行業(yè)分享丨奇瑞汽車：降階模型在新能源汽車熱管理仿真上的應(yīng)用

       我們之前也嘗試過一些別的方法，但是最終發(fā)現(xiàn)Altair的romAI軟件精度特別好，而且沒有任何的技術(shù)瓶頸。使用它，擬合精度達到99.6%以上，部分參數(shù)能達到97%。

                                                                                                                                  —— 奇瑞汽車股份有限公司主管分析師 汪爽博士

在2024年Altair技術(shù)大會的精彩演講

隨著新能源汽車的發(fā)展，對仿真技術(shù)的要求也越來越高。那么奇瑞汽車利用降階模型在新能源汽車熱管理仿真上做了哪些應(yīng)用呢？本次汪博士的演講內(nèi)容主要從四個方面展開介紹：

1、 奇瑞汽車簡介；

2、 熱管理降階模型開發(fā)的背景；

3、 高低溫續(xù)航熱管理降階模型的開發(fā)以及應(yīng)用；

4、 更多降階模型應(yīng)用經(jīng)典案例

01

奇瑞汽車簡介

奇瑞汽車成立于1997年，自成立以來始終堅持自主創(chuàng)新和正向研發(fā)的理念，因此不斷推出市場滿意的汽車產(chǎn)品。截至8月份，奇瑞汽車單月銷量超過21萬輛，1至8月份累計銷量超過150萬輛，同比增長41.9%。

今年，奇瑞集團首次躋身世界500強，排名第385位。目前，奇瑞擁有奇瑞、星途、捷途和ICAR四大品牌，各個品牌都有自己的明星產(chǎn)品，充分體現(xiàn)了奇瑞集團在汽車行業(yè)的成就以及豐富的實踐經(jīng)驗的價值。

02

熱管理降階模型開發(fā)的背景

首先簡單介紹熱管理：它是從整車集成的角度出發(fā)，確保汽車的各個部件都運行在一個最佳的工作范圍。

從用戶的角度來說，直接受關(guān)聯(lián)的是空調(diào)系統(tǒng)。除此之外關(guān)聯(lián)比較密切的是發(fā)動機變速箱電驅(qū)電池的溫度控制等。

對于不同類型的汽車，熱管理復(fù)雜度有所差異，比如傳統(tǒng)汽車的管理，包括發(fā)動機、變速箱、以及乘員艙的空調(diào)系統(tǒng)等會更復(fù)雜。純電車型的管理更簡單，主要是電驅(qū)電池和乘員艙的管理，但是對它的要求也會更高一些。還有最后一類：燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。不同類型汽車的熱管理對象也有所差異，如下圖所示。

背景一：集成仿真

整車管理的對象非常多，對應(yīng)的工作也非常復(fù)雜。在做整車開發(fā)的時候，會有很多工程問題不能通過一個軟件來完成，需要多個軟件的耦合。但是多個軟件的耦合會存在進行數(shù)據(jù)耦合的過程中，數(shù)據(jù)傳遞導(dǎo)致效率比較慢的問題。因此仿真時間比較久，無法滿足工程效率的需求。

如果將耦合仿真的幾個階段（比如某一個模型或者全部的模型）用降階模型替換，那整個仿真的效率就會大大提升。所以開展熱管理降階模型的第一個背景主要是集成仿真，提升模型的效率。

背景二：高低溫續(xù)航降階模型

電動汽車的管理相對簡單，主要包括電驅(qū)動、電池和車廂的熱舒適性。然而，電動汽車的熱管理系統(tǒng)是研究最深入的類型之一。盡管電動汽車具備許多優(yōu)點，但它們?nèi)匀幻媾R顯著的短板，即里程焦慮問題，這在使用過程中表現(xiàn)得尤為明顯。

如圖所示，中間那張是純電汽車低溫衰減的數(shù)據(jù)，右邊那張是高溫衰減的數(shù)據(jù)。

可以看出，純電汽車在冬季的實際續(xù)航里程達成率低于夏季。為了增強純電車型的市場競爭力，制造商通常會大幅降低能耗。因此，在開發(fā)過程中，開展高低溫續(xù)航仿真實驗，以提升整車產(chǎn)品的實際續(xù)航能力，是非常重要的。

我們曾做過一維仿真的case，用等效處理的方法需要4個小時。如果不是等效處理方式，大概需要一天半到2天。對于一維仿真來說，這個時間非常長。在高低溫續(xù)航仿真實驗中最重要的影響是空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)的收斂速度非常慢，如果把空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)成降階模型，那么效率就會提升的很明顯。最終我們實現(xiàn)了從等效處理方法的4個小時降低到了20分鐘。

這個時候大家可能會想，20分鐘好像也挺久。沒有完全發(fā)揮出降階模型最大的優(yōu)勢，比如降到一分鐘兩分鐘行不行。實際上也可以，但是做工程要考慮到工程實際。如果把精度提升，把時間降低到一兩分鐘，投入非常大，產(chǎn)出比不高。所以降低到20分鐘就夠了。

03

高低溫續(xù)航熱管理降階模型的開發(fā)以及應(yīng)用

 高低溫續(xù)航降階模型的主要流程有四個階段。

第一階段：搭建整車熱管理模型

這是所有的主機廠在整車開發(fā)的時候都有的，所以不會造成額外的工作量。純電車型的整車熱管理模型主要包括制冷劑系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電驅(qū)電池三大塊。對于仿真效率限制比較大的是空調(diào)系統(tǒng)，因此把空調(diào)系統(tǒng)用加強模型替換了。而電驅(qū)電池系統(tǒng)，因為其收斂的速度很快，所以沒有替換。這也是導(dǎo)致效率從4個小時提升到了20分鐘，而沒有提升到一兩分鐘的原因。

第二階段：訓(xùn)練數(shù)據(jù)集

準備好了熱管理模型之后，接下來就要準備訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。

首先是參數(shù)的設(shè)計。對于空調(diào)系統(tǒng)，我們選定了九個核心的技術(shù)參數(shù)，主要有壓縮機的轉(zhuǎn)速、進風(fēng)溫度、風(fēng)量以及各個參數(shù)。在做參數(shù)設(shè)計的時候，取值范圍一定要包含在實際仿真的范圍內(nèi)，盡量不要出現(xiàn)外差的情況。

參數(shù)設(shè)計完之后，采用自動化的腳本來跑仿真模型，跑大量的case，然后把case的結(jié)果進行處理，得到訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。

第三階段：訓(xùn)練降階模型

訓(xùn)練數(shù)據(jù)集得到之后，接下來將它訓(xùn)練得到降階模型。我們之前也嘗試過一些別的方法，但是最終發(fā)現(xiàn)Altair的romAI軟件精度特別好，而且沒有任何的技術(shù)瓶頸。

很多做工程的人對于人工智能以及編程的能力不是很強，但使用romAI可以看到一個完全可視化的界面，而且仿真設(shè)置參數(shù)就幾個，非常簡單易用；對比其他的方法，romAI精度也非常好，能達到3%到5%以內(nèi)，滿足我們的精度需求。

如圖，這是訓(xùn)練后的精度對比。左邊是擬合的參數(shù)情況，基本上擬合精度達到了99.6%以上，部分參數(shù)能達到97%。對于空調(diào)系統(tǒng)也對比了幾個case，從仿真模型和降階模型的比較（右圖）來看，基本上核心參數(shù)都做到了3%以內(nèi)。完全符合我們的工程需求。

第四階段：將模型放到集成模型中

降階模型開發(fā)完之后，我們將這個模型放在集成模型中來完成高低溫續(xù)航集成仿真。

如圖，右上角的圖案是開展高低溫續(xù)航集成仿真時候的理論解釋，主要包含熱管理、動力性和熱管理的控制策略之間的集成。左上角的圖是實際中整車的熱管理的控制策略，它是集成在Simulink里面的。看著比較簡單，實際每一個模塊里邊內(nèi)容非常多。

右上角框出來的模塊是控制策略和整車熱管理模型的交互，現(xiàn)在我們的熱管理模型用水回路，電池回路用kuli，空調(diào)系統(tǒng)用了降噪模型替換。

所以降階模型的應(yīng)用其實也很簡單，我們訓(xùn)練的模型是直接以FMU的格式導(dǎo)出到Simulink，然后直接加載FMU，調(diào)用降階模型。

接下來看一下應(yīng)用驗證的情況。Soc、空氣溫度、鼓風(fēng)機功率等數(shù)據(jù)在比較之后發(fā)現(xiàn)進度都非常好。在高低溫續(xù)航關(guān)注的參數(shù)里，Soc是直接關(guān)聯(lián)到續(xù)航里程的，是非常重要的參數(shù)，這里精度非常好。除此之外，高低溫續(xù)航還有一些關(guān)鍵參數(shù)，比如壓縮機風(fēng)扇、鼓風(fēng)機水泵等的功率。

將仿真和降階模型兩種路線的結(jié)果放在一起對比，發(fā)現(xiàn)除了快速降溫階段，比如賽車結(jié)束之后快速降溫的階段以及電池和成員艙雙冷的工況下誤差比較大，其他工況誤差都小于3%，比較好的達到了實際的需求。時間也從4個小時降低到了20分鐘。

然而，在快速降溫和電池冷卻階段，誤差仍然較大，超過了3%。經(jīng)過分析，我們發(fā)現(xiàn)壓縮機和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速是由控制策略決定的，其中與策略直接相關(guān)的重要參數(shù)是空調(diào)系統(tǒng)的高壓。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)高壓升高時，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速也會相應(yīng)加快。

我們發(fā)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)高壓的相對誤差在3%以內(nèi)，絕對誤差約為8%。而這一8%的誤差通過策略放大后，會導(dǎo)致風(fēng)扇轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，從而使快速降溫和電池雙冷階段的誤差超過5%。為了解決這個問題，我們進一步提升了空調(diào)系統(tǒng)高壓的誤差，從而有效地解決了這一問題。

所以在開發(fā)降階模型的時候，有的參數(shù)不能僅僅關(guān)注相對誤差，還要關(guān)注絕對誤差，以此來保證模型精度。

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更多降階模型應(yīng)用經(jīng)典案例

前面講的是高低溫續(xù)航降階模型案例，除了這個，我們目前也做了一些其他方面的應(yīng)用。

案例一：熱舒適性耦合

對于做整車熱管理仿真來說，熱舒適性非常重要，需要控制空調(diào)保持在一定的舒適性范圍內(nèi)。熱舒適性仿真跟空調(diào)系統(tǒng)是強耦合的關(guān)系，所以在做這個工作的時候，兩個軟件的耦合跑一個case，物理時間是30分鐘，我們會耗時大概6個小時。如果把空調(diào)系統(tǒng)替換掉，不用一維的軟件，將降階模型和熱舒適性軟件耦合，就能實現(xiàn)從6個小時降低到3個小時。效率提升沒有高低溫續(xù)航那么明顯，主要是限制在熱舒適性仿真沒有被降階掉，這也是未來的一個方向。

案例二：基于試驗數(shù)據(jù)驅(qū)動的空調(diào)系統(tǒng)/部件模型開發(fā)

我們正在做的是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的空調(diào)系統(tǒng)部件的模型建模。在開展整車仿真的時候，很多數(shù)據(jù)都是供應(yīng)商測的，有一定的邊界條件，但是奇瑞現(xiàn)在的產(chǎn)品銷往全球80多個國家和地區(qū)，有寒帶的有熱帶的，最高溫度可能超過50，最低的零下30度，整車實際的工作環(huán)境溫度的區(qū)間非常廣，但整車在開發(fā)的時候單體的性能只在一定的區(qū)間范圍內(nèi)。所以仿真就會出現(xiàn)外差的情況，也就會帶來誤差。

而我們又有很多整車的測試數(shù)據(jù)能覆蓋實際的市場情況，所以需要把整車的實驗數(shù)據(jù)用來建單體的模型，比如LTR低溫散熱器、高溫散熱器、冷凝器。這樣能夠避免外差帶來的一些精度問題。

前面講到空調(diào)系統(tǒng)是利用仿真的模型來產(chǎn)生訓(xùn)練集，然后建立降階模型的，我們用整車測試的實驗數(shù)據(jù)驅(qū)動建立空調(diào)系統(tǒng)模型，很多測試平臺的空調(diào)系統(tǒng)，可能適用于不同的車型，所以將適應(yīng)數(shù)據(jù)驅(qū)動建立空調(diào)系統(tǒng)模型，就能適用于其他平臺的其他車型。

以上，就是目前奇瑞汽車在新能源汽車熱管理仿真上的應(yīng)用分享。