硬件在环(HIL)技术在动力集成开发中的应用研究

收稿日期：２０１８－０４－１７作者简介：刘灵（１９８５ ），男，硕士，工程师，负责动力总成匹配方面的工作㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉｕｌｉｎｇ＠ｈａｉｍａ ｃｏｍ㊂ＤＯＩ：１０ １９４６６／ｊ ｃｎｋｉ １６７４－１９８６ ２０１８ ０８ ０２１硬件在环（ＨＩＬ）技术在动力集成开发中的应用研究刘灵（一汽海马汽车有限公司动力底盘部，海南海口５７０２１６）摘要：通过介绍硬件在环（ＨＩＬ）技术的现状及发展趋势，结合某公司整车开发流程㊁动力集成能力现状进行了硬件在环技术在动力集成开发中的应用研究，为未来整车项目开发及专业能力建设提供方向㊂关键词：硬件在环技术；动力集成；应用研究中图分类号：ＴＰ３９１㊀文献标志码：Ａ㊀文章编号：１６７４－１９８６（２０１８）０８－０８４－０４ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｔｕｄｙｏｆＨａｒｄｗａｒｅｉｎｔｈｅＬｏｏｐｉｎｔｈｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＰｏｗｅｒＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎＬＩＵＬｉｎｇ（Ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ＆ＣｈａｓｓｉｓＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＦＡＷ－ＨａｉｍａＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＨａｉｋｏｕＨａｉｎａｎ５７０２１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔａｔｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｈａｒｄｗａｒｅｉｎｔｈｅｌｏｏｐ（ＨＩＬ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｕｄｙｏｆＨＩＬｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｐｏｗｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｏｗｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓ，Ｉｔｓｈｏｗｓｃｌｅａｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｖｅｈｉｃｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｇｒａｍａｎｄｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌａｂｉｌｉｔｙｂｕｉｌｄｉｎｇｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈａｒｄｗａｒｅｉｎｔｈｅｌｏｏｐｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｐｏｗｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｕｄｙ０㊀引言在新车型平台搭载新的动力总成研发项目中，动力系统的匹配开发将是决定整车开发是否成功落地非常重要的一环㊂在全新的整车开发流程中，必然涉及到动力总成目标的设定㊁动力总成的选型㊁动力总成集成（动力性㊁经济性㊁排放性能匹配等）㊁节能零部件应用配置方案选择等工作，在考虑到动力总成匹配的关键节点时又必须要考虑整车的开发流程㊁整体开发周期及成本㊂在整车开发项目中，动力总成的匹配工作覆盖着整个项目开发节点，目前动力总成的开发存在着需要较长的周期和昂贵的研发成本（发动机的选型㊁变速器速比的选配等），因此，动力总成的合理匹配是整车开发工作的关键㊂如何将整车的性能开发目标分解到动力总成甚至其零部件的性能目标和设计目标上，实现合理的系统匹配；掌握动力总成的匹配及优化方法，通过模拟仿真技术的应用，缩短开发周期㊁降低开发成本，这些能力对动力集成工程师尤为重要，这也是动力集成工程师提升整车魅力急需攻克的重要课题㊂随着计算机技术的快速发展，在动力集成开发中也产生了多种类型模拟仿真技术及方法㊂如何更好地应用这些模拟仿真技术，提高仿真精度㊁扩大验证范围㊁选择最适合公司研发体系的模拟仿真技术，是目前动力集成工程师急需建立并提升的能力㊂硬件在环（ＨａｒｄｗａｒｅｉｎｔｈｅＬｏｏｐ，ＨＩＬ）技术在动力集成开发中的应用是众多新兴仿真技术中较为典型的一项㊂研究它在整车项目开发中的应用，是动力集成工程师的重要工作㊂１㊀硬件在环（ＨＩＬ）技术介绍硬件在环（ＨＩＬ）技术是在环的半物理测试仿真技术，是将道路试验转移到动力总成实验室的一种仿真技术，即通过仿真模型代替样机进行动力总成及ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）标定的仿真技术㊂它可以为对动力总成的匹配及验证提供更加准确的理论参考，大大减少整车道路验证任务和风险，从而达到缩短开发周期及降低开发费用的目的㊂ＨＩＬ技术总共有６种仿真平台：发动机硬件在环㊁变速器硬件在环㊁混合动力硬件在环㊁车身稳定系统（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｔａｂｉｌｉｔｙＰｒｏｇｒａｍ，ＥＳＰ）硬件在环㊁车身电子硬件在环㊁动力转向车身电子硬件在环㊂即可以将缺少发动机或变速器等部件的整车接入发动机或变速器的模拟信号后进行的台架仿真测试，可以在台架上模拟实际使用工况的测试㊂可分为整车性能验证的３个阶段进行测试，前期㊁中期㊁后期，实时性㊁真实性㊁精度也是随之增高的㊂图１㊀整车系统集成与虚拟仿真环境硬件在环（ＨＩＬ）技术是伴随电控技术的发展和需要衍生出的一种测试㊁分析和评价整车性能的方法，是硬件在环仿真技术（即半物理仿真技术）的一种表现形式㊂它为整车性能研发提供了一个经济快捷的验证平台㊂通过电控技术和半物理仿真技术，将整车性能在台架上动态地准真实（半物理）在现，具有一致性㊁动态性和实时性的优点㊂如图１所示为整车系统集成与虚拟仿真环境ＨＩＬ技术平台，通过ＡＶＬ－Ｃｒｕｉｓｅ软件建立整车模型，连接动力总成台架，在道路运行整车综合性能虚拟测试研究［４］㊂在整车性能开发的过程中，仿真辅助技术的应用也是重要的一环㊂ＨＩＬ仿真技术弥补了ＣＡＥ分析仿真精度低㊁实时性差㊁验证范围小的缺点，降低了试车验证风险大㊁成本高及周期长的老大难问题㊂可以有效地把试验道路转移到发动机实验室中，大大减少了整车道路验证的任务及风险，如图２所示㊂图２㊀ＨＩＬ仿真测试在整车性能开发的作用２㊀硬件在环仿真技术的现状在国外，２００８年７月法国里昂ＡＶＬ和ＶＯＬＶＯ两家公司首先合作将以发动机在环仿真技术为代表的硬件在环技术应用到一款新型卡车开发测试中，ＡＶＬ随后在中国市场上推出了自己的硬件在环产品（ＩＮＭＯＴＩＯＮ硬件系统和ＣＡＲＭＡＫＥ等软件模型）㊂同时，由于作为硬件在环平台的主流供应商ｄＳＰＡＣＥ和ＥＴＡＳ在该领域占据着绝对的市场优势，拥有大量的用户群体，因此，ＡＶＬ同时和这两家公司合作重点开展国内台架的在环仿真测试和分析服务㊂ＡＶＬ公司在硬件在环仿真测试方面进行了大量的研究，其工程师通过动力总成在环平台和实际道路平台在奥地利东南部城市格拉茨进行了复杂道路情况的油耗测试，油耗特性研究结果表明仿真测试值与实际测试值的误差为－２ ４％（如图３所示），其结果和实车道路测试结果基本一致㊂图３㊀ＨＩＬ仿真与实测油耗特性对比目前，该硬件在环仿真技术在国外已得到广泛的应用和推广，以不同硬件在环形式（控制系统在环㊁发动机在环和动力总成在环）已渗透到整车性能开发的各个环节（从零部件㊁总成到整车），国内合资企业也往往将该部分平台资源放置到国外进行（如泛亚），加强对核心技术的控制㊂在国内，各大高校和自主品牌车企依托主流供应商ｄＳＰＡＣＥ和ＥＴＡＳ都逐步有序地建立起硬件在环平台，其重点是在控制系统的开发和验证上，进行传统汽车硬件在环仿真技术（属于中期阶段）研究为数不多，多数为新能源汽车平台的研究（属于初期阶段）㊂对于基于台架的在环仿真技术，中国汽车中心（天津）汽车工程院于２０１１年１月首次开始进行该平台能力的建设和测试方法探索，近几年一些较大的整车企业（上汽㊁北汽㊁广汽等）在此方面的能力建设也在逐步加快，其中上汽已将硬件在环仿真技术应用到新开发的一款混合动力车型的性能开发上㊂总而言之，硬件在环仿真技术在未来整车性能开发过程中将扮演越来越重要的角色㊂构建并深入地研究该平台的应用方法和技术将对企业的未来车型开发提供更有利的帮助，该平台的构建不仅为专业能力建设与提升提供帮助，对车型开发周期㊁性能验证都会更加有利，会让动力集成开发工作更加有效化㊁便捷化㊁节约化㊂３㊀整车开发流程与硬件在环仿真技术的发展趋势随着电控技术在汽车领域的广泛应用和渗透，当前整车性能开发流程已由传统的结构设计转向性能设计，逐步推进整车项目进入正向开发模式㊂在产品开发初期就对产品的主要性能进行相关的计算分析和试验研究，在设计工程阶段给整车设计部门提出相应的设计指标和要求，指导整车正向开发，同时保证开发过程各阶段的指标满足设定目标㊂此过程中整车性能的实时跟踪和反馈至关重要，它直接决定了项目的开发周期㊁成本和风险（如图４所示），在此背景下硬件在环仿真技术应运而生㊂２０１２年ＡＶＬ公司对汽车开发过程中各种测试技术进行了分析和预测，分析表明未来在整车开发过程中硬件在环技术的应用将急剧增加，尤其是动力总成在环技术应用，实际道路测试的任务将有所减少（如图５所示）㊂图４㊀整车开发流程中的关键问题图５㊀当前和未来整车开发测试任务量对比４㊀硬件在环（ＨＩＬ）技术研究目的及意义当前一般车型开发时动力总成选型主要是通过标杆车型，确定动力总成的扭矩㊁功率来确定发动机㊁变速器的选取范围，综合考虑资源状况㊁技术㊁质量㊁成本等，形成可行的３５个提案，再进行布置搭建和利用如Ｃｒｕｉｓｅ等一维仿真软件进行性能方面的模拟仿真计算，确定初选速比，再进行实车路试评价，达成最终的速比选择㊂其他零部件的选型或选择应用时，由于此类的仿真软件存在较大误差，无法通过仿真计算，缩小选择范围，例如在催化器选型时是无法计算的，还是需要实车不断地测试及标定来确定配比的方案选择，这样开发周期长，费用也较高㊂另外，在各专业组提出需将某项节能技术或者零部件（智能油泵㊁启停功能㊁电子格栅㊁低滚阻轮胎等）应用于整车上，在测试节能技术或零部件的节油率时，基本上是通过整车的油耗转鼓测试来获得，由于操作误差和环境等原因，有时无法获得准确的节油率㊂在车型配置规划时，无法给予足够的决策支撑㊂硬件在环（ＨＩＬ）技术平台，有效提高动力集成能力，可将道路试验转移到动力总成实验室中，具有精度高㊁实效性好㊁验证方便等特点，是未来整车性能分析和验证不可或缺的途径㊂该技术平台可以实现任意车辆循环的发动机工况转换，可以明确发动机匹配优化的重点区域，即为动力总成的匹配㊁优化提供更好的指导；可以提供整车行驶中平顺性㊁操纵稳定性及换挡品质评价，有助于自动变速器换挡策略开发等技术水平和质量的提高与沉淀；可以将某项节能技术或者节能零部件更换，于台架上模拟ＮＥＤＣ循环测试，验证节油率；有助于研究变速箱不同挡位及变化过程中发动机工况和整车循环工况的对应关系，包括发动机油耗工况图和车辆能耗流的研究等㊂５㊀硬件在环（ＨＩＬ）技术在整车性能开发流程中的应用模式和规范在新的整车性能开发中，硬件在环仿真技术以半物理测试方式来验证整车性能，介于ＣＡＥ仿真计算和道路测试之间（如图６所示）㊂ＣＡＥ仿真计算分析后，确定需要测试验证的技术方案，由硬件在环仿真平台进行验证和分析㊂因此硬件在环仿真平台需要输入３个方面的信息：验证方案㊁试验规范（标准）和模型参数㊂最终经过硬件在环仿真平台验证筛选后的评价结果确定最终方案，最后再进行道路验证㊂图６㊀硬件在环仿真在整车性能开发流程图７㊀硬件在环仿真技术整车验证流程㊀㊀硬件在环仿真技术的流程和规范是硬件在环仿真技术无缝链接到整车开发流程中的关键技术㊂在明确仿真平台的输入和输出接口信息后，需要进一步规划仿真平台验证的实施过程㊁步骤和内容㊂总体来说，大致分为３个部分：车辆模型建立㊁模型在环仿真验证和硬件在环仿真平台验证（如图７所示），即按照项目组提出的项目研发目标，根据成熟车型或标杆车型作为整车研发验证的对标车型，专业部室通过在环技术平台进行评估，按照项目需要细化模型子系统参数，最终完成模型建立及实验仿真平台的搭建与验证工作㊂将硬件在环仿真平台的输入输出信息融合到其技术流程和内容中，形成规范说明，即形成作业指导书或流程来开展相关项目的指导工作㊂６㊀硬件在环（ＨＩＬ）技术在动力集成开发中的应用按照整车性能开发流程，利用硬件在环仿真技术平台，结合某车型的开发需求，构建平台，开展相应动力集成的开发工作，为动力总成的选型方案的最终确定提供分析㊁评价以及为动力集成优化提供帮助㊂硬件在环ＨＩＬ技术在动力集成开发中的应用主要分为５个阶段，主要工作内容及周期如表１所示㊂表１㊀硬件在环技术整车开发中的主要内容及周期阶段工作内容内容描述工作周期第一阶段车辆模型准备车辆模型建模，特殊部件和算法二次开发㊁车辆模型标定㊁试验规范输入六周发动机台架准备发动机台架方案设计㊁安装㊁数据采集，ＨＩＬ平台软硬件连接两周硬件在环平台搭建通讯协议匹配㊁发动机台架与ＨＩＬ调试㊁发动机性能确认㊁状态确认两周第二阶段性能验证窗口配置车辆动力性㊁排放性和经济性验证指标算法开发一周车辆数字信息化窗口配置车辆各个系统（发动机／变速箱／主减／轮胎／车身等）关键参数采集㊁监控和记录一周动力总成集成匹配窗口配置发动机工况油耗分布图配置（对应挡位动态过程）㊁车辆能耗流谱图配置一周第三阶段车型动力性验证不同动力总成㊁整车配置方案测试验证一周车型经济性验证不同动力总成㊁整车配置方案测试验证一周车型排放性验证不同动力总成㊁整车配置方案测试验证一周第四阶段车型配置方案评价㊁方案确定配置方案分析报告二周车型动力总成集成优化集成匹配分析报告㊁发动机标定优化㊁变速箱换挡策略优化四周第五阶段最终方案在环仿真验证在环仿真动力性㊁经济性㊁排放性验证一周车型样车道路验证动力性㊁经济性㊁排放性道路验证两周硬件在环平台技术指标验证技术指标验证报告一周７㊀小结在能源与环境日益恶化的今天，推动节能技术的应用已成为汽车技术不可逆转的趋势和企业不可推卸的社会责任㊂随着燃油消耗量法规的出台和推进，未来越来越多的节能技术将应用于整车性能开发中㊂通过半物理仿真模式，将有效提高通过模拟计算的方式快速获得车辆的基本性能，更好地节省开发过程中的试验成本及时间，也便于进一步开展车辆性能优化工作，提高优化效率㊂硬件在环仿真技术在动力集成开发中的应用，能够很好地提升工程师的动力集成分析能力，有利于动力总成的匹配及研究㊁有利于自动变速器换挡规律开发㊂更好地服务于整车项目开发中的动力集成，可以明确发动机匹配优化的重点区域，达到整车降耗的目标㊂另外，可以通过ＨＩＬ技术平台建立整车性能数字化平台，积累数据，加强整车性能集成与匹配能力，并基于数据分析提高动力总成的调教手段和精准度，提高产品的节能效果和品质，为产品后期改进与升级提供车辆信息参考㊁结合车型，优化整车性能，为评估节能技术应用的可行性分析（智能油泵㊁ＰＷＭ风扇等节能技术的节油率）提供依据㊂参考文献：［１］林学东．汽车动力匹配技术［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２０１０．［２］海森英，布兰德耳．汽车行驶动力学性能的主观评价［Ｍ］．石晓明，陈祯福，译．北京：人民交通出版社，２０１０．［３］李克．面向整车性能开发的发动机在环测试技术介绍［Ｒ］．天津：中国汽车中心（天津）汽车工程院，２０１５．［４］ＡＶＬ公司．ＡＶＬＣＲＵＩＳＥＨＩＬ技术介绍［Ｚ］．［５］ＶＡＬＥＮＴＩＮＥ－ＵＲＢＳＣＨＡＴＭ，ＢＥＲＮＨＡＲＴＷ．Ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ２０２０－ＴｈｅＦｕｔｕｒｅＤｒｉｖｅｓＥｌｅｃｔｒｉｃ［Ｒ］．ＲｏｌａｎｄＢｅｒｇｅｒ，２００９．。