雷诺采用 Simcenter Amesim 简化未来混合动力车和电动车的开发工作

混合动力汽车开发的复杂性

减少 CO2 排放是一项持续挑战。各个国家/地区在共同层面达成一致后，这一关键议题也将在 2026 年（或之前）成为强制法规要求。为了符合未来的 CO2 排放标准，实现汽车电气化是必经之途。因此，混合动力汽车的开发已经从每家汽车制造商的加分项转变为必备条件。

混合动力总成比传统或电动汽车等单一能源车辆复杂得多，这主要是因为架构存在多种可能组合。例如，在并联混合动力汽车中，多个推进源既可以组合使用，也可以独立使用。在串联混合动力汽车中，推动力仅由电动机完成，但电能又来自另一种车载能源，例如内燃机。

由于混合动力总成的跨学科性质，工程师必须平衡每种能源所需的功率，研究其他系统选择（例如变速箱和冷却系统）对车辆能源性能的影响，并验证理想方案。这些任务需要调查许多组合，还要求工程师详细说明适当的控制策略。

因此，行业迫切需要快速评估各种混合动力总成的架构并选择更高效的架构，比较组件特性，同时评估其在不同驾驶模式下的性能。混合动力总成设计需要管理多个物理领域，并且在设计周期的不同阶段需要系统架构师、项目经理和应用专员等不同专家开展协作。专家们必须克服复杂性和管理风险才能实现创新。管理产品复杂性，也就是产品创造流程的复杂性，以及参与开发和交付这些产品的全体人员之间互动的复杂性，引出了一个简单的问题：如何重新简化这种复杂性并以合理成本按时交付高质量产品？

在早期设计阶段做出技术决策

作为全球第四大汽车制造商，雷诺-日产受创新和差异化所驱动，当前的一大差异化优势就是能够以合理成本交付环保汽车。雷诺-日产联盟集团致力于减少集团活动，以及从设计到回收的整个产品生命周期对环境的影响。该联盟已经占据全球电动汽车市场约 70% 的份额，拥有雷诺 Zoe 和日产 Leaf 等全电动汽车，并计划通过开发先进的混合动力架构来扩大汽车业务版图。

Eolab 概念车是第一步。Eolab 是新型的插电式混合动力车，结构紧凑，价格适中。在 60 公里的里程内，它能够以达到 120 公里的时速实现超低油耗和零排放。这种“零排放”混合动力技术将在未来几年内完善雷诺的电动车产品。

为了开发这项面向未来的技术，雷诺-日产联盟目前正在部署专门的工具和方法。公司成立了测试和数字化工程部门，为集团提供相应的计算机辅助工程 (CAE) 方法和数值模型，由此推动未来项目创新。此部门中有一个 12 人的团队，他们专注于简化机电系统工程师的工作。工程师们的要求非常明确：他们需要一个协同平台对混合配置的能源合成进行评估，从而验证循环并促进设计前阶段的决策。

工程师们必须迅速确定油耗目标，规划项目路线图并确定不同子系统的大小。他们需要一个易于使用的多物理场仿真环境，以便简化所选混合架构的优化工作。专家将使用该平台进行定制，非专家将使用该平台快速测试参数组合。为了满足这些需求，雷诺公司在产品生命周期管理 (PLM) 专家 Siemens Digital Industries Software 的工具和人员的帮助下，开发出名为 GREEN (Global and Rational Energy EfficieNcy) 的能源合成仿真平台。

协同式虚拟设计平台

GREEN 平台由测试和数字化工程部门开发，是特定于应用的图形用户界面 (GUI)，与 Simcenter Amesim 软件、MATLAB® 环境、Simulink® 环境和 Excel® 电子表格软件文件库相连。该平台使工程师能够快速将模型参数化、运行仿真并对结果进行后处理。平台包含一个预制的综合混合动力汽车配置器，使用户能够在多种混合动力架构中自行选择。该部门还开发了一个由“可参数化”子系统组成的通用工厂模型架构，这些子系统可以分别激活或停用。

通用物理工厂模型则使用 Siemens Digital Industries Software 的 Simcenter Amesim 创建而成。能源管理和高级控制策略由 Simulink 提供支持。用户可以创建具有手动、自动、机器人化或双离合变速器的混合动力汽车，还可以将电动机定位在前轴或后轴上以及离合器之前或之后等位置。架构设置完毕，即可定义所有子系统的大小，例如 30kW 或 50kW 的电动机，1.6L 或 2L 的柴油机等。任何组合的配置都简单易行。

随后，工程师们可以定义和优化能源控制策略，指定内燃机启动时间、扭矩水平以及电动机接替热力发动机的时间和途径。给定架构定义和子系统选择后，GREEN 平台的后处理功能会根据所选机电架构和组件参数自动优化能源管理策略。

工程师可以通过这些功能选择架构，然后使用集成式且易于操作的工作流来管理和可视化参数及各种轮换方案，而无需创建能源管理策略。新的能源管理和控制策略可以根据具体研究的需要，由更高级用户轻松测试。

GREEN 平台的灵活性和强大功能使工程师能够在几个小时内定义并验证架构、其选定的子系统，以及能源管理控制法则。该平台使用通用语言来促进沟通和决策，将参与同一项目的各种专业知识和应用工程师整合在一起。“Simcenter Amesim 支持的 GREEN 平台可以将不同领域的专业知识和不同的系统工程师联合起来，并使从未合作过的团队一起就工程问题进行沟通，找寻通用的解决方案。”测试和数字化部门混合动力和电动系统的方法和仿真经理埃里克·肖夫利耶评论道。该平台提供的结果包括燃料和能耗、性能、动力总成的工作点和整个传动系统的能量流。此外，物理特性或控制参数的敏感性研究也可以通过该工具轻松管理。

Simcenter Amesim 的力量

GREEN 解决方案的新 GUI 以 Simcenter Amesim 为基础研发而成。“Siemens Digital Industries Software 的机电系统仿真平台提供了现成的可定制成熟组件，用于构建从子系统到系统集成的完整车辆架构。”肖夫利耶补充说道，“Simcenter Amesim 真是灵活又强劲的基础。它的多层方法提供了适合任何设计阶段的组件：从基于映射的早期架构定义，到更详细的模型和驱动，再到优化子系统和组件的先进工程。得益于其多领域特性，它不仅能够对电动机、内燃机和传动系统等不同动力系统组件进行建模，还使我们能够平衡车辆的各种属性，比如油耗、排放、性能和驾驶性。”

在开发 GREEN 工具时，雷诺主要仰赖 Siemens Digital Industries Software 的工程师。事实证明，团队的可用性和专业知识对汽车制造商而言都非常宝贵，有助于解决平台开发过程中的关键问题。Simcenter 工程师充分了解客户的工程挑战，同时精于数字仿真技术。

Simcenter Amesim 也因其巨大潜力而获选，它将推动 GREEN 平台的进一步发展，管理新的车辆设计要求。Simcenter Amesim 的开放性可以简化模型的演变、与嵌入式控件的交互，以及与其他平台或模型的交互。

事实证明，Simcenter Amesim 是一个非常灵活的平台，可以与 MATLAB 和 Simulink 进行协同仿真，提高控件的可读性以及与嵌入式代码的交互性。通过在 Simcenter Amesim 中使用 Python 开源编程语言和 MATLAB 高级计算语言创建脚本，工程师能够控制能源合成研究的工作流程（包括数据、计算、仿真启动、用例、分析和合成），从而出色地执行复杂模型。

Simcenter Amesim 的灵活性将使 GREEN 平台获得进化，扩展常规动力总成的分析，并在其油耗和性能与其他关键属性之间进行权衡分析，其中包括热舒适性、车载网络能源管理、驾驶性、排气等。