全球汽车制造商使用 Simcenter 优化混合动力汽车性能

韩国现代

在过去的两个世纪里，人类社会发生了翻天覆地的变化。当然，现代化进程产生很多积极的影响，包括寿命的延长、舒适度的提高、通讯和交通方式的改变等等。与此同时，人口的不断增长，工业化和全球化趋势却也给环境造成极大的压力。不幸的是，直到上世纪的最后几十年，科学家们才开始向公众发布有力证据，证明人类的行为正在缓慢对地球产生无法弥补的损害。

如今的人类是人类历史上开始考虑如何平衡技术进步与环境影响的第一代人。因此，工程师们竭尽全力想要开发的技术需要既能满足运行和消费者需求，同时又能满足低能源消耗和排放的要求。为了满足这些要求，很多行业，尤其是交通运输行业，需要技术和工艺两方面都极度现代化。

韩语里的“现代”一词，英文字母为“hyundai”，并非巧合。现代汽车集团 (HMG) 是全世界第三大汽车企业，其工程师们自上个世纪八十年代末期就开始试验其他备选、比传统内燃机 (ICE) 更加环保的动力方式，包括灵活燃料汽车、电动汽车和混合动力电动汽车 (HEV)。混合动力电动汽车是目前最受关注的车型，亟待解决的问题就是电池需要更长的里程，并且需要额外基础设施以便为电机充电。

复杂的 HEV 工程设计

设计 HEV 面临着复杂的挑战，例如确定哪种配置最适合特定车型及其预期用途。主要理念就是要让电机支持内燃机，这样就可以更加高效地工作，甚至在某些行驶工况下完全替代内燃机，譬如在城市使用时。大量工程设计针对组件的选型、控制算法的定义展开，从而协调电机和内燃机之间的协同作用以实现最佳功效。同时，工程师们必须考虑其他关键性能要求，包括行驶动力学和舒适性。

“为了改善某个性能方面而更改某项参数，可能会对其他方面产生负面影响；我们必须同时查看多个属性，才能找到最佳平衡点，”现代汽车公司高级工程师 Bang Jae-Sung 这样说道。Jae-Sung 是现代汽车研发中心的一名专家，主要负责开发 HEV 控制逻辑，以便实现最佳汽车性能。“除此之外，由于涉及的参数数量众多，要评估的行驶工况种类繁多，因此如果整个过程太过依赖试验或是出错，就会非常耗时，并且也会成本高昂。”

实施基于仿真的方法

现代汽车公司的工程师们与 Siemens Digital Industries Software 的专家一起，共同研究节省开发时间和成本的可行途径，具体包括通过顶级仿真功能实施一种更加自动化的性能优化过程。双方一起执行了一个项目，其中包括使用实时、闭环、基于模型的系统仿真来虚拟测试、验证并校准 HEV 主控制器。尽管硬件在环 (HiL) 测试平台是遵照行业标准的，此测试用例相当特别，因为它可以同时准确捕捉燃油效率和驾驶性能。

“HiL 仿真是一项困难的平衡任务，”Jae-Sung 说道。“一方面需要限制自由度 (DOF) 以便计算可以实时运行，另一方面，仿真模型需要保持足够的准确度以便产生可靠的结果。这就需要专业程度极高的软件工具。使用 Siemens Digital Industries Software 公司的 Simcenter Amesim™ 软件创建工厂模型并使用 MATLAB、Simulink 和 Stateflow 环境针对控制器模型进行协同仿真，我们可以完美地实现这一目标。”

除验证研究的主题——监控型混合动力控制单元 (HCU) 以外，工程师们还必须为子系统控制器进行适当细节水平的建模。例如发动机管理系统 (EMS) 控制燃油、空气和火花，以便产生 HCU 控制的转矩。如果此功能未准确建模，则可能导致预测燃油效率和电池充电状态时出现较大偏差。其他子系统也增加了复杂度。

Simcenter Amesim 动力学模型包含必需的物理场以准确捕捉能量流以及从燃油到机械能和电能的转化。为评估驾驶性能，模型拥有复制 0 到 20 赫兹 (Hz) 固有频率的所有相关单元，因为这一范围的频率驾驶员能够感受得到。模型还考虑了预测燃油效率所需的主要组件效率和能量损耗。此模型是从组件到整车进行系统构建的，每个阶段都得以验证，并且随后会简化以实时运行。

减少物理测试

“我们与 Simcenter 工程专家一起执行的项目表明，我们能够在 HiL 仿真结果与真实车辆行为多种属性之间同时实现良好的关联性，”Jae-Sung 说道。“这证实我们可以使用此方法提前进行性能验证，这样我们在设计 HCU 算法和定义校准值时就可以迅速评估趋势，从而使得物理原型具备更好的起点。”

实施基于 Simcenter Amesim 的流程作为标准开发典范，现代汽车公司的工程师们因而得以改进 HEV 的性能，同时大幅减少时间和成本。“由于使用 HiL 仿真预先定义了主校准值，我们能够将实际车辆测试数量降低 40%，”Jae-Sung 这样证实。

“我们仍在扩展此方法的范围，将其应用到更多的测试场景中，具体途径包括在模型中增加更多物理场，例如发动机的热效应、电机和电池、路形、车辆横向动力学等等。”

未来展望

这种环保车辆设计的彻底数字化进程与现代汽车公司的长期愿景完全一致。现代汽车公司的口号明确表明了公司在承担全球可信企业角色和责任、同时不断改进客户体验方面的远大抱负。为了实现这一双重目标，公司立志要高效交付创新出行解决方案，并且这些解决方案所基于的技术既环保又以人为本。将数字化转型应用到产品开发来为车辆增值，是此项努力的逻辑组成部分。

下一步即将开始！云计算、大数据分析以及物联网之类新兴技术创新带来了全新的技术远景。这些创新将助力现代汽车公司这样的企业与其客户取得紧密联系，例如，获得有关车辆实际使用的更多信息，甚至包括各个客户的使用信息。

“通过开发与运作的数字化互联实现车辆的智能化，将成为新一代的技术变革，”Jae-Sung 这样确认道。“关于应用，我们可以想象，通过开发一种能够反映驾驶员倾向行为并收集实际车流密度现场信息的控制逻辑，可以实现性能和能效的进一步提升。从这层意义上说，车辆开发的数字化只是更广泛进程的一小步。”

这种愿景与当前行业趋势不谋而合，Siemens Digital Industries Software 公司也深以为然。为了实现这一愿景，西门子正在努力为打造便于整个产品生命周期数字线程的环境添砖加瓦。通过雄心勃勃的发展规划和收购，西门子明确希望支持客户打造下一级别的现代化，正如韩国的现代汽车公司。