整車動力經(jīng)濟性開發(fā)概述

林祥輝 楊志剛 張路

摘 要：本文闡述了PE的基本概念，以一個全流程開發(fā)的產(chǎn)品為例說明了PE開發(fā)的基本流程;闡述了性能目標(biāo)的幾個層級以及設(shè)定的方法;分析了影響經(jīng)濟性的各類因素，并挑選了幾個重要點，闡述了經(jīng)濟性提升優(yōu)化的基本方法。

關(guān)鍵詞：PE 目標(biāo)設(shè)定 經(jīng)濟性優(yōu)化

Abstract：This paper expounds the basic concept of PE， and takes a product developed in the whole process as an example to illustrate the basic process of PE development; expounds several levels and setting methods of performance goals; Several important points are selected， and the basic methods of economic improvement optimization are described.

Key words：PE Goal setting Economic optimization

1 引言

汽車動力性（PE：Power and Economic）是在良好、平直的路面上行駛時所能達(dá)到的平均行駛速度;燃油（電耗）經(jīng)濟性是在保證動力性的條件下，汽車以盡量少的燃油（電能）消耗量經(jīng)濟行駛的能力。

整車PE性能與客戶的駕駛感受及日后行駛費用，有著直接的關(guān)聯(lián)。駕駛感受差，可能導(dǎo)致購買的直接拒絕;經(jīng)濟性差可能導(dǎo)致持續(xù)的競爭力削弱，特別是對商用車，經(jīng)濟性將會直接影響客戶的盈利能力。開發(fā)整車時需重點考慮此項性能指標(biāo)，特別是對商用車。整車PE性能，雖表面上顯示的是整車指標(biāo)，但與子系統(tǒng)、零部件緊密相連，需要能夠?qū)⒄囍笜?biāo)與子系統(tǒng)指標(biāo)相關(guān)聯(lián)的去設(shè)定、去完成開發(fā)。

2 開發(fā)流程

PE開發(fā)的內(nèi)容主要包含動力鏈選型、性能指標(biāo)設(shè)定與分析、虛擬及實物驗證、問題整改與優(yōu)化、公告支持、駕駛性工作支持、子系統(tǒng)方案的驗收檢查、閥點交付物等等;各項工作對應(yīng)到整車開發(fā)流程中，如下圖1所示。當(dāng)然，項目開發(fā)過程中，PE的工作還會有比如競爭力分析、亮點分析、實驗策劃、VOC解讀（Voice of customer）等，需結(jié)合不同的項目需求進行安排。

3 性能指標(biāo)

在開發(fā)過程中，動力性與經(jīng)濟性這兩個面是一個即矛盾對立又緊密聯(lián)系的整體。為了兼顧動力性和經(jīng)濟性，必須制定出相對平衡的指標(biāo);而動力性與駕駛感受強關(guān)聯(lián)，經(jīng)濟性又與客戶使用費用強關(guān)聯(lián)，因此動力性和經(jīng)濟性指標(biāo)的確定是新車型開發(fā)的重中之重，甚至是作為關(guān)鍵指標(biāo)進行把控。

3.1 關(guān)鍵指標(biāo)

由上所述，整車PE性能重要度很高，一般在在項目初期，會設(shè)定幾個關(guān)于PE的指標(biāo)作為項目開發(fā)的關(guān)鍵指標(biāo)，如百公里油耗/電耗，百公里加速時間，PE的關(guān)鍵性能指標(biāo)一般設(shè)定不超過三個。

3.2 VTS指標(biāo)

VTS指標(biāo)是整車級別的性能指標(biāo)，對于PE性能，VTS指標(biāo)一般包含如下條目：

◆動力性的評價指標(biāo)有：

● 整車滑行距離（空/半/滿載）;

● 行駛阻力（空/半/滿載）;

● 穩(wěn)定車速：

★ 最低檔最低穩(wěn)定車速 （km/h）;

★ 最高檔最低穩(wěn)定車速 （km/h）;

★ 次高檔最低穩(wěn)定車速 （km/h）;

★ D擋蠕動車速（km/h）;

● 加速性能（滿載）：

★ 0～100km/h加速時間（s）;

★ 最高檔80～120km/h超車加速時間（s）;

★ 次高檔60～100km/h超車加速時間（s）;

● 最高車速（滿載）：

★ 次高擋最高車速（km/h）;

★ 最高擋最高車速（km/h）;

★ D 檔最高車速（km/h）;

● 爬坡性能（滿載）：

★ 最高檔最大爬坡度（%）;

★ 最低檔最大爬坡度（%）;

★ 二檔最大爬坡度（%）;

★ 發(fā)動機（1000rpm）起步爬坡性能（%）;

◆經(jīng)濟性評價指標(biāo)有：

● 循環(huán)工況（L/100km）：

★ WLTC/CLTC;

★ 企業(yè)自定義綜合工況。

如上的動力經(jīng)濟性指標(biāo)，項目隨開發(fā)產(chǎn)品的不同而不同。如開發(fā)面包車產(chǎn)品，此類產(chǎn)品主要運行在中低速，那么超越加速項目可以設(shè)定為30-60km/h加速時間、或40-80 km/h加速時間，最高車速可以設(shè)定為不低于100km/h;對于房車，主要運行工況是高速路，可以將超越加速和最高車速的要求往搞了提;同時要考慮車輛的拖拽能力。另外，動力類型不一樣，指標(biāo)項目也不一樣。

3.3 SSTS指標(biāo)

SSTS指標(biāo)是系統(tǒng)級別的性能指標(biāo)，是承接VTS指標(biāo)的分解指標(biāo)。

◆整車指標(biāo)：

● 整備質(zhì)量;

● 迎風(fēng)面積;

● 風(fēng)阻系數(shù);

◆電器類指標(biāo)：

● 壓縮機功率;

● PTC功率;

● 燈具功率;

● 娛樂系統(tǒng)功率;

● 靜態(tài)電流;

◆風(fēng)阻類指標(biāo)：

● 進氣口開度占比;

● 后視鏡正向面積;

● 前風(fēng)檔與水平線角度;

● 車尾玻璃與水平線角度;

● 氣壩配置;

● 尾翼配置;

● 底盤平整板;

● 其它風(fēng)阻套件;

◆底盤指標(biāo)：

● 輪胎型號;

● 滾阻系數(shù);

● 制動拖滯力;

● 傳動效率;

…

SSTS的分解直接表顯的是PE專業(yè)開發(fā)的思路及其管理的深度，需要結(jié)合不同的車型及企業(yè)的研發(fā)能力。

關(guān)鍵性能指標(biāo)的設(shè)定，一般在項目預(yù)研階段進行，項目立項后設(shè)定VTS和SSTS指標(biāo)，在技術(shù)方案確定前凍結(jié)性能指標(biāo)。對于性能指標(biāo)凍結(jié)后，若需要再變更指標(biāo)，首先需要分析變更理由，并提請不同級別項目領(lǐng)導(dǎo)簽批留存。

如上制定的都是客觀指標(biāo)，在引言中也描述到動力性與駕駛感受有直接關(guān)系。比如：加速能力、坡起、彈射起步等，這些與主觀的起步加速響應(yīng)、開車過程中的超車能力、在坡道上的起步能力，對于一些性能車甚至要求起步的彈射能力。

4 PE性能提升

動力經(jīng)濟性開發(fā)的內(nèi)容在開發(fā)流程章節(jié)已簡要描述，不同的車子對于動力性和經(jīng)濟性的需求片中不一樣，跑車、運動型車的性能偏向動力性;普通家用車輛、營運車輛對于經(jīng)濟性要求較高，而此類車型占比大，特別是營運車輛的經(jīng)濟性直接關(guān)系盈利能力。本節(jié)以經(jīng)濟性提升為例，說明經(jīng)濟性提升的思路。

4.1 影響因素

如下圖2所示，為傳統(tǒng)燃油車對于經(jīng)濟性的影響因素，而對于新能源車還有能量回收（制動回收、滑行回收、單踏板）的控制策略影響。

4.2 空氣阻力

空氣阻力分為壓力阻力和摩擦阻力。壓力阻力是作用在汽車外形表面上的法向壓力的合力在行駛方向的分力;主要由形狀、干擾、循環(huán)和誘導(dǎo)阻力組成。摩擦阻力是空氣的粘性在車身表面產(chǎn)生的切向力的合力在行駛方向的分力[1]。

形狀阻力主要與汽車的形狀有關(guān)（長、寬、高及其比例），約占58%;干擾阻力主要由汽車突出部件引起，如后視鏡、門把手、導(dǎo)水槽、驅(qū)動軸、懸架導(dǎo)向桿等，約占14%;內(nèi)阻是氣流流道汽車內(nèi)部的阻力，占12%;誘導(dǎo)阻力是空氣升力在水平方向的分力，占7%;摩擦阻力占9%。開發(fā)過程中需按需分配控制指標(biāo)。

如下圖3、圖4所示，沃爾沃卡車從車頭到車尾，整車流線設(shè)計結(jié)合風(fēng)阻套件應(yīng)用，做到整車風(fēng)阻優(yōu)化30%。

4.3 動力鏈優(yōu)選

動力鏈由發(fā)動機/驅(qū)動電機、變速器、主減、車輪組成。首先，從效率的角度，優(yōu)選效率高的部件;其次，結(jié)合所開發(fā)產(chǎn)品的主要運行工況，去匹配整車動力鏈，讓運行工況主要落在動力總成的經(jīng)濟效率區(qū)，同時還要滿足動力性的要求。此處可以通過Cruise的矩陣式計算一次性完成[2]。

4.4 車輪的選取

對于車輪的選取分為兩大塊：一是輪轂，開發(fā)不容易導(dǎo)致再旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的氣阻;二是輪胎，選取低滾阻、窄胎面、小高寬比、淺花紋輪胎。另外，輪胎的氣壓對于經(jīng)濟影響也是很明顯的，一般10個psi對應(yīng)1%油耗。對于胎面的寬窄，影響面大在于重卡行業(yè)，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了單寬胎代替雙胎的車型（圖5所示），總體滾阻可以下降30%。

4.5 輕量化

整車的總重與油耗成正比，總重每下降5～10%，整車油耗將下降1-2%（不同車型靈敏度不一樣）。因此，在進行整車設(shè)計時應(yīng)努力降低車輛自重，當(dāng)然，降低車輛自重不能以犧牲整車結(jié)構(gòu)強度、剛度為代價。可以通過新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)、CAE參數(shù)化設(shè)計等對零部件進行優(yōu)化設(shè)計來充分利用材料的強度，提高結(jié)構(gòu)的剛度，來降低車輛自重。

4.6 新技術(shù)應(yīng)用

經(jīng)濟性的提升在新技術(shù)這一塊的應(yīng)用，常規(guī)有：

主動進氣格柵：既可以減小內(nèi)風(fēng)阻大小，又可以提升熱效率[3，4];

主動尾翼：可以動態(tài)提升車尾擾流;

能量管理：在眾多文獻(xiàn)中，所提到的能量管理，大多是新能源車的能量回收的開發(fā)與應(yīng)用，這類闡述算是俠義的能量管理[5，6]。廣義的能量管理，應(yīng)該是從源頭出發(fā)，即燃料消耗的能量是如何在整車范圍內(nèi)進行耗散的，這里面包含汽車?yán)碚撝械乃龅臐L阻、風(fēng)阻、坡道阻力、加速阻力耗散的能量;同時包含空調(diào)、娛樂系統(tǒng)、燈光等的電器類能量消耗;還包含電器類、動力類等因熱能/機械能對外耗散的能量;當(dāng)然也包含新能源汽車的能量回收管理這一部分。

■第一步：研究清楚整車能量流分布，包含機械能損耗、電器損耗、風(fēng)阻損耗、熱能損耗;

■第二部：從控制策略的角度，優(yōu)化能量回收策略，其中包含制動回收、滑行回收、單踏板模式、動力系統(tǒng)熱能回收。

智慧交通：提前規(guī)劃行駛路線，擇優(yōu)選取經(jīng)濟性線路[7];

車隊管理：監(jiān)控車輛運行狀態(tài)，做出適時調(diào)整。

5 車型與性能開發(fā)

對于不同的車型，車輛運行的速度區(qū)間也是有差異的，比如家轎中的微型車或微面車型，主要運行區(qū)域是市區(qū)與市郊，運行的車速主要集中在30-60km/h之間;對于旅游大巴或重卡車型，主要運行區(qū)域是高速路，主要的車速運行區(qū)間是80-100km/h;而對于中卡車型，主要運行區(qū)域是市郊或城際，對應(yīng)的主要車速范圍是60-100之間。

由此看來，對于不同的車型，客戶的運行工況是有差異的，我們需要制定不同的性能指標(biāo)，不同的動力匹配要求，以及不同的優(yōu)化方向。

6 總結(jié)

本文從動力經(jīng)濟性的重要性出發(fā)，闡述了動力經(jīng)濟性的開發(fā)基本流程，性能目標(biāo)設(shè)定的方法。以經(jīng)濟性優(yōu)化為例，勾畫了影響經(jīng)濟性的各種因素，并從風(fēng)阻、選型、車輪、輕量化等方面，闡述了經(jīng)濟性提升的基本方法。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李浩. 車用主動進氣格柵的標(biāo)定匹配[D]. 沈陽李工大學(xué)， 2019.

[4]嚴(yán)金霞. 主動近期格柵對汽車性能的影響[J]. 山東理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018年，第32卷第5期.

[5]臧懷泉等. 插電式混合動力汽車能量優(yōu)化管理策略研究[J]. 燕山大學(xué)學(xué)報，2020年，第44卷第4期.

[6]趙秀春等. 混合動力電動汽車能量管理策略研究綜述[J]. 自動化學(xué)報，2016年，第42卷第3期.

[7]孫和成. 互聯(lián)網(wǎng)地圖在汽車能量管理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 現(xiàn)代信息科技，2020.4.4.

作者簡介

林祥輝：（1985.12—），男，漢族，浙江溫州人，本科。就職于極氪汽車（寧波杭州灣新區(qū)）有限公司，車型硬件團隊負(fù)責(zé)人。主要研究車身內(nèi)外飾相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)。