降低油耗的整車參數(shù)優(yōu)化研究

朱琳，王師，吳健瑜，葉浪

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

降低汽車油耗是行業(yè)越來越關(guān)注的問題，要達(dá)到2020年的燃油消耗量目標(biāo)值，各企業(yè)都面臨巨大的壓力，降低油耗是很多企業(yè)遇到的難題。所以在汽車設(shè)計的最開始階段，就需要對汽車的油耗進(jìn)行分析，如果油耗不能達(dá)到滿足目標(biāo)要求，需要提出降低油耗的方案[1]。

降低油耗一直是汽車技術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，目前國內(nèi)外學(xué)者提出的降低油耗的方法主要有以下幾種：(1)優(yōu)化主減速比；(2)優(yōu)化變速箱各擋速比；(3)提高變速箱效率；(4)改善發(fā)動機(jī)萬有特性等。其中方法(1)和(2)降低的油耗量相對較少，方法(3)和(4)需要提高變速箱和發(fā)動機(jī)的制造水平才能實(shí)現(xiàn)，在汽車設(shè)計中真正實(shí)施相對困難。

本文作者從汽車設(shè)計的各個參數(shù)入手，建立了整車油耗分析的參數(shù)化仿真模型，分析各設(shè)計參數(shù)對整車油耗影響的靈敏度，并考慮可實(shí)現(xiàn)性，提出各參數(shù)的優(yōu)化方案，達(dá)到降低油耗的目的。

1 整車仿真模型建立

整車仿真模型主要包含以下幾個參數(shù)化模塊：(1)發(fā)動機(jī)模塊；(2)傳動系模塊；(3)整車模塊；(4)駕駛員模塊；(5)輪胎模塊。

各模塊的數(shù)學(xué)模型如下：

(1)發(fā)動機(jī)模塊

Te=f1(n,a)

(1)

b=f2(n,Te)

(2)

(2)傳動系模塊

Tin=Tout/ig/i0/η

(3)

Tin≈Te

(4)

Tout≈Tw

(5)

n=v·i0·ig/0.377/rg∈(1,2,3,......，g)

(6)

(3)整車模塊

F=Fr+Fi+Fj+Fw

(7)

Fw=CD·A·v2/21.15

(8)

(4)駕駛員模塊

a=g1(Te,n)

(9)

(5)輪胎模塊

Fr=mgf

(10)

Tw=Fr

(11)

上述數(shù)學(xué)模型中各變量的含義如表1所示。

表1 變量說明

整車仿真模型分析油耗的流程如圖1所示。

(1)根據(jù)車輛的行駛車速、加速度、路面坡度、輪胎摩擦因數(shù)和車重力，得到整車阻力；

(2)已知整車阻力，根據(jù)輪胎模塊數(shù)學(xué)模型得到輪邊需求驅(qū)動扭矩；

(3)根據(jù)輪邊所需的驅(qū)動扭矩，經(jīng)過傳動系模塊求解出發(fā)動機(jī)需求扭矩，通過駕駛員模塊得到油門踏板開度，同時，根據(jù)車速和傳動系模塊求出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，油門開度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過發(fā)動機(jī)模塊得到發(fā)動機(jī)實(shí)際輸出扭矩，確定發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)后，得到油耗率；

(4)已知循環(huán)工況下每一時刻的發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)及油耗率，通過積分求解，即可得到百公里油耗值。

圖1 整車油耗仿真流程

根據(jù)上述原理在Cruise軟件中建立整車仿真模型，如圖2所示。通過仿真模型分析油耗所需的輸入?yún)?shù)有：發(fā)動機(jī)萬有特性，發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)速下油門開度和扭矩的關(guān)系，傳動系效率，變速箱各擋位速比和主減速比，輪胎滾動半徑，輪胎滾阻系數(shù)，整車風(fēng)阻系數(shù)，迎風(fēng)面積，以及循環(huán)工況識別參數(shù)[2]等。將以上參數(shù)輸入到仿真模型中求解就得到了循環(huán)工況機(jī)械功的百公里油耗。整車百公里油耗分為兩部分：一部分是機(jī)械功產(chǎn)生的油耗，另一部分是電功產(chǎn)生的油耗。由于整車在實(shí)際行駛時，還有電器附件，如發(fā)電機(jī)、風(fēng)扇等在進(jìn)行工作，所以在油耗計算中需要考慮電功產(chǎn)生的油耗。百公里油耗計算公式如下：

(12)

圖2 Cruise整車仿真模型

也可以在Cruise的整車模型中添加電器元件將電器附件消耗的油耗考慮進(jìn)去，直接計算百公里油耗。不同循環(huán)工況發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)不同，得到的百公里油耗也不同。在我國，按照法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，目前采用的是NEDC循環(huán)工況。該工況分為市區(qū)工況和市郊工況兩部分，市區(qū)工況時間為780 s，市郊工況時間為400 s。具體工況如圖3所示[3]。

圖3 NEDC工況

通過對仿真模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行優(yōu)化[4]可以找到降油耗的方案。從整車的零部件參數(shù)優(yōu)化方面，主要有以下幾種方案：(1)降低發(fā)動機(jī)燃油消耗率；(2)提高傳動系效率；(3)優(yōu)化變速箱各擋速比及主減速比；(4)增大輪胎滾動半徑；(5)降低滾阻系數(shù)；(6)降低風(fēng)阻系數(shù)及迎風(fēng)面積[5]；(7)減重，都能對油耗有所改善。針對某款SUV車型建立仿真模型，在仿真模型中對上述6種方案進(jìn)行一一實(shí)驗(yàn)。

2 整車參數(shù)對油耗的靈敏度

通過試驗(yàn)設(shè)計的方式以及單一變量法的方法，作者對6種方案分別進(jìn)行計算，得到相應(yīng)優(yōu)化方案對油耗改善的靈敏度。具體靈敏度變化如表2所示。

表2 影響因素靈敏度分析結(jié)果

發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速和扭矩下的燃油消耗率降低0.05 kg/h，NEDC油耗減少0.15 L/100 km；傳動系效率由90%提高到95%，油耗減少0.24 L/100 km；變速箱主減速比從4.35減少到3.94，油耗減少0.15 L/100 km；輪胎滾動半徑增加10 mm，油耗減少0.07 L/100 km；輪胎滾阻系數(shù)從0.009 5降低到0.007 5，油耗降低0.15 L/100 km；風(fēng)阻系數(shù)降低0.01，油耗降低0.05 L/100 km；質(zhì)量減少100 kg，油耗降低0.2 L/100 km。以上是對整車零部件參數(shù)優(yōu)化的降油耗結(jié)果。

3 控制策略對降低油耗的影響

但隨著整車電氣化程度不斷提高，電控系統(tǒng)不斷發(fā)展，整車控制策略對油耗也產(chǎn)生重要影響。降低油耗的軟件控制策略優(yōu)化方向如下：(1)自動變速箱液力變矩器鎖止策略；(2)自動變速箱換擋策略；(3)發(fā)動機(jī)啟停控制策略；(4)發(fā)電機(jī)智能發(fā)電策略；(5)發(fā)動機(jī)斷油策略；(6)單電機(jī)混動構(gòu)型的混動控制策略。以上控制策略設(shè)置不同的參數(shù)對油耗的影響也不同，所以控制策略的參數(shù)優(yōu)化對降低整車油耗也有決定性的作用。

3.1 自動變速箱液力變矩器鎖止策略

隨著行星齒輪系自動變速箱的大量運(yùn)用，液力變矩器鎖止策略對整車的燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生了重要影響，對于有液力變矩器的自動變速箱，液力變矩器鎖止能夠提高變速箱的效率[6]，達(dá)到降低油耗的目的。所以液力變矩器可以鎖止的最低轉(zhuǎn)速是一個優(yōu)化參數(shù)，液力變矩器可以鎖止的最低轉(zhuǎn)速越低，車輛在運(yùn)行時，降低油耗越多。以下是自動變速箱液力變矩器鎖止策略參數(shù)優(yōu)化對油耗的影響。在模型控制策略中，設(shè)置液力變矩器鎖止轉(zhuǎn)速分別為1 200、1 800和2 400 r/min進(jìn)行對比，NEDC油耗差異如表3所示。

表3 不同液力變矩器鎖止轉(zhuǎn)速的油耗對比

3.2 自動變速箱換擋策略

目前市場上自動變速箱種類繁多，有AT、AMT、DCT等。對于自動變速箱，在同樣的工況下，用不同的擋位，發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)會發(fā)生變化；相同車速下，由于擋位不同發(fā)動機(jī)會工作在不同的轉(zhuǎn)速和扭矩下，發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的燃油消耗率也不同。如何選擇最優(yōu)的擋位，制定最優(yōu)的換擋策略[7]，也是不斷被研究的課題。換擋策略優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)和約束條件如下：

(13)

objb=f2(n，Te)

(14)

n=v·i0·ig/0.377/rg∈(1,2,3,......，g)

(15)

nmin≤n≤nmax

(16)

Te≤Tmax

(17)

換擋策略優(yōu)化的流程如圖4所示。

圖4 換擋策略優(yōu)化流程

圖5是某車型優(yōu)化前和優(yōu)化后的換擋圖。換擋策略對NEDC油耗的影響對比如表4所示。

圖5 換擋策略優(yōu)化前后對比

表4 不同換擋策略的油耗對比

以上是變速箱的控制優(yōu)化對油耗的貢獻(xiàn)。除此之外，發(fā)動機(jī)的控制對油耗的影響也十分關(guān)鍵，發(fā)動機(jī)控制單元是控制噴油量的部件，因此對發(fā)動機(jī)及其附件的控制系統(tǒng)及策略優(yōu)化也在不斷發(fā)展。其中發(fā)動機(jī)啟停系統(tǒng)的降油耗效果顯著。

3.3 發(fā)動機(jī)啟停控制策略

降低油耗的關(guān)鍵點(diǎn)是減少發(fā)動機(jī)工作的時間。在實(shí)際道路和法規(guī)工況中，車輛在加速和勻速行駛時需要消耗功率，而在減速和停車狀態(tài)下，并不需要消耗功率，此時可以通過發(fā)動機(jī)停機(jī)的方式減少燃油消耗。影響發(fā)動機(jī)怠速啟停的主要因素有啟停開關(guān)、蓄電池電量、電池SOC傳感器精度、車速、加速度、空調(diào)開關(guān)、發(fā)動機(jī)水溫、方向盤轉(zhuǎn)角等，具體的控制策略如圖6所示，并在仿真模型中添加啟停的控制策略，同時可以對啟停控制策略的水溫閾值進(jìn)行優(yōu)化。對于NEDC工況，如果水溫大于80 ℃才進(jìn)入啟停，和水溫大于60 ℃就進(jìn)入啟停，進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)的時間不同，前者停機(jī)時間為110 s，后者停機(jī)時間為206 s，對比啟停控制策略對降低油耗的貢獻(xiàn)，見表5。

圖6 發(fā)動機(jī)啟停控制策略

表5 不同啟停控制策略的油耗影響對比

當(dāng)然啟停控制策略的節(jié)油效果與發(fā)動機(jī)怠速油耗關(guān)系較大，對于大排量怠速油耗高整車降油耗效果更明顯。

3.4 斷油控制策略

啟停控制策略主要是節(jié)省了怠速停車工況的油耗，對于減速狀態(tài)，可以優(yōu)化斷油控制策略，減少減速段油耗。控制減速斷油的相關(guān)信號有加速踏板、車速、加速度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等，具體的控制策略如圖7所示，其中影響斷油時間的主要閾值為開始斷油轉(zhuǎn)速和恢復(fù)供油轉(zhuǎn)速。

圖7 發(fā)動機(jī)斷油控制策略

NEDC工況減速段時間總和為186 s，如果用減速斷油控制策略進(jìn)行優(yōu)化，也能起到降低油耗的作用。開始斷油轉(zhuǎn)速由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 400 r/min開始斷油調(diào)整到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低于2 000 r/min開始斷油，斷油時間從49 s增大到79 s，油耗降低了約0.1 L/100 km，具體結(jié)果見表6。

表6 不同斷油轉(zhuǎn)速的油耗對比

3.5 智能發(fā)電控制策略

如前所述，整車油耗有兩部分組成，除了克服阻力消耗的機(jī)械功產(chǎn)生的油耗，還有作為發(fā)動機(jī)的附件發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電功所需要的油耗。所以如何控制發(fā)電機(jī)發(fā)電策略，也是降油耗的一個方向。

智能發(fā)電系統(tǒng)主要包含電池SOC傳感器和智能發(fā)電機(jī)兩個硬件。智能發(fā)電控制策略通過分析蓄電池SOC、整車用電系統(tǒng)總負(fù)載、發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)等因素來控制發(fā)電機(jī)電壓，以達(dá)到智能發(fā)電的目的。

影響智能發(fā)電策略的信號主要包含蓄電池電量、蓄電池最優(yōu)電量、發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)燃效、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩、電池SOC傳感器精度，主要控制邏輯如圖8所示。

智能發(fā)電和非智能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)發(fā)電電壓對比如圖9所示，油耗對比結(jié)果如表7所示。

表7 智能發(fā)電策略的油耗影響對比

3.6 混動車型控制策略

隨著啟停、48 V等電氣化技術(shù)的發(fā)展，汽車由傳統(tǒng)燃油車向混動化方向發(fā)展。混動化能優(yōu)化發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，使發(fā)動機(jī)向燃效高的工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到降油耗的目的[8]。混動系統(tǒng)主要由以下幾種功能組成：

(1)自動啟停。車輛靜止?fàn)顟B(tài)下，發(fā)動機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，等車輛開始行駛，發(fā)動機(jī)再自行啟動。

(2)制動能量回收。可以將動能轉(zhuǎn)化為電能，回收的電能可以用來驅(qū)動整車，減少發(fā)動機(jī)工作時間[9]。

(3)動力輔助。在加速階段，電機(jī)可以輔助動力，優(yōu)化發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，防止發(fā)動機(jī)工作在高負(fù)荷低燃效區(qū)。

(4)純電動。車輛勻速行駛時，當(dāng)電池電量充足且需求功率較小時，發(fā)動機(jī)停機(jī)，車輛完全由電機(jī)驅(qū)動。

(5)滑行。松油門減速時，發(fā)動機(jī)停機(jī)，不同于傳統(tǒng)車輛滑行時發(fā)動機(jī)仍然需要噴油來維持發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，減少不必要的能量浪費(fèi)。

(6)其中制動能量回收電機(jī)制動扭矩大小對油耗有一定的影響。以下是某混動車型制動能量回收優(yōu)化前后電制動扭矩對油耗影響。優(yōu)化前是中等強(qiáng)度制動能量回收，優(yōu)化后是在優(yōu)化前基礎(chǔ)上增加10 N·m電制動扭矩。油耗差異結(jié)果見表8。

表8 制動能量回收策略的油耗對比

4 結(jié)束語

節(jié)能減排是全球一直在呼吁的問題，也是各車企一直關(guān)注的問題。本文作者建立了整車油耗計算的模型，從整車的機(jī)械部分和電耗部分以及整車控制策略方面，提出降油耗的方法。通過試驗(yàn)和仿真計算得到了和油耗相關(guān)各因素的靈敏度，給出了整車設(shè)計參數(shù)和控制參數(shù)優(yōu)化對油耗的影響，為企業(yè)降油耗提供一點(diǎn)借鑒。未來混動車型和純電動車型不斷增多，降低油耗和能耗也是不斷研究的方向。機(jī)械部分的降能耗方向大體一致，整車控制策略的研究和降低電耗會是一個新的方向。