根據動力系統的配置進行全面的試驗方案設計，但每增加1個配置，試驗方案的設計就增加1個維度，隨著系統配置的增多會導致整體的試驗呈幾何級數增長，運用傳統標定方法已很難滿足當前汽車產品開發的需求，因此急需尋找一種先進的標定方法和工具來解決這一問題，虛擬標定技術作為能有效解決上述問題的技術手段之一越來越受到整車廠的重視。

圖1 整車標定面臨的挑戰[11]

近年來，國內外主要廠商在虛擬標定上的研究日益增多，2015年至2020年全球各主機廠商在SAE上發表虛擬標定論文的統計如圖2所示。國內廠商吉利、長城、長安也均在開展相關的研究，第三方技術技術咨詢公司AVL、Ricardo、FEV、ETAS等也已有了在某些特定應用場景的成功應用案例。

圖2 各主要廠商2015到2020年在SAE上發表虛擬標定論文數

2 虛擬標定技術的優勢

虛擬標定技術是建立在CAE技術的基礎上，可以使用先進的方法論和工具鏈解決復雜問題。利用計算機技術，可以大大減少人員、車輛和試驗資源的投入，同時縮短開發周期，降低開發費用，提高測試數據質量，如圖3所示。

圖3 虛擬標定技術的價值

虛擬標定的技術優勢主要通過以下途徑來實現。

（1）標定工作前移。標定工作開始時間從樣機/車試制完成提前至樣機/車性能設計完成，可以實現標定工作提前6～9個月啟動，與整車開發其它工作并行開展，從而實現整個產品開發周期的縮短。

（2）標定效率提升。自動化測試及自動尋優工具在虛擬平臺上有更大的使用空間，可每天24 h運行。

（3）擺脫環境和季節因素的影響。節省排放車輛如靜置等試驗準備時間，三高標定可隨時進行，其中三高標定是指高溫、高寒、高原標定試驗。

（4）易于實現極限工況和重復工況。最高車速、OBD故障模擬、RDE工況等易于實現，且不用擔心車輛駕駛安全和車輛保養問題。

與此同時，整車級虛擬標定技術除了對標定本身的貢獻之外，還可以很好的反哺整車性能設計和控制策略開發，如在項目開發過程中如果發現某些性能不能達標，通過更改軟件控制策略及標定數據無法優化的情況下，可以嘗試更改相關硬件的某些參數，然后通過虛擬標定平臺進行整車系統級的仿真，這種方法能夠很好的為硬件優化提供方向性的指導，見圖4。

圖4 虛擬標定技術反饋性能設計和控制策略開發

3 整車級虛擬標定關鍵技術

整車級虛擬標定技術是在虛擬的整車對象模型上開展工作的，對象模型的精度和運算速度是虛擬標定能否開展的主要制約因素。因此，對象模型的建立是虛擬標定的關鍵技術之一。同時，整車級的虛擬標定技術需要綜合考慮整車各個部件的性能，但不同的部件，其建模的工具和方法卻不盡相同，為了讓各個部件最終都在統一平臺上協調運行，對各個模型進行集成以及搭建虛擬試驗臺也是整車級虛擬標定關注的重點。虛擬標定的結果最終需要在實車上進行驗證，整車級虛擬標定技術與實車標定如何結合才能發揮最大作用，實現質量高、周期短、成本低的目標也是整車級虛擬標定技術所需要重點突破的技術，下面分別對3個關鍵技術進行闡述。

3.1 對象模型的建立

針對某一需要研究的零部件或系統為研究對象進行建模，一般稱為對象模型，對象模型有3種類型，如圖5所示。越高精度的模型需要越長的開發時間，而且計算過程的耗時也較長，例如三維CFD的模型。整車級虛擬標定是進行整車系統級的仿真，所需零部件的對象模型種類繁多，全部開發高精度復雜模型會耗費大量的時間，而且由于系統復雜程度高會導致運算速度較慢，很難用于虛擬標定，因此虛擬標定一般根據使用目的和所要標定工作包不同，進行不同等級對象模型的建立，整車級虛擬標定一般建模的模型等級如圖6所示。

圖5 對象模型類型[2]

圖6 整車級虛擬標定對象模型分類

發動機是汽車系統中的重要部件，與整車的駕駛性、排放和油耗的主要性能息息相關，因此發動機對象模型的開發過程是虛擬標定研究的一項重要內容。零維均值模型是一種基于物理原理和試驗數據相結合的模型，由于其開發時間短、運行速度快，被廣泛應用于控制系統開發，也用于開展部分標定工作。Chen等就是建立發動機均值模型的基礎上開展OBD的標定；王利民等運用AVL的CruiseM軟件建立半經驗、半物理的發動機零維模型開展燃油消耗率和NO 排放的虛擬標定研究。但是均值模型只能反映一個循環的平均特性，同時，由于其是基于試驗數據測試搭建的，發動機任何零部件的更換試驗數據都需要重新測試，模型的可復用性比較差。

一維動態模型是虛擬標定發動機對象模型目前的主流趨勢，這種模型是基于曲軸轉角求解的，可反映每一度曲軸轉角的發動機的動態特性。Liu等的研究指出1 800 r/min以下發動機各缸之間扭矩循環波動是影響駕駛性的重要因素，因此使用Ricardo的Wave軟件搭建了一維氣路和基于曲軸轉角的燃燒循環發動機模型，可計算氣缸之間扭矩的循環波動，用于駕駛性的虛擬標定研究。Damji等使用AVL Boost-RT軟件搭建了基于曲軸轉角計算的實時物理模型，該模型的優勢是零部件模型是基于物理特征建立的，任何零部件的更改或變化可快速的在模型中體現，可復用性較強。Andric等使用GT-SUITE軟件開發了一款柴油機一維實時仿真模型用于虛擬標定，但是一維動態模型的缺點是不能完全反映控制參數調整而引起的發動機性能的變化。例如，一維動態模型一般采用韋伯或雙韋伯模型反映燃燒放熱過程，但是點火提前角的變化會導致燃燒放熱過程與韋伯模型的放熱過程不相符，從而導致模型計算結果失真。在整車電控標定過程中，調整點火提前角的工況是非常普遍的，因此，性能可預測是虛擬標定對對象模型的進一步要求。Uppalapati等開發了發動機一維預測模型，用于發動機標定的研究。三維模型由于其復雜程度較高，計算耗時長，一般無法用于虛擬標定，相關文獻中均沒有提及。

如上所述，對于如變速器、傳動系、底盤、輪胎等整車其它部件的模型，如果只關注油耗、排放和OBD主要性能目標，一般都采用基于MAP的簡化模型，如果要開展整車的駕駛性研究，就需要開發詳細的一維多體動力學模型。雖然，目前單個部件對傳動系統的動態響應研究很多，但是對整個車輛系統的行為影響和分析確較少提及，福特公司在進行駕駛性虛擬標定研究過程中，使用GT-SUITE軟件進行變速器對象模型的開發，使用SIMPACK軟件進行了整車多體動力學模型的開發，從整車系統級的角度對影響駕駛性的對象模型進行了詳細的開發。同樣的，AVL公司也通過使用CRUISE和VSM軟件開發相關對象模型，用于模擬從發動機到輪胎再到底盤的車輛動態響應，從而將發動機的扭矩輸出反映到整車加速度的變化上。

3.2 對象模型集成及虛擬標定試驗臺搭建

不同的對象模型其建模所使用的軟件不同，例如：發動機對象模型的建模軟件為GT-Power、Wave、AVL-Boost等，變速器對象模型的建模軟件為AMES?im、MATLAB/Simscape、GT-SUITE等，整車多體動力學的對象模型的建模軟件為ADAMS、SIMPACk、MAT?LAB/Simscape等。進行整車級虛擬標定研究，需要將各個部件的模型進行聯合仿真，不同軟件的聯合仿真成功與否在于數據的傳輸接口是否有效，一般來說，目前各個商業軟件的接口技術已經成熟。存在的主要問題還是系統耦合時的精度和運算速度問題。

虛擬標定試驗臺有3種實現方案：模型在環（MIL）、軟件在環（SIL）和硬件在環（HIL），不同的方案有不同的優缺點。因為EMS一般由Bosch、Continen?tal等供應商來提供，因缺少控制策略和虛擬EMS，硬件在環方案是大部分公司的選擇。硬件在環系統的供應商主要有dSPACE和ETAS，可以實現和MAT?LAB/Simulink的完全無縫鏈接。因此，MATLAB/Simulink作為仿真模型的集成平臺被廣泛應用。趙君偉等就提出一種基于MATLAB/Simulink為主的虛擬試驗系統搭建方法，將ADAMS、AMESim和MATLAB/Simulink開發的子系統對象模型統一集成到MAT?LAB/Simulink環境中進行仿真。Damji等進行虛擬標定對象模型集成時，選用的集成平臺也是MATLAB/Simulink。值得注意的是，硬件在環系統是由實際控制器通過傳感器和執行信號與虛擬的整車對象模型組成。由于集成后的模型最終是要與控制器實物進行相連，這就要求整車級系統及的對象模型必須是能實時運行。因此，在進行對象模型集成時，對運算速度過慢的對象模型常用的處理方法是進行降階或者是簡化，在保證一定精度的前提下提高模型的運算速度。更先進的做法是采用多計算平臺分別運算再進行聯合仿真，Liu等研究中就采用了這樣一種方式，他們將車輛模型和IO接口運行在dSPACE DS1006上，發動機和變速器模型運行在dSPACE SCALEXIO多核處理器上，SIMPACK車輛模型運行在一個Linux實時仿真計算機上，其架構如圖7所示。

圖7 多計算平臺聯合仿真架構[7]

3.3 整車級虛擬標定的應用

根據使用目的開發不同的對象模型，建立起虛擬標定試驗臺后，理論上可以實現虛擬標定在整車標定全過程的應用，如圖8所示。在經濟性標定方面，胡興奇等在虛擬試驗臺上進行動力傳動裝置經濟性虛擬標定研究，Merl等研究了混動系統的油耗集排放標定在虛擬標定平臺上的解決方案。在排放標定方面，Lee等研究了虛擬標定在實際道路排放（RDE）的應用，徐文杰研究了柴油機排放虛擬標定評價的建立以及應用。在駕駛性標定方面，Liu等人使用多計算平臺聯合仿真的虛擬平臺進行了駕駛性標定的研究，曾浩等基于GT-SUITE研究了換擋規律對駕駛性的影響，并對經濟性和全負荷動力性進行了預測。在OBD標定應用上，Baltusis詳細對比了在OBD標定上虛擬標定方法比傳統標定方法的優勢，Chen等詳細介紹了發動機虛擬標定平臺在氧傳感器、凸輪軸位置傳感器和三元催化器在線診標定上的應用。綜上所述，目前虛擬標定應用研究應用已經覆蓋了整車標定最關注的經濟性、排放、駕駛性和OBD大部分工作包。

圖8 整車級虛擬標定應用場景

以上相關的文獻資料的研究成果都著重于介紹虛擬測試與實車測試結果的對比，用于證明虛擬試驗臺測試結果的可信度。對于虛擬標定和實車測試的結合關系卻較少提及，本文將以排溫模型標定過程為例，通過對比傳統標定過程和虛擬標定應用后的標定過程進行介紹。圖9為傳統標定過程和虛擬標定應用后標定過程對比。從圖9中可以看出，從標定過程來看，傳統標定和虛擬標定都經過標定準備、標定過程和標定驗證3個步驟。

圖9 排溫模型傳統標定過程與虛擬標定應用后標定過程對比

（1）在標定準備階段中，虛擬標定應用中增加HIL系統中傳感器的配置，而減少車輛在上底盤測功機前的預處理工作；

（2）在標定過程階段，標定內容相同，傳統標定主要是用實際車輛在底盤測功機上進行，而虛擬標定則直接在虛擬試驗臺上進行，效率較高；

（3）在標定驗證階段，傳統標定和虛擬標定都是用真實車輛在實際道路上行駛進行標定數據驗證，區別在于傳統標定是用第2臺車來驗證第1臺車上標定數據的合理性，著重于驗證標定數據對于車輛差異的覆蓋度，排除標定過程中所使用車輛是非標準車輛的風險，而虛擬標定則是用真實車輛來驗證虛擬試驗臺標定數據的合理性，著重于驗證在虛擬試驗臺上完成的標定數據在實車上的可信度。

由于虛擬試驗臺是基于整車設計參數搭建的，所以虛擬標定所產生的標定數據可以天然排除制造誤差的影響，所要重點關注的就是理論設計結果和實車測試結果的一致性。

4 結束語

本文從整車級虛擬標定的必要性、應用路徑等方面闡述了虛擬標定的基本現狀及技術優勢，重點說明了虛擬標定的關鍵技術及國內外的研究現狀，雖然Ford、AVL、Ricardo、FEV、ETAS等公司已有了在一些場景的成功應用案例，但是作為一項全新的、高效的研發手段，整車級虛擬標定在實際應用方面也面臨著許多挑戰。

（1）對象模型的高精度挑戰

模型的精度是虛擬標定的前提條件，建立的模型要從物理特征及性能精度上能夠滿足標定的需求，因為最終應用的標定參數都依賴于模型輸出及性能參數，并以此為基準按照標定流程進行性能的標定優化。所以從標定對象的角度，虛擬標定建立的對象模型為數字孿生的模型。當前能夠支持虛擬標定，滿足高精度仿真的模型實時模型，需要滿足保持模型的物理幾何特征，同時滿足高精度，實時性，這需要對實時模型開發的求解器有很高的要求，目前能夠滿足該需求的模型開發軟件很少。

（2）對象模型的可預測性挑戰

虛擬標定建立的模型要脫離實際的標定數據，也就是說模型的仿真和標定數據之間要解耦，即不能存在因為標定數據的更改而導致模型需要重新修正。同時，從仿真應用的角度模型要有預測性，即仿真過程只是通過少量的建模工作對關鍵點進行精度驗證，同時需要保證其它工況點也能預測出相應的性能，如發動機不同的VVT，點火角，噴油時刻，節氣門開度等均為EMS的控制輸出，這些參數要和建立的模型形成閉環，建立的模型要能預測出在以上不同控制參數組合的性能輸出，并能達到虛擬標定精度的需求，同時在標定數據更改的情況下能夠預測出新數據的性能表現，供標定工程師使用，這對模型的建立提出更高的要求。

（3）對象模型的實時性挑戰

傳統的1D仿真實時性比較差，RTM（實時因子）一般在十幾，這意味著使用該1D模型是不能夠和EMS形成閉環進行聯合仿真的，同時仿真效率低，且需要處理器性能很高的電腦來運行模型，目前HIL的實時處理機也滿足不了該需求。為了滿足EMS軟件和硬件的控制需求，建立的模型需要具備實時性，最基礎的要求為模型的運行速度要比EMS運行快，同時從仿真精度的角度實時模型要盡量在1D模型轉換過程中少的簡化或最好不要簡化，以達到即能滿足保留物理幾何特征，又能滿足高精度、實時性的要求。以發動機為例，我們理想的模型仿真步長在<=1CA的曲軸轉角分辨率，同時實時模型無任何元器件簡化，并能保持高精度，因此實現該需求對1D實時模型的算法和求解器偶讀有很高的要求。

（4）對象模型的可復用性挑戰

考慮到發動機的變種形式越來越多，從建模效率上來講模型需要有較高的復用性以應用于不同的變型機上，也就是說1D模型通過針對性的建模更新，直接生成實時模型然后用于變形機型，達到高效的模型建模。同時從后續模型迭代的角度，最主要的工作就是模型的參數化，而不是花大量的時間進行模型重整或重新建模，這就要求在建模初期對模型的架構做好整體規劃。

（5）標定效率提升的挑戰

由于標定工程師的工作環境從物理臺架轉移到HIL虛擬標定臺架，就需要研發人員開發一些自動化工具來提高標定效率，如測試效率，數據分析效率等，這就要求標定工程師不僅有專業的標定技能還要有相關的軟件開發技能。