技術(shù)快報 | 整車熱管理系統(tǒng)(TMS)的控制策略開發(fā)技術(shù)及平臺
時間：2023-12-13
車載控制系統(tǒng)控制策略的開發(fā)，不管是采用敏捷模式、前后溯源逐步迭推模式，還是分層式、主從式，多是通過“V”字型開發(fā)流程采用模型化的開發(fā)方法(MBD, Model based development)來完成。
“V”字型開發(fā)流程圖
針對這一開發(fā)流程，中汽中心 工程院 汽車風洞測試與應用重點實驗室建立了整車熱系統(tǒng)功能性能對標測試分析、系統(tǒng)構(gòu)型、系統(tǒng)功能性能仿真、控制快速原型、系統(tǒng)標定、系統(tǒng)仿真測試分析（在建）、關(guān)鍵零部件及系統(tǒng)實際環(huán)境測試分析等全流程關(guān)鍵節(jié)點的開發(fā)能力。
整車熱系統(tǒng)功能、性能對標測試分析(sys benchmarking)
作為產(chǎn)品需求分析、市場定位分析的重要環(huán)節(jié)，對標(Benchmark)測試是常用手段。根據(jù)行業(yè)里對整車熱系統(tǒng)控制對標測試分析的需要，風洞測試與應用重點實驗室開發(fā)團隊已經(jīng)掌握了各種情況下的CAN、LIN通訊協(xié)議的解析能力，還具備了外加測試通道實測相應性能數(shù)據(jù)的能力?；诖耍_發(fā)團隊具備了新能源汽車熱系統(tǒng)及動力總成系統(tǒng)能耗測試并對測試數(shù)據(jù)進行自動分析計算的能力和分析整車熱系統(tǒng)控制的功能、性能并得到Benchmark解析報告的能力(能量流可自動計算分解到續(xù)航工況下的每一個循環(huán)的每一個器件)。
計算程序界面
整車熱系統(tǒng)構(gòu)型(sys building)
根據(jù)待開發(fā)整車的設計空間布局、電池電驅(qū)系統(tǒng)的配置及其性能標準、乘員艙的制冷和制熱需求、主動及被動冷卻和余熱利用的工作模式，以及參照Benchmark測試數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)或?qū)Ρ葦?shù)據(jù)，進行熱系統(tǒng)總布置的設計構(gòu)建符合要求的熱系統(tǒng)構(gòu)型。
構(gòu)建某一混動車型TMS構(gòu)型圖
首先根據(jù)整車熱系統(tǒng)構(gòu)型與性能要求，進行系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵零部件的選型和功能性能驗證，其次依據(jù)性能仿真的結(jié)果對當前的熱系統(tǒng)可開展多種分析優(yōu)化工作。分析優(yōu)化的工作包括但不限于：系統(tǒng)工作風險與熱害分析、性能性能與零部件熱害防護的折中優(yōu)化、不同模式不同工況與不同負荷下能耗分析與能耗耗散分析、總布置與流道和工作模式的優(yōu)化、系統(tǒng)性能與成本的折中優(yōu)化，各零部件之間的關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)與控制邏輯設計等。
系統(tǒng)功能、系統(tǒng)性能仿真(sys simulating)
針對各類熱系統(tǒng)構(gòu)型，基于Simulink + Amesim建立相應的模型，對系統(tǒng)和系統(tǒng)中的部件的功能和性能進行仿真和虛擬驗證?？蓪崿F(xiàn)熱系統(tǒng)中執(zhí)行部件如電動壓縮機、各類閥、水泵、PTC、鼓風機和風門電機等各種的動作是否到位，是否滿足相應的實時響應要求，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)進行軟標定。在系統(tǒng)性能模型中，分析性能是否滿足設定要求，各種散熱器(包含冷凝器、蒸發(fā)器、液液板換)性能是否滿足設計要求，并在實際工況模型中進行必要的優(yōu)化。在系統(tǒng)性能驗證中還可驗證升降溫響應、冷卻水流量、制冷劑充量、壓縮機轉(zhuǎn)速、壓縮機功耗限值、水泵控制方式、風扇控制方式、鼓風機控制方式、艙內(nèi)溫濕度控制是否滿足人體舒適區(qū)間要求、電池水熱系統(tǒng)是否滿足其工作溫度區(qū)間要求等。必要時，可仿真出不同性能的工作模式，節(jié)能模式、舒適模式、常規(guī)模式與極限模式。
結(jié)合熱系統(tǒng)控制與原型需求、溫度分布區(qū)間與分布均勻性需求，對熱系統(tǒng)構(gòu)型做必要的優(yōu)化，提出策略原型邏輯框圖。
熱系統(tǒng)性能仿真模型圖
控制快速原型(RCP)
基于1D性能仿真優(yōu)化后的構(gòu)型，結(jié)合熱系統(tǒng)構(gòu)型和控制策略原型邏輯圖，選用熱系統(tǒng)中相應的部件如電動壓縮機、電子膨脹閥、鼓風機、PTC等部件，制作或選取相應的管道、流道等器件，在選取合適的實時控制器和IO端口后便可便捷地將熱管理的控制程序下載編譯到實時控制器中，快速構(gòu)建起目標的快速控制原型(RCPs，Rapid Control Prototype system)。
在沒有生產(chǎn)出車載級的熱管理系統(tǒng)控制單元時，可采用快速原型的方式將快速將TMS驅(qū)動起來。在快速原型的方案中，選取適當算力的原型控制器代替車載的實時控制器；選取配置功能豐富的接口代替嵌入式系統(tǒng)接入熱系統(tǒng)中的真實器件。本方案可驗證熱系統(tǒng)的控制策略是否滿足設計；驗證控制系統(tǒng)是否可靠；驗證TMS中零部件的性能，最終將驗證后的系統(tǒng)信息和系統(tǒng)中軟硬件的指標作為硬件開發(fā)的輸入對車載級TMS控制單元的開發(fā)起到指導作用。該RCPs，具有豐富的周邊IO接口，依據(jù)熱系統(tǒng)構(gòu)型的需要，可靈活配置，已經(jīng)開發(fā)了一套運行通驗證的原型軟件，針對其它不同TMS構(gòu)型，只需要調(diào)整接口、替換控制邏輯模塊“CaculateSub”，進行適當?shù)呐渲眉纯蛇\行控制。
熱系統(tǒng)RCP模型圖(軟接口底層驅(qū)動及控制程序)
基于RCPs可直接運行在Simlink、C、C++開發(fā)的模型程序，驗證并優(yōu)化調(diào)整控制策略，同時軟件模型可輕松實現(xiàn)反復修改、模塊化復用和封裝、更換底層驅(qū)動等方式針對不同控制器重新編譯下載，這都極大地便利了控制策略的實行和TMS系統(tǒng)軟件的開發(fā)?；谶@一特點便于在開發(fā)的前期或半實物狀態(tài)和真實環(huán)境下反復研究、配置系統(tǒng)，減少了開發(fā)的費用，提高了開發(fā)的效率。
熱系統(tǒng)RCP系統(tǒng)圖(硬件系統(tǒng))
基于RCPs可實施TMS零部件的標定工作和零部件性能驗證工作。TMS中的溫度、壓力、陽光和空氣質(zhì)量傳感器、出風口工作段和風門位置的標定可通過RCPs來實現(xiàn)。TMS中電動壓縮機、PTC、鼓風機、風扇和水泵等執(zhí)行部件的功能性能要控制指令（開關(guān)指令、PWM波、LIN控或CAN控物理值）之間的關(guān)系可通過RCPs來驗證。TMS中各部件的性能和功能驗證如，運行能力、NVH特性測試、PTC功耗測試、制熱量測試和水泵功耗等測試都可通過零部件的在環(huán)測試實現(xiàn)。以上對于零部件的驗證，在開發(fā)的前期實現(xiàn)合適的零部件替代，提高零部件在熱系統(tǒng)的性價比。
基于以上工作構(gòu)建出適合整車的熱系統(tǒng)，必要時進行操作運行界面虛擬開發(fā)和測試監(jiān)控界面開發(fā)，如下圖示：
熱系統(tǒng)RCP模型圖(操作運行界面)
除零部件的測試驗證外，RCPs可完成控制仿真之后的真實器件系統(tǒng)級控制的實現(xiàn)、系統(tǒng)級的標定，也在車載ECU未開發(fā)出來時代替完成HIL測試、實現(xiàn)對整車級的TMS控制，完成整車級的標定工作；可完成TMS零部件、系統(tǒng)在臺架、系統(tǒng)在整車的電能耗測試、工作效率測試，結(jié)合環(huán)境實驗室可實施TMS零部件、系統(tǒng)在臺架、系統(tǒng)在整車的工作狀態(tài)的熱害測試等。
汽車風洞測試與應用重點實驗室為行業(yè)開發(fā)的RCPs，基于真實器件，既可對TMS中的任一器件實施實時的控制，即任何一臺風門電機、電控壓縮機、電子風扇、電動鼓風機、電動水泵、PTC、電子膨脹閥等單獨實施控制，完成零部件的控制相關(guān)測試與驗證；也可對TMS系統(tǒng)在臺架狀態(tài)以及在整車狀態(tài)實施系統(tǒng)級控制，完成臺架在環(huán)境實驗和整車在環(huán)境實驗；還可對車載其它真實執(zhí)行器件實施控制，如任何一扇車門及其玻璃的升降控制、后視鏡的動作控制、座椅加熱與通風控制、座椅姿態(tài)調(diào)節(jié)、主動格柵(AGS)的動作控制、刮水器電機的控制、玻璃清潔噴水系統(tǒng)控制、轉(zhuǎn)向電機控制、氣囊點爆控制、安全帶預緊控制等幾乎所有的車身電子、舒適電子的快速原型控制。實現(xiàn)TMS、車身電子與整車的同步開發(fā)、驗證。
至此，基于該TMS控制開發(fā)平臺(含物理構(gòu)型和原型控制的平臺硬件和軟件模型，可滿足熱系統(tǒng)控制需求實時運行)，既可完成熱系統(tǒng)控制策略的開發(fā)服務，也可單獨向行業(yè)提供熱系統(tǒng)及其零部件的標定、測試驗證服務；基于該開發(fā)平臺技術(shù)，實施各種熱系統(tǒng)自主控制對標測試與驗證測試，完成控制方案開發(fā)驗證，直至最終交付成套的整車熱系統(tǒng)方案和技術(shù)。