基于啟停系統(tǒng)的客車動力參數優(yōu)化

杜勇 馬洪龍

（1.合肥工業(yè)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(tài)環(huán)境與節(jié)省能源，生產更加節(jié)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(tǒng)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(yōu)的動力系統(tǒng)匹配。據中國統(tǒng)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(tǒng)，那么節(jié)約的燃油將非常可觀，對環(huán)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(tǒng)的動力參數優(yōu)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(fā)動機、變速器、主減速器、離合器、差速器、電池、怠速啟停系統(tǒng)、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(yōu)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(yōu)化算法，如數值優(yōu)化、全局優(yōu)化、多目標優(yōu)化算法及Point 智慧優(yōu)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(yōu)化算法，進而取得穩(wěn)健、全局及可靠的優(yōu)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(zhí)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(zhí)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(tǒng)的結構與工作原理和優(yōu)化算法

2.1 怠速啟停系統(tǒng)的結構與工作原理

汽車怠速啟停系統(tǒng)的結構，如圖3所示。

汽車怠速啟停系統(tǒng)的工作原理是汽車在等待信號燈或堵車時，發(fā)動機處于怠速狀態(tài)，這時發(fā)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(fā)動機[4]。

2.2 Pointer全能優(yōu)化器

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

Pointer Optimizer 可以控制4 種優(yōu)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(xù)問題:序列二次規(guī)劃的Schittowski 版本（NLPQL），具有非常好的收斂性和數值穩(wěn)定性；

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

4）全局、非連續(xù)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(yōu)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(guī)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(yōu)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(yōu)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)優(yōu)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(huán)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(yōu)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(fā)動機在燃油消耗率低的區(qū)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(fā)動機發(fā)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(fā)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(yōu)化結果及分析

文章選用Isight 中的Pointer 優(yōu)化算法，Pointer 能在優(yōu)化的不同階段自動選擇某個優(yōu)化算法，自動設置優(yōu)化算法的內部參數（步長及迭代次數等），提高了優(yōu)化效率。優(yōu)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(yōu)里程，如圖4所示。

表2 優(yōu)化前后的傳動系速比

表3 整車性能優(yōu)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(yōu)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(yōu)化后的最小傳動比（0.83）較優(yōu)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(qū)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(tǒng)（合肥工況，但傳動系參數沒有優(yōu)化）的情況下，節(jié)油0.16 L，節(jié)油效果并不理想，而傳動系參數優(yōu)化后，節(jié)油1.46 L，節(jié)油效果比較理想。

5 結論

啟停系統(tǒng)裝置能減少發(fā)動機的怠速空轉，具有明顯的節(jié)能減排功效，但由于節(jié)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(yōu)化的傳動系數能有效降低燃油消耗，對汽車的節(jié)油效果非常理想。