GT-SUITE整车能量管理分析与实例解析

GT-SUITE是由美国Gamma Technologies公司于1994年开发的多物理场仿真分析系列套装软件，刚开始主要集中于整车和动力总成的仿真。GT-POWER是套装软件中使用较为广泛的一个发动机仿真模块，全球知名的整车厂和发动机生产商大都使用GT-POWER进行发动机性能仿真并指导发动机设计。随着技术的进步和积累，GT-SUITE应用场景和领域也日益丰富，可进行车辆行驶系统分析、发动机仿真分析、电驱动传动系统分析、整车热管理系统分析、空调系统分析、锂离子电池/燃料电池电化学性能分析、多体动力学分析等。除汽车行业外，GT-SUITE在航空航天、家电等行业也取得了良好的应用效果。在竞争激烈的工业应用领域，使用GT-SUITE系列软件可以明显地缩短设计开发周期、降低研发成本。经过近30年的发展，GT-SUITE已经发展成为一款非常全面的软件，被全球众多主机厂广泛应用。
电动化和智能化使得汽车控制更加复杂，发动机热管理、三电（电池、电机和电控）热管理、空调系统以及整车能量管理策略对于纯电动汽车和混合动力汽车的车辆性能(动力经济性、整车热管理性能、电池使用寿命等)均有显著的影响。如何快速建立仿真模型，并且评价不同控制策略对车辆性能的影响，成为汽车行业面临的大难题。
GT-SUITE是多物理场的仿真工具，可以完成对机、电、液、热等系统的建模和计算。基于GT-SUITE仿真平台，用户可以搭建整车模型、发动机模型、电池电机系统模型、空调系统模型等，还可以耦合控制系统模型，研究不同控制策略对车辆性能的影响。GT-SUITE还提供了优化和DOE工具，方便用户进行设计选型和优化匹配，因此它是非常适合整车能量管理分析的仿真软件。
GT-SUITE软件本身带有详细的操作说明和实例，可供用户学习，但针对整车能量管理的理论基础、建模方法和结果评价等内容比较零散，不够系统全面。因此，本书结合作者的软件使用经验和工程经验，详述了整车以及各主要系统的建模过程和仿真方法。其中，第1章介绍了整车能量管理的基本概念；第2章介绍了GT-SUITE软件的基础知识；第3章介绍了车辆动力学及传热学基础理论；第4章介绍了整车动力传动系统的建模和仿真；第5章介绍了动力总成热管理系统的建模；第6章介绍了整车空调系统的建模；第7章介绍了整车能量管理系统的联合仿真；第8章介绍了优化与DOE。
本书由东风汽车集团有限公司技术中心王伟民担任主编，上海汽车集团有限公司乘用车技术中心徐政、第一汽车集团研发总院陈海娥担任副主编，参加编写的还有艾迪捷信息科技（上海）有限公司的钟修林、宋波、郭子锐、臧儒振，另外，艾迪捷信息科技（上海）有限公司的施晓光、徐志成、邱鑫、朱田田、王鑫做了仔细的校对工作。初稿完成后，承蒙俄罗斯科学院外籍院士、中国汽车工程学会会士、广西大学教授、原吉利汽车研究院副院长陈勇先生审阅了书稿，提出了许多宝贵的修改建议，在这里对他表示衷心的感谢。
由于编者水平有限，书中错误及不足之处在所难免，敬请广大读者不吝指正，也欢迎大家共同探讨，可发邮件至support@atic-cn.cn或1206833496@qq.com进一步联系，以便本书再版修订时参考。

编 者
2023年6月

随着混合动力、纯电动和氢燃料电池等汽车技术的发展，汽车的能源正变得多元化，整车能量管理越来越重要。本书以整车能量管理仿真分析为出发点，结合作者的软件使用经验和工程经验，详述了整车以及各主要系统的建模和仿真分析过程。本书详细介绍了传统燃油车和新能源汽车的整车能量管理的基本概念、GT-SUITE软件的基础知识、车辆动力学及传热学基础理论、整车动力传动系统的建模和仿真、动力总成热管理系统和整车空调系统的建模，后还介绍了整车能量管理系统的联合仿真，以及系统优化和DOE。
本书适用于传统燃油车和新能源汽车的整车动力经济性、整车热管理、汽车空调和冷却系统等技术领域的产品开发、仿真、控制标定和试验等有关人员学习参考，也可作为汽车相关专业师生的参考书。

王伟民：日本东北大学工学博士。现任东风汽车集团有限公司技术中心整车技术总工程师、研究员级高级工程师、中国汽车工程学会汽车空气动力学分会委员和中国汽车工程学会标准(CSAE标准)专家组成员，多次担任中国汽车工程学会空气动力学分会年会热管理论坛主席。曾任日本自动车技术会(JSAE)CFD技术委员会委员、东风汽车集团有限公司CAE专业技术委员会主任 委员、集团公司CAE专业总师和集团公司 CAE学会会长。已经获得了东风汽车集团有限公司以及技术中心科技进步奖15项，发表中、英、日科技论文共66 篇，获得新能源汽车整车热管理系统开发方面的授权发明专利12项和其他授权实用新型专利3项。

序言
前言
第1章 绪论01
1.1 整车能量管理概念产生的背景01
1.2 整车能量管理的特点02
1.3 GT-SUITE在整车能量管理仿真分析中的应用03
第2章 GT-SUITE软件的基础知识06
2.1 软件简介06
2.2 软件安装07
2.2.1 适用运行环境07
2.2.2 适用操作系统07
2.2.3 配置要求08
2.2.4 安装前准备08
2.2.5 安装步骤08
2.2.6 许可验证14
2.3 GT-SUITE基础操作16
2.3.1 界面启动与介绍16
2.3.2 新建模型16
2.3.3 GT-SUITE参数设置19
2.3.4 GT-SUITE部件连接21
2.3.5 GT-SUITE求解设置22
2.3.6 GT-POST结果查看与结果后处理26
第3章 车辆动力学及传热学基础理论34
3.1 车辆动力学基础理论34
3.1.1 汽车动力性指标34
3.1.2 汽车经济性指标34
3.1.3 汽车行驶的阻力35
3.1.4 汽车行驶动力学方程式37
3.1.5 GT-SUITE关于整车动力传动系统模型的动力学方程37
3.1.6 建立车辆模型所需的基本数据38
3.1.7 GT-SUITE中车辆仿真的分析模式39
3.2 传热学基础理论40
3.2.1 热量传递的基本方式及基本原理40
3.2.2 传热过程、传热系数及边界条件43
3.2.3 换热器分类及传热计算基本原理44
3.2.4 GT-SUITE对于换热器的处理46
第4章 整车动力传动系统的建模和仿真49
4.1 整车动力传动系统概述49
4.2 传统燃油车动力传动系统建模和仿真49
4.2.1 固定档加速过程建模49
4.2.2 驾驶过程建模71
4.2.3 循环工况建模77
4.2.4 稳态过程建模83
4.2.5 手动档结构建模85
4.3 纯电动汽车动力传动系统建模91
4.3.1 定转矩加速过程建模91
4.3.2 循环工况建模98
4.3.3 简易制动能量回收系统建模104
4.3.4 简易电池控制系统建模113
4.4 混合动力汽车传动系统案例讲解—以P2架构为例117
4.4.1 并联式混合动力架构概述117
4.4.2 GT-SUITE模型讲解118
4.4.3 状态控制模型讲解119
4.4.4 离合器控制模型讲解124
4.4.5 变速器控制模型讲解126
4.4.6 电池控制模型讲解128
4.5 混合动力电动汽车策略优化算法讲解—以P0~P4架构为例128
4.5.1 DP和ECMS介绍129
4.5.2 GT-SUITE中的ECMS130
4.5.3 GT-SUITE中的DP131
4.5.4 P0~P4案例132
4.6 流程化建模向导—GT-DRIVE 137
4.6.1 GT-DRIVE 建模向导137
4.6.2 创建GT-DRIVE 架构142
第5章 动力总成热管理系统的建模157
5.1 动力总成热管理系统概述157
5.2 车辆动力总成热管理系统仿真的主要内容157
5.3 发动机热管理系统建模158
5.3.1 模型架构158
5.3.2 建模流程159
5.3.3 建模常用模块159
5.3.4 水泵161
5.3.5 散热器167
5.3.6 发动机机体182
5.3.7 节温器185
5.3.8 模型计算相关设置188
5.4 电驱动、电池热管理系统193
5.4.1 建模原理193
5.4.2 热源建模193
5.4.3 电子水泵建模203
5.4.4 电子风扇建模204
5.4.5 换热器建模206
5.4.6 节温器218
5.4.7 膨胀水壶219
5.4.8 电驱动、电池热管理系统模型介绍222
5.5 拓展介绍229
5.5.1 准3D发动机229
5.5.2 准3D电池231
5.5.3 准3D电机235
5.5.4 换热器缩放239
第6章 整车空调系统的建模240
6.1 空调系统概述240
6.2 空调系统仿真的主要内容240
6.3 空调系统相关模块介绍242
6.3.1 PID控制模块242
6.3.2 膨胀阀244
6.3.3 换向阀247
6.3.4 旁通阀250
6.3.5 压缩机252
6.3.6 乘员舱254
6.3.7 风门260
6.3.8 循环初始化262
6.3.9 压焓图、温熵图（Ph-Ts）输出263
6.4 空调系统建模流程264
6.4.1 空调系统模型介绍264
6.4.2 拓展：热泵系统273
6.5 使用GT-TAITherm进行舒适性分析273
6.5.1 GT-TAITherm概述273
6.5.2 GT-TAITherm模型处理274
6.5.3 乘员舱COOL-3D建模284
6.5.4 GT-ISE模型建立294
6.5.5 高级建模功能306
第7章 整车能量管理系统的联合仿真312
7.1 整车能量管理系统的仿真模型概述312
7.2 动力舱COOL-3D建模313
7.2.1 COOL-3D建模原理313
7.2.2 COOL-3D建模需求参数313
7.2.3 COOL-3D建模流程314
7.2.4 COOL-3D标定流程327
7.2.5 COOL-3D其他应用336
7.3 整车与各子系统模型的连接338
7.3.1 整车传动系统与发动机冷却系统连接339
7.3.2 车辆动力系统与电驱冷却系统连接344
7.3.3 空调系统与电池冷却系统连接348
7.4 整车能量管理联合仿真实例349
7.4.1 混合动力汽车的整车能量管理联合仿真实例350
7.4.2 纯电动汽车的整车能量管理联合仿真实例360
第8章 优化与DOE367
8.1 优化和DOE概述367
8.2 优化相关概念367
8.2.1 设计优化定义367
8.2.2 局部优化和全局优化368
8.2.3 “Independent”变量和“Sweep”变量368
8.2.4 单目标与多目标优化369
8.2.5 优化目标定义370
8.2.6 搜索算法372
8.3 GT-SUITE集成设计优化375
8.3.1 集成设计优化介绍375
8.3.2 集成设计优化设置375
8.3.3 快速计算选项（Faster Runtime）377

随着混合动力、纯电动和氢燃料电池等汽车技术的发展，汽车的能源正变得多元化，整车能量管理越来越重要。本书以整车能量管理仿真分析为出发点，结合作者的软件使用经验和工程经验，详述了整车以及各主要系统的建模和仿真分析过程。本书详细介绍了传统燃油车和新能源汽车的整车能量管理的基本概念、GT-SUITE软件的基础知识、车辆动力学及传热学基础理论、整车动力传动系统的建模和仿真、动力总成热管理系统和整车空调系统的建模，后还介绍了整车能量管理系统的联合仿真，以及系统优化和DOE。
本书适用于传统燃油车和新能源汽车的整车动力经济性、整车热管理、汽车空调和冷却系统等技术领域的产品开发、仿真、控制标定和试验等有关人员学习参考，也可作为汽车相关专业师生的参考书。

王伟民：日本东北大学工学博士。现任东风汽车集团有限公司技术中心整车技术总工程师、研究员级高级工程师、中国汽车工程学会汽车空气动力学分会委员和中国汽车工程学会标准(CSAE标准)专家组成员，多次担任中国汽车工程学会空气动力学分会年会热管理论坛主席。曾任日本自动车技术会(JSAE)CFD技术委员会委员、东风汽车集团有限公司CAE专业技术委员会主任 委员、集团公司CAE专业总师和集团公司 CAE学会会长。已经获得了东风汽车集团有限公司以及技术中心科技进步奖15项，发表中、英、日科技论文共66 篇，获得新能源汽车整车热管理系统开发方面的授权发明专利12项和其他授权实用新型专利3项。