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为什么全球主流整车厂商选用Simcenter Amesim平台进行整车能量管理分析？
2020-03-15 23:02:25· 来源：数字化工业软件技术期刊 作者：刘松
原创 前天文章简介西门子Simcenter Amesim整车能量管理分析平台适用传统内燃机、混动车及全电动车能耗分析，能够全面分析整车各系统的能量流（化学能、热能、机
文章简介
西门子Simcenter Amesim整车能量管理分析平台适用传统内燃机、混动车及全电动车能耗分析，能够全面分析整车各系统的能量流（化学能、热能、机械能）分布，全面预测不同优化方案对油耗改善的影响，同时兼顾车辆多属性（动力性、驾驶性、舒适性）平衡分析，是基于模型的整车研发（MBD）体系的核心组成部分。
由于疫情关系，近期回顾了2019年11月18-22日，西门子在Las Vegas的Converge2020会议和培训，在会上全球的专家和同事分享了云计算、大数据、低代码开发、CAD、CAM、CAE等涉及机、电、软领域的先进知识和方案以及各行业的独特技术应用，让人受益匪浅。尤其Simcenter平台支撑的基于模型的研发（MBD）理念在整车能量管理方面的实践，深感触动。进而思考，为什么全球主流的整车OEM和零部件企业都在选用Simcenter Amesim平台进行整车能量管理（VEM）分析？
图1 MBD基于模型的研发在汽车行业的应用
1 VEM实施背景
在新的经济环境和不断变化的市场背景下，变革和全球化驱使全球汽车工业采用全新车辆配置方案以应对燃油经济性要求。相对于传统动力总成结构，新型电驱结构更能满足创造“更加绿色”汽车的要求。然而，无论是传统车还是新能源车的开发，面临的最大挑战之一就是在项目初期如何选择正确的技术，并且确保整车上所有子系统能够最优匹配、协同高效工作。整车的油耗（电耗）和排放的改进需要全面考虑整车子系统之间的能量交互和消耗，单一部件或者总成的性能提高并不能全面解决该问题。因此迫切需要全新的方法和平台（整车能量管理）来全局地提高燃油经济性，并兼顾整车多属性之间的平衡，如动力性、驾驶性、舒适性等。
整车能量管理的方法综合了全面的测试和集成的仿真来建立经过验证的高精度的整车能量仿真系统。通过整车能量仿真系统分析整车在各种工况下各个子系统至各个部件能量消耗的情况（全面地能量流图），一方面可以对对标车型各个系统及部件能量消耗进行对比，找到潜在节能的空间并测试各种节能技术的效果；另一方面，通过整车能量管理可以在设计的早期评估各种动力总成架构、部件选型以及设计参数对油耗的影响，找到有效的提高燃油经济性的解决方案。此外通过整车能量管理能够为整车能量管理控制策略开发提供全面地依据。
然而要获得高精度的整车能量仿真系统，需要一个全面、精确和高效的能量流测试是基础，包括：
1）全面：不仅仅只是获得整车的整体油耗，而且要同时获取各个子系统或者部件的燃油消耗和分布情况；
2）精确：在实车工作状态下，通过测试的环境和过程的精确控制，使得获取的数据的可重复性高，确保油耗数据精确地反映实车使用情况；
3）高效：通过自动化的控制实现各种能量相关的物理量的实时同步采集和数据后处理，包括转速、扭矩、温度、流量、压力、电流、电压等。
同时需要一个系统仿真平台，能够覆盖传统内燃机、混动车及全电动车能耗分析，在不同的研发阶段提供不同复杂度的各系统（如发动机、电机、传动系统、底盘系统、电气系统、电池系统等）及整车仿真模型。全面分析整车各系统的能量流（化学能、热能、机械能）分布，预测不同优化方案对油耗改善的影响。
西门子是全球唯一一家既提供VEM测试台架又提供VEM系统仿真环境、以及实施经验的供应商。
图2 西门子仿真试验一体化正常VEM分析平台
本文不涉及台架和测试内容，待后续。
2 VEM实施平台Simcenter Amesim
西门子Simcenter Amesim平台提供一个车辆统一的建模环境，覆盖车辆各个子系统不同复杂度的建模。
图3 Simcenter Amesim车辆建模与平台
覆盖整车从概念设计到详细设计阶段的能耗分析。
图4 不同研发阶段的分析模型
在此平台上可以进行能量流分布和能耗优化分析。
图5 整车能量管理系统模型
图6 整车能量流分布图
图7 不同构型和策略下的能耗优化对比
3 VEM实施平台关键技术要求
单从模型来说，毫无疑问，目前市面上很多友商的仿真平台都宣称能够进行整车能量管理VEM分
3.1 多领域系统建模和集成环境--天然的能量流建模平台
作为统一的建模平台，不仅仅可以对车辆中具体的部件，例如发动机、变速器或者整车进行详细的建模，而且可以直接考虑这些部件之间的相互影响。例如可以直接将详细的发动机模型和详细的变速器模型之间连接起来，为发动机和变速器联合控制提供依据。对于具体部件的模型，例如发动机，也可以将发动机的燃烧模型和附件系统，例如燃油喷射系统、VVA系统、涡轮增压系统或者EGR系统直接耦合起来,该优势确保覆盖车辆各大子系统中不同的能量形式，包括化学能、热能、机械能、液压能之间的消耗和转换。
Simcenter Amesim 基于因果关系建模，遵循功率键合图理论，从源头上保证了模型的输入输出连接，系统始终遵循功率和能量守恒，是天然的能量流建模平台。
图8 基于能量流建模
3.2 车辆系统多层次建模功能—满足整车不同开发阶段的需求
该平台上包含有建立车辆系统模型的各个应用库，从整体部件的功能模型应用库包括发动机模型、变速器模型、整车动力学模型到构建这些整体部件详细动态模型的应用库，包括发动机库、传动库库和车辆动力学库。通过这些应用库，可以建立发动机、变速器和车辆动力学的详细动态模型。对于执行器，必须提供各个学科专业对应的基础库，例如机械库、液压库、电动库、气动库等。通过这些专业基础库，可以对车辆控制系统中的执行器，例如车辆的电液或者电动转向系统、ABS和ESP的液压系统、主动悬架及抗侧倾液压系统、自动变速器的液压系统、发动机的电液或者电磁VVA系统、燃油喷射系统等。该优势确保可以由浅入深，逐步挖掘出车辆从总成、部件直至单个零部件对能量消耗的贡献量， 找到潜在的节能空间和方案。同时通过多层次的建模功能， 可以分析所采取的油耗措施对其它车辆属性的影响， 例如动力性、操稳、制动、舒适性等的影响， 进行多属性的平衡分析。
图9 车辆系统多层级模型
3.3 综合分析和优化功能—多种能量流展示方法
为了能够进行油耗优化，通过该功能可以首先可以方便地输出各种形式的能量流图，了解每个子系统及其部件对整车油耗的贡献量，找到影响油耗的关键部件，为油耗改进找到方向；其次能够方便地找到每个子系统和部件相对于竞品车辆来说的差距，特别是影响油耗的关键部件的性能和竞品车辆的差距，所谓“知己知彼，百战不殆”，为油耗改善找到可行的途径。最后是确定每个子系统和部件的设计参数的更改对油耗的影响程度及耦合情况，为最终部件的选型奠定基础。综合分析和优化功能为上述工作奠定了基础。
图10 车辆系统多层级模型多种能量流展示方法
3.4 自动智能求解器功能—多领域多级复杂度系统计算的核心
整车VEM是一个多物理领域系统，包括机电传动、液压和热等领域，根据工程算法理论，不同的物理领域都有其最优化的求解算法，不可能存在一种积分求解器最优化求解所有的物理领域。比如求解变速箱高刚度液压系统的积分算法就不能最优求解齿轮传动系，这样会导致微积分方程求解不收敛，并容易产生积分间断点等问题，因此对于VEM这种多领域系统必须要求其求解器能够根据系统不同领域的状态方程自动智能切换积分求解器，如果是手动选择积分求解算法，存在以下两个问题：
- 对于一个多领域系统，手动选择一种固定的积分算法很难满足多领域的求解需求，仿真精度和可靠性差；
- 由于工程技术人员重点关心工程实际应用，不需要深入了解内部的积分算法，比如龙格库塔不适合求解刚性方程，欧拉法是求解方法简单，计算量小但计算精度低，ADAMS法虽然可以求解隐式方程，但迭代的计算量大，影响计算效率；因此让其手动去选择，难度很大，可能会导致不同的工程师选择不同的积分算法，因此结果的一致性很难达到保证，给方案优化和对标分析带来困扰。
3.5 车辆系统模型与测试数据无缝耦合--测试与仿真分析一体化
在VEM建模和验证过程中，需要应用到大量的VEM测试数据。该功能能够方便地将测试数据转换成模型中所需要的数据，并且能够方便地对仿真结果和测试结果进行对比。
1) 空调换热器试验数据标定工具
根据空调换热器的试验数据：冷热边的流量、温度、压力输入以及换热量，可以很快标定出模型需要的换热系数
2) 散热器试验数据标定工具
根据散热器的试验数据：冷热边的流量、温度、压力输入以及换热量，可以快速拟合各种散热器模型
3) 电池试验数据输入拟合工具
将标准的电池实验曲线（图片格式）转化精确电池模型，增强的实验数据导入、可视化和验证功能，更简化电池参数设置过程，与试验无缝连接；
4) 电池性能模型标定工具
根据不同温度和不同SOC下的充放电曲线，可以直接导入试验数据到电池模型中，进行自动精确 标定，生成模型所需要的参数；
5) 整车架构生成工具
快速评估和对比不同动力构型性能，并一键完成Amesim建模。
用户可以定义车辆构架、子系统参数和驾驶循环，内嵌快速的优化策略算法，对构型进行最低油耗评估
6) 模型测试验证工具（Model Test Bench Validation & Stats）
可以快速比较模型数据和试验数据，用于评估模型的质量；
7) 燃烧模型标定（Wiebe）
通过比较试验数据和仿真结果来标定Wiebe燃烧模型；
8) MVEM模型数表生成工具
根据有效的测试数据，可以快速的生成MVEM模型
9) 压缩机和涡轮全工况拟合工具
根据有限的压缩机MAP，拟合全工况模型（low and high speed, surge, choke）
10) 电机预设计模型工具
根据已有电机的测试数据，可以快速预测新电机的性能；
4 Simcenter Amesim整车能量管理VEM分析案例
通过以上分析，毋庸置疑，事实上Simcenter Amesim平台已成为全球主流车企能量管理分析的首选平台。
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