GM 依靠基于模型的设计实现混合动力开发标准化

挑战

为 GM 汽车开发新的混合动 力技术

解决方案

依靠 MathWorks 工具和基 于模型的设计实现控制系 统设计和产品级代码生成 的标准化

结果

  • 确保了如期交付项目
  • 实现了全球协作和交流
  • 在所有生产线上重复使用设计

“在 GM,双模式混合动力将基于模型的设计发展到了一个新水平。该项目为我们在其他大规模全球工程项目上运用 MathWorks 工具的基于模型的设计,增进了必要的信心和经验。”

Kent Helfrich, General Motors
GM 双模式混合动力徽标,多种产品线的 汽车都带有这个徽标

通用汽车公司的双模式混合动力优化了各种驾驶条件下的燃油效率,包括时走时停的市内行驶、快速加速以及稳定的高速公路行驶。双模式混合动力被广泛看作是混合动力技术的一大进步,它使用三个行星齿轮组将传统引擎与集成到自动传动装置的两个 60 千瓦电动马达相结合。

GM 工程师们使用基于模型的设计,开发出了双模式混合动力控制系统,该系统目前已投入生产并用于 GMC Sierra Hybrid、GMC Yukon Hybrid、Chevy Tahoe Hybrid、Chevy Silverado Hybrid 和 Cadillac Escalade Hybrid 等多款汽车,并将改装用于 Chevy Volt(GM 的增程型电动汽车)。

GM 混合动力及电力传动控制高级经理 Greg Hubbard 说:“基于模型的设计使我们能够在更高的抽象级别上开展工作,通过早期系统仿真验证我们的设计,并从我们的模型中自动生成产品级代码,这为我们带来了很大的灵活性,我们可以尝试几乎所有新方法和控制策略,迅速做出更改,并避免了手工编码中常见的转换错误。”

挑战

GM 想要在四年内生产出采用双模式混合动力的汽车。对于常规动力项目来说,这一期限可能不算什么,因为工程团队有现成的设计做基础。GM 和 Allison 开发出的用于公共汽车的早期双模式混合动力技术目前已被 100 多个城市采用,但如果要用于轿车和卡车,则需要对该技术进行“更精细、更绿色”的改进,所以该工程团队必须从零开始设计。Hubbard 说:“在紧张的计划内编写一百多万行代码,并且还要确保控制系统符合 GM 的高质量标准,遵从各种法规要求和安全标准,对于我们来说是一个严峻挑战。”

GM 工程师们还需要针对几个互相抵触的目标对设计进行优化,包括耗热率、响应能力和驾驶员舒适度,同时还要保证设计具有足够的灵活性,以便在各种车型上使用。为此,GM 工程师们必须确保多个复杂系统能协同运行,以实现最佳性能。GM 动力软件工程部门负责人 Kent Helfrich 解释说:“混合动力系统设计的关键是:将引擎、变速器、电动马达和电池集成到动力管理策略中。这些系统都非常复杂,要想先分别独立创建,最后再集成在一起,根本不可能实现。”

另外,GM 工程师们还需要先验证设计,然后再在硬件上实现。

解决方案

GM 在 MathWorks 工具和基于模型的设计的帮助下,开发了系统模型,运用仿真技术对设计进行了验证,并生成了双模式混合动力控制系统的产品级代码。这种方法使 GM 工程师们开发了多种策略,加快了设计迭代,最大程度减少了原型和返工工作,并在硬件出来之前验证了控制系统。

借助 MATLAB®、Simulink® 和 Stateflow®,GM 工程师们设计出了控制系统总体结构,对所有控制和诊断功能进行了建模,包括混合动力操作策略、引擎启动-停止、主动阻尼、换档执行和推进系统安全。

同时,他们还为所有相关物理系统创建了详细的对象模型,例如,引擎、电动马达、电池、混合变速器和车辆动态等。他们使用对象模型运行闭环仿真,通过标准的城市及高速公路行车耗热测试,验证了控制系统。

利用Embedded Coder® 为引擎、变速器和混合能源管理 ECU 生成产品级代码后,他们使用 Simulink Coder™ 和配有对象模型的硬件在环 (HIL) 仿真器以及非实时验证阶段的测试用例,深入验证了控制系统。通过比较这些测试结果,工程师们找出了 ECU 集成问题。

在混合动力硬件出来后,该团队可以从 HIL 迅速转到原型车辆进行确认测试。

双模式混合动力技术曾荣获多项大奖,包括《Automobile》杂志的“年度技术奖”和《Green Car Journal》的“年度新能源汽车奖”。

结果

  • 确保了如期交付项目. Hubbard 说: “项目启动后仅仅九个月,我们就推出了第一辆原型车。如果没有 MathWorks 工具,我们可能做不到这一点。该软件使我们可以在硬件出来之前,完成大量的设计工作。”

  • 实现了全球协作和交流. 位于美国密歇根州的 GM 工程师们与位于欧洲和亚洲的 GM 工程师们共享了 Simulink 模型。因此,全球各地的团队可以同时围绕设计开展不同方面的工作,例如,控制策略、软件设计和物理问题,这有利于发挥每位工程师的专长并避免集成问题。 Hubbard 说:“Simulink 模型成为了为全球各地团队提供支援的唯一源泉。”

  • 在所有生产线上重复使用设计. Hubbard 说:“我们将控制器总体结构重复用于其他现产车辆,包括 GMC Sierra 和 Chevy Silverado,以及即将生产的 Chevy Volt。” Chevy Volt 的控制系统设计之所以进展迅速,完全得力于我们可以重复使用控制器总体结构。”

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