基于模型的整車標(biāo)定研究

張鵬飛，盧 放，楊雪峰，王 凱

（一汽轎車股份有限公司產(chǎn)品部，吉林 長(zhǎng)春 130012）

針對(duì)日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)保挑戰(zhàn)，中國(guó)自2005年起實(shí)施乘用車企業(yè)平均燃料消耗量法規(guī)（Corporate Average Fuel Consumption，CAFC） ，中國(guó) CAFC 法規(guī)共經(jīng)歷了4個(gè)階段。其中第4階段由GB 27999—2014《乘用車燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》規(guī)定：2020年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至5.0 L / 100 km［1］。

隨著中國(guó)對(duì)汽車節(jié)能減排要求的不斷提高和用戶對(duì)汽車舒適性、駕駛性要求的不斷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)變得越來越復(fù)雜［2］。為滿足排放法規(guī)、油耗法規(guī)、整車駕駛性、OBD等各方面的要求，標(biāo)定參數(shù)已達(dá)到幾千個(gè)，而且一直在增長(zhǎng)［3］。標(biāo)定工作量也隨著標(biāo)定參數(shù)成指數(shù)倍增長(zhǎng)，使用傳統(tǒng)標(biāo)定方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代汽車投放市場(chǎng)的速度要求，基于模型的標(biāo)定方法可以縮短開發(fā)周期，勢(shì)必成為未來整車標(biāo)定的趨勢(shì)。

1 模型搭建

1.1 整車動(dòng)力學(xué)模型

如何將發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)與整車模型相結(jié)合是基于模型的標(biāo)定方法的關(guān)鍵所在?；谂ぞ氐目刂撇呗允悄壳鞍l(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的主流控制策略，為了保證整車動(dòng)力學(xué)模型與發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型的無縫銜接，整車動(dòng)力學(xué)模型也需要采用基于扭矩的整車動(dòng)力學(xué)模型。

圖1為典型的基于扭矩的整車動(dòng)力學(xué)模型基本框圖。其中著色部分為發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元內(nèi)部扭矩計(jì)算模型［4］。

圖1 基于扭矩的車輛動(dòng)力學(xué)模型框圖

根據(jù)工程應(yīng)用的實(shí)際需求以及汽車行駛方程式，可以使用公式（1）計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端扭矩輸出。

式中：Tout——發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端扭矩；Fv——滑行阻力方程，即車速與滑行阻力的函數(shù)關(guān)系；m——整車裝備質(zhì)量；ig——變速器各擋速比；io——主減速器速比；nT——傳動(dòng)效率；r——車輪滾動(dòng)半徑；δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；a——車輛加速度［5］。

根據(jù)此公式可以在預(yù)設(shè)車速和加速度的前提下，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端的扭矩需求值。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩模型

在工程應(yīng)用過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)是在充分熱機(jī)后測(cè)量所得，不包含起動(dòng)和暖機(jī)等過程的數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)所有附件正常工作的條件等原因，所以發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)無法直接用于精確計(jì)算車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，這些由溫度帶來的偏差以及附件的扭矩?fù)p失通常都可以與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速建立函數(shù)關(guān)系?？梢杂霉剑?）建立發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端扭矩的關(guān)系。

式中：Teng——發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩及萬有特性中的扭矩；Ti——發(fā)動(dòng)機(jī)損失扭矩，通常包括發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、助力轉(zhuǎn)向等附件損失和低溫情況下的摩擦和泵氣損失［6］。

通過整車動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端的扭矩，再通過公式（2）計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行的扭矩值。結(jié)合速度模型計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值。通過轉(zhuǎn)速和扭矩即可確定發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況。

1.3 駕駛員需求扭矩模型

駕駛員需求扭矩模型是將駕駛員踩踏油門踏板的角度值以傳感器電信號(hào)的形式，通過控制模型轉(zhuǎn)化為駕駛員對(duì)車輛加速的扭矩需求，它滿足公式（3）。

式中：Tdr——駕駛員需求扭矩；Tmax——發(fā)動(dòng)機(jī)可以發(fā)出的最大扭矩；Tmin——維持發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的最小扭矩值；Fp——扭矩輸出系數(shù)，即油門踏板開度對(duì)應(yīng)的扭矩百分比，該值一般是由幾個(gè)三維MAP通過標(biāo)定的方式確定。

1.4 油耗計(jì)算模型

油耗計(jì)算模型是將汽車在某一特定駕駛循環(huán)中，發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)的運(yùn)行工況所產(chǎn)生的燃油消耗量求和之后，再折算成每百公里油耗量。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)模型、催化劑加熱模型、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模型、部分負(fù)荷模型、減速斷油模型、恢復(fù)供油模型、停機(jī)模型等一系列模型的油耗輸出精度都對(duì)油耗計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。以部分負(fù)荷工況為例，其油耗模型可以簡(jiǎn)化為公式（4）。

式中：FC——部分負(fù)荷的燃油消耗量；n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；fx——發(fā)動(dòng)機(jī)工況和油耗的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通常情況使用計(jì)算或查表的方法獲取相應(yīng)的油耗值，如部分負(fù)荷油耗采用三維數(shù)值查表所得，如圖2所示。

圖2 燃油消耗量與運(yùn)行工況的關(guān)系

2 模型計(jì)算輸出

2.1 整車使用工況輸出

完成建模后，合適的邊界選擇是模型能夠精確計(jì)算的前提條件。完成邊界條件設(shè)定后，可以根據(jù)模型，計(jì)算出該車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的常用工況。圖3為某車型在NEDC循環(huán)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的使用工況，由圖3可知，發(fā)動(dòng)機(jī)基本運(yùn)行在700～2 300 r/min之間［7］。該數(shù)據(jù)用于后續(xù)駕駛性驗(yàn)證和評(píng)價(jià)的關(guān)鍵區(qū)間。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況計(jì)算

2.2 踏板MAP基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算

2.2.1 駕駛習(xí)慣數(shù)據(jù)收集

為了使車輛動(dòng)力性主觀感受表現(xiàn)良好，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)，需要把握大多數(shù)駕駛員的駕駛習(xí)慣數(shù)據(jù)。經(jīng)過對(duì)400人次駕駛習(xí)慣數(shù)據(jù)采集，得到油門踏板位置使用頻率數(shù)據(jù)，如圖4所示。分析數(shù)據(jù)可知，在該測(cè)試車型上所有客戶使用踏板的習(xí)慣基本落在10%～30%之間，大部分男性客戶首次踩踏油門的開度在28%附近，部分女性客戶首次踩踏油門開度在15%附近。

圖4 油門踏板位置使用頻率數(shù)據(jù)

2.2.2 踏板MAP基礎(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)置

使用基于扭矩的整車動(dòng)力學(xué)模型，通過給定駕駛工況信息，可以計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)車輛最小的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩以及扭矩輸出系數(shù)，圖5為NEDC循環(huán)下各工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的扭矩輸出系數(shù)，再結(jié)合駕駛習(xí)慣數(shù)據(jù)和整車加速性工程目標(biāo)，即可完成踏板MAP基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算工作。

圖5 扭矩輸出系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.3 油耗計(jì)算結(jié)果

在不同的駕駛循環(huán)下，根據(jù)整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求，選擇不同的自動(dòng)變速器換擋點(diǎn)，結(jié)合輔助計(jì)算模型，可以計(jì)算得到燃油消耗量曲線，圖6為NEDC循環(huán)中最佳燃油消耗量曲線。

圖6 最佳燃油消耗量曲線

3 實(shí)車標(biāo)定驗(yàn)證

3.1 實(shí)車驗(yàn)證的必要性

由于目前采用的整車扭矩模型均為開環(huán)模型，模型的精度與實(shí)車的閉環(huán)控制有一定差距，而且采用的發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)全部為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，瞬態(tài)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力不及實(shí)車。所以目前基于模型的標(biāo)定方法還無法直接替代實(shí)車標(biāo)定，但已經(jīng)在很大程度上縮短了開發(fā)周期。

在整車標(biāo)定開始前，先將計(jì)算得到的標(biāo)定數(shù)據(jù)集成到整車基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中，再進(jìn)行實(shí)車標(biāo)定驗(yàn)證。實(shí)車標(biāo)定驗(yàn)證需要綜合考慮車輛加速性能、排放、駕駛性、NVH、零部件保護(hù)等基礎(chǔ)性能。

3.2 踏板MAP驗(yàn)證

踏板MAP作為表征駕駛員加速意圖的主要指標(biāo)，對(duì)于車輛動(dòng)力性表現(xiàn)的影響至關(guān)重要。踏板MAP驗(yàn)證時(shí)，需要在滿足整車加速度工程目標(biāo)的前提下，兼顧轉(zhuǎn)速穩(wěn)定特性、車速穩(wěn)定特性、加速線性特性、滑行特性、NVH特性等整車其他性能。根據(jù)具體需求對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過標(biāo)定數(shù)據(jù)修正、客觀數(shù)據(jù)測(cè)試、主觀評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)放確認(rèn)工作。表1為主觀評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)。

表1 踏板MAP主觀評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過采用基于模型的標(biāo)定方法，使原來6～8個(gè)月的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性開發(fā)周期縮短為現(xiàn)在的3～4個(gè)月，開發(fā)周期壓縮至少3個(gè)月以上，為項(xiàng)目開發(fā)贏得了寶貴的時(shí)間。

3.3 油耗排放驗(yàn)證

完成踏板MAP和換擋MAP標(biāo)定驗(yàn)證后，即整車動(dòng)力性數(shù)據(jù)凍結(jié)。接下來需要完成排放、駕駛性和油耗相關(guān)工作，由于三者之間有著密切的聯(lián)系，在驗(yàn)證過程中讓三者都達(dá)成工程目標(biāo)絕非易事。表2為某車型排放和油耗驗(yàn)證結(jié)果，分析數(shù)據(jù)可知，排放污染物水平均滿足一次實(shí)驗(yàn)通過認(rèn)證的要求，同時(shí)油耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果非常接近且兩者誤差在3%以內(nèi)。油耗計(jì)算的誤差較以往采用普通模型項(xiàng)目的10%以上下降到5%以內(nèi)。

表2 排放油耗驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)論

通過建立與發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型相匹配的整車動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)置用戶參數(shù)及合理的邊界條件，計(jì)算出基礎(chǔ)標(biāo)定數(shù)據(jù)。經(jīng)過實(shí)車驗(yàn)證確認(rèn)，采用基于模型的標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)縮短開發(fā)周期至少3個(gè)月，實(shí)現(xiàn)燃油消耗計(jì)算誤差在5%以內(nèi)。

［1］ GB 27999—2014，乘用車燃料消耗評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)［S］.［2］ 于鎰?。l(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)開發(fā)的測(cè)試技術(shù)與平臺(tái)研究［D］．天津：天津大學(xué)，2008．

［3］ Ullmann S，Reuss H C，Zell A. Calibration System Prototype for Increasing the Level of Automation in Stationary Engine Testing and Calibration［J］．British Medical Journal，2005，1（4080）：559-560.

［4］ Bernhard Mencher， Holger Jessen， Lilian Kaiser，etc.. Preparing for CARTRONIC-Interface and New Strategies for Torque Coordination and Conversion in a Spark Ignition Engine-Management System［C］．SAE Paper，2001-01-0268．

［5］ 余志生．汽車?yán)碚摚ǖ谒陌妫跰］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［6］ Machiko Katsumata，Yukio Kuroda，Akira Ohata.Development of an Engine Torque Estimation Model:Integration of Physical and Statistical Combustion Model［J］．Bibliogr，2007，164 （6）：80-82．

［7］ GB 18352.5—2013，輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法［S］．