基于啟停系統的客車動力參數優化

杜勇 馬洪龍

（1.合肥工業大學交通運輸工程學院；2.歌爾聲學股份有限公司）

為了保護生態環境與節省能源，生產更加節能和低排放的汽車越來越成為世界各大汽車生產廠的首要任務，汽車中的啟停系統應運而生。目前我國還沒有完善的代表性工況，現有的國標都是在歐洲工況的基礎上修改后頒布實施的[1]。因為我國城市結構（如一、二、三線城市）特殊，導致工況也有很大的不同，而只有合適的工況才能得到最優的動力系統匹配。據中國統計年鑒提供的數據，我國機動車保有量由2010年的1.9 億輛增長到2012年的2.23 億輛。由于我國汽車數量非常龐大，如果能夠有合適的動力匹配，同時安裝怠速啟停系統，那么節約的燃油將非?？捎^，對環境也會有很好的保護[2]。文章以合肥市道路行駛工況作為代表性工況，提出基于啟停系統的動力參數優化匹配設計。

1 整車參數及建立模型

1.1 基本參數

文章以某大型客車為例，其基本參數，如表1所示。

表1 整車基本參數

1.2 Cruise建立整車模型

在Cruise 軟件中搭建了試驗車的整車模型，用以仿真分析汽車的動力性和燃油經濟性。根據搜集的汽車實際參數，從模塊列表中選擇合適的模塊，并根據汽車布置形式建立整車模型，分別建立汽車、發動機、變速器、主減速器、離合器、差速器、電池、怠速啟停系統、車輪及整車外形尺寸等相關參數模型，并組合各個模塊，完成整車仿真模型的建立，如圖1所示。

1.3 Isight集成Cruise

Isight 軟件進行集成優化時，需要在Simcode 模塊中加載輸入文件，并定義設計變量，從加載的輸出文件中定義目標函數，隨后編寫接口文件，并對構建的模型進行可行性檢驗，在沒有錯誤的情況下，運行模型，調用軟件計算。Isight 軟件主要提供了多種優化算法，如數值優化、全局優化、多目標優化算法及Point 智慧優化專家。每種算法都有各自的適用范圍，因此，需要針對不同的問題選擇不同的優化算法，進而取得穩健、全局及可靠的優化設計方案[3]。

用Isight 集成Cruise 的過程中，需要用Calculation和Simcode 模塊來處理各參數間的關系。Simcode 模塊是集成仿真程序的方法，通過解析輸入文件和輸出文件更新輸入參數和讀取仿真結果，同時還可以通過命令執行仿真程序；Calculation 模塊是應用模塊之一，可通過它將模擬代碼結合在一起，使其能夠以相同的方式被重復使用，通過該模塊，可以產生新的參數幫助計算。

Simcode 模塊需要加載輸入文件（Man_RWD.dbf）、執行文件（Cruise.bat）和輸出文件（result.log）；在 Calculator 模塊中設置各擋的速比。Isight 集成模型，如圖2所示。

2 怠速啟停系統的結構與工作原理和優化算法

2.1 怠速啟停系統的結構與工作原理

汽車怠速啟停系統的結構，如圖3所示。

汽車怠速啟停系統的工作原理是汽車在等待信號燈或堵車時，發動機處于怠速狀態，這時發動機將關閉；當駕駛員重新起動汽車時，只需松開制動踏板或踩下離合器踏板，可以自動啟動發動機[4]。

2.2 Pointer全能優化器

Pointer 全能優化器只需在優化某問題之前對優化器進行相似問題求解訓練，當優化器了解該問題的求解經驗后，便能組合使用4 種優化算法快速優化這一類設計問題，得到高效的優化結果。

Pointer Optimizer 可以控制4 種優化算法的組合:

1）線性問題:線性單純形法Linear Simplex 可高效解決線性問題；

2）光滑連續問題:序列二次規劃的Schittowski 版本（NLPQL），具有非常好的收斂性和數值穩定性；

3）非光滑連續問題:Nelder-Mead 下降單純形法，具有非常好的效率；

4）全局、非連續及函數特征復雜的問題:遺傳算法（Professor Schwefel，Dr.Mathias Hadenfeld） 具有很好的全局性和普適性，但是計算時間長。

3 目標函數和約束的設定

3.1 設計變量的設定

設計中，可以從對設計性能指標有影響的基本參數中選取一組來體現某個優化設計方案。有些基本參數可以根據安裝、工藝和使用要求預先給定，成為已知量。而另一些需要在設計過程中進行選擇，這些基本參數稱為設計變量。

選擇設計變量一般遵循3 個規則:1）選取與目標函數有直接或間接關系的，且對目標函數有比較大影響的變量作為設計變量；2）設計變量應是相互獨立的，否則優化結果將不符合實際；3）盡量選取有實際意義的無因次量（沒有單位的物理量）作為設計變量[5]。

3.2 動力性目標函數

汽車動力參數優化的目的是保證在滿足汽車動力性要求的前提下，使汽車在常用工況下的燃油經濟性達到最佳。文章采用最大爬坡度作為動力性目標函數，表達式為:

式中:G——汽車總重力，N；

α——汽車爬坡角，（°）；

Ttq——發動機最大轉矩，N·m；

ig——變速器加速擋傳動比；

io——主減速器傳動比；

ηT——傳動系統傳動效率，%；

r——輪胎靜力半徑，m；

Ff——滾動阻力，N；

f——滾動阻力系數；

Fw——空氣阻力，N；

CD——風阻系數；

A——橫截面面積，m2；

ua——車速，km/h；

Ft——汽車牽引力，N。

3.3 經濟性目標函數的建立

在保證動力性的條件下，汽車以盡量少的燃油消耗量經濟行駛的能力，稱作汽車的燃油經濟性。汽車燃油經濟性常用一定工況下，汽車行駛100 km 的燃油消耗量或一定燃油消耗量能使汽車行駛的里程來衡量。文章以合肥市行駛工況作為動力系統優化的標準工況，以100 km 油耗（Q）作為整車的經濟性目標函數，表達式為:

式中:ΣQ——合肥市行駛工況下油耗量之和，L/km；

S——整個循環的行駛距離，km。

3.4 綜合目標函數

因為爬坡度越大，對動力性而言就越好，但油耗越大，其為正向指標。但經濟性要求油耗越低越好，其為逆向指標。將最大爬坡度取倒數（1/α），轉化為逆向指標，建立了最大爬坡度和100 km 油耗的多目標優化，表達式為:

式中:x——變速器與主減速器參數向量；

f（x）——目標函數。

3.5 速比的約束

對于汽車的燃油經濟性來說，隨著擋位數的增加，發動機在燃油消耗率低的區域工作幾率增加，燃油消耗降低；對于汽車的動力性而言，隨著變速器擋位數的增加，發動機發揮高功率的機會也隨之增加，對提高汽車的加速與爬坡能力更加有利[6]。經分析可知，主減速器速比和變速器速比對汽車燃油經濟性和動力性有很大影響，文章將其作為設計變量。

在Calculator 模塊中對各擋速比關系進行設置，通常情況下，為了換擋方便且充分利用發動機的功率，各擋關系是按照等比級數分配的。但汽車在實際行駛過程中，因各擋利用率不同，所以各擋傳動比比值并不相等[7]。汽車很多時候在高擋行駛，因此必須對等比分配方案進行調整，相鄰兩擋的傳動比隨擋位升高而降低，且低擋傳動比的比值不宜過大，否則容易造成換擋困難。

綜上，文章確定的速比約束條件如下：

4 優化結果及分析

文章選用Isight 中的Pointer 優化算法，Pointer 能在優化的不同階段自動選擇某個優化算法，自動設置優化算法的內部參數（步長及迭代次數等），提高了優化效率。優化前后傳動系參數的對照，如表2所示，動力性和經濟性的比較，如表3所示。Isight 尋優里程，如圖4所示。

表2 優化前后的傳動系速比

表3 整車性能優化對比表

從表3可得出:

1）從燃油經濟性和動力性來看，將傳動系作為設計變量進行優化非常有效，其對整車動力性和經濟性影響非常明顯。

2）汽車的最高車速有所降低，這主要是由于優化后的最小傳動比（0.83）較優化前（0.81）大，最高車速為105.37 km/h，較原來降低了6%，但在市區或高速情況下也能滿足行駛要求。

3）由表3可知，官方油耗與實際油耗有一定的差距，這正是因為工況不同造成的，中國城市結構復雜，與歐洲工況差別較大（現有國標是在歐洲工況的基礎上修改得到的）。在只有怠速啟停系統（合肥工況，但傳動系參數沒有優化）的情況下，節油0.16 L，節油效果并不理想，而傳動系參數優化后，節油1.46 L，節油效果比較理想。

5 結論

啟停系統裝置能減少發動機的怠速空轉，具有明顯的節能減排功效，但由于節能效果并非最佳，因此文章主要通過對客車模型仿真建模，以合肥市典型行駛工況的試驗研究，對耦合計算變速器進行相應的匹配，并加入怠速啟停模塊，通過對比試驗分析數據得出，優化的傳動系數能有效降低燃油消耗，對汽車的節油效果非常理想。