降低油耗的整車參數優化研究

朱琳，王師，吳健瑜，葉浪

(廣州汽車集團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越來越關注的問題，要達到2020年的燃油消耗量目標值，各企業都面臨巨大的壓力，降低油耗是很多企業遇到的難題。所以在汽車設計的最開始階段，就需要對汽車的油耗進行分析，如果油耗不能達到滿足目標要求，需要提出降低油耗的方案[1]。

降低油耗一直是汽車技術領域研究的重點，目前國內外學者提出的降低油耗的方法主要有以下幾種：(1)優化主減速比；(2)優化變速箱各擋速比；(3)提高變速箱效率；(4)改善發動機萬有特性等。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動機的制造水平才能實現，在汽車設計中真正實施相對困難。

本文作者從汽車設計的各個參數入手，建立了整車油耗分析的參數化仿真模型，分析各設計參數對整車油耗影響的靈敏度，并考慮可實現性，提出各參數的優化方案，達到降低油耗的目的。

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化模塊：(1)發動機模塊；(2)傳動系模塊；(3)整車模塊；(4)駕駛員模塊；(5)輪胎模塊。

各模塊的數學模型如下：

(1)發動機模塊

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)

上述數學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)根據車輛的行駛車速、加速度、路面坡度、輪胎摩擦因數和車重力，得到整車阻力；

(2)已知整車阻力，根據輪胎模塊數學模型得到輪邊需求驅動扭矩；

(3)根據輪邊所需的驅動扭矩，經過傳動系模塊求解出發動機需求扭矩，通過駕駛員模塊得到油門踏板開度，同時，根據車速和傳動系模塊求出發動機轉速，油門開度和發動機轉速經過發動機模塊得到發動機實際輸出扭矩，確定發動機工作點后，得到油耗率；

(4)已知循環工況下每一時刻的發動機工作點及油耗率，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參數有：發動機萬有特性，發動機各轉速下油門開度和扭矩的關系，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，整車風阻系數，迎風面積，以及循環工況識別參數[2]等。將以上參數輸入到仿真模型中求解就得到了循環工況機械功的百公里油耗。整車百公里油耗分為兩部分：一部分是機械功產生的油耗，另一部分是電功產生的油耗。由于整車在實際行駛時，還有電器附件，如發電機、風扇等在進行工作，所以在油耗計算中需要考慮電功產生的油耗。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去，直接計算百公里油耗。不同循環工況發動機工作點不同，得到的百公里油耗也不同。在我國，按照法規標準，目前采用的是NEDC循環工況。該工況分為市區工況和市郊工況兩部分，市區工況時間為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參數進行優化[4]可以找到降油耗的方案。從整車的零部件參數優化方面，主要有以下幾種方案：(1)降低發動機燃油消耗率；(2)提高傳動系效率；(3)優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；(6)降低風阻系數及迎風面積[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種方案進行一一實驗。

2 整車參數對油耗的靈敏度

通過試驗設計的方式以及單一變量法的方法，作者對6種方案分別進行計算，得到相應優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果

發動機不同轉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；輪胎滾阻系數從0.009 5降低到0.007 5，油耗降低0.15 L/100 km；風阻系數降低0.01，油耗降低0.05 L/100 km；質量減少100 kg，油耗降低0.2 L/100 km。以上是對整車零部件參數優化的降油耗結果。

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，電控系統不斷發展，整車控制策略對油耗也產生重要影響。降低油耗的軟件控制策略優化方向如下：(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)發動機啟停控制策略；(4)發電機智能發電策略；(5)發動機斷油策略；(6)單電機混動構型的混動控制策略。以上控制策略設置不同的參數對油耗的影響也不同，所以控制策略的參數優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用，液力變矩器鎖止策略對整車的燃油經濟性產生了重要影響，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]，達到降低油耗的目的。所以液力變矩器可以鎖止的最低轉速是一個優化參數，液力變矩器可以鎖止的最低轉速越低，車輛在運行時，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優化對油耗的影響。在模型控制策略中，設置液力變矩器鎖止轉速分別為1 200、1 800和2 400 r/min進行對比，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，發動機的工作點會發生變化；相同車速下，由于擋位不同發動機會工作在不同的轉速和扭矩下，發動機工作點的燃油消耗率也不同。如何選擇最優的擋位，制定最優的換擋策略[7]，也是不斷被研究的課題。換擋策略優化的目標函數和約束條件如下：

(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)

換擋策略優化的流程如圖4所示。

圖4 換擋策略優化流程

圖5是某車型優化前和優化后的換擋圖。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化對油耗的貢獻。除此之外，發動機的控制對油耗的影響也十分關鍵，發動機控制單元是控制噴油量的部件，因此對發動機及其附件的控制系統及策略優化也在不斷發展。其中發動機啟停系統的降油耗效果顯著。

3.3 發動機啟停控制策略

降低油耗的關鍵點是減少發動機工作的時間。在實際道路和法規工況中，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下，并不需要消耗功率，此時可以通過發動機停機的方式減少燃油消耗。影響發動機怠速啟停的主要因素有啟停開關、蓄電池電量、電池SOC傳感器精度、車速、加速度、空調開關、發動機水溫、方向盤轉角等，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行優化。對于NEDC工況，如果水溫大于80 ℃才進入啟停，和水溫大于60 ℃就進入啟停，進入停機狀態的時間不同，前者停機時間為110 s，后者停機時間為206 s，對比啟停控制策略對降低油耗的貢獻，見表5。

圖6 發動機啟停控制策略

表5 不同啟停控制策略的油耗影響對比

當然啟停控制策略的節油效果與發動機怠速油耗關系較大，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省了怠速停車工況的油耗，對于減速狀態，可以優化斷油控制策略，減少減速段油耗。控制減速斷油的相關信號有加速踏板、車速、加速度、發動機轉速等，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速和恢復供油轉速。

圖7 發動機斷油控制策略

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行優化，也能起到降低油耗的作用。開始斷油轉速由發動機轉速低于1 400 r/min開始斷油調整到發動機轉速低于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，具體結果見表6。

表6 不同斷油轉速的油耗對比

3.5 智能發電控制策略

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

智能發電系統主要包含電池SOC傳感器和智能發電機兩個硬件。智能發電控制策略通過分析蓄電池SOC、整車用電系統總負載、發動機工作點等因素來控制發電機電壓，以達到智能發電的目的。

影響智能發電策略的信號主要包含蓄電池電量、蓄電池最優電量、發動機工作點燃效、發動機轉速和扭矩、電池SOC傳感器精度，主要控制邏輯如圖8所示。

智能發電和非智能發電系統發電機發電電壓對比如圖9所示，油耗對比結果如表7所示。

表7 智能發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等電氣化技術的發展，汽車由傳統燃油車向混動化方向發展。混動化能優化發動機工作點，使發動機向燃效高的工作點轉移，從而達到降油耗的目的[8]。混動系統主要由以下幾種功能組成：

(1)自動啟停。車輛靜止狀態下，發動機處于停機狀態，等車輛開始行駛，發動機再自行啟動。

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

(3)動力輔助。在加速階段，電機可以輔助動力，優化發動機工作點，防止發動機工作在高負荷低燃效區。

(4)純電動。車輛勻速行駛時，當電池電量充足且需求功率較小時，發動機停機，車輛完全由電機驅動。

(5)滑行。松油門減速時，發動機停機，不同于傳統車輛滑行時發動機仍然需要噴油來維持發動機的運轉，減少不必要的能量浪費。

(6)其中制動能量回收電機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化前后電制動扭矩對油耗影響。優化前是中等強度制動能量回收，優化后是在優化前基礎上增加10 N·m電制動扭矩。油耗差異結果見表8。

表8 制動能量回收策略的油耗對比

4 結束語

節能減排是全球一直在呼吁的問題，也是各車企一直關注的問題。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。通過試驗和仿真計算得到了和油耗相關各因素的靈敏度，給出了整車設計參數和控制參數優化對油耗的影響，為企業降油耗提供一點借鑒。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。