基于启停系统的客车动力参数优化

杜勇 马洪龙

（1.合肥工业大学交通运输工程学院；2.歌尔声学股份有限公司）

为了保护生态环境与节省能源，生产更加节能和低排放的汽车越来越成为世界各大汽车生产厂的首要任务，汽车中的启停系统应运而生。目前我国还没有完善的代表性工况，现有的国标都是在欧洲工况的基础上修改后颁布实施的[1]。因为我国城市结构（如一、二、三线城市）特殊，导致工况也有很大的不同，而只有合适的工况才能得到最优的动力系统匹配。据中国统计年鉴提供的数据，我国机动车保有量由2010年的1.9 亿辆增长到2012年的2.23 亿辆。由于我国汽车数量非常庞大，如果能够有合适的动力匹配，同时安装怠速启停系统，那么节约的燃油将非常可观，对环境也会有很好的保护[2]。文章以合肥市道路行驶工况作为代表性工况，提出基于启停系统的动力参数优化匹配设计。

1 整车参数及建立模型

1.1 基本参数

文章以某大型客车为例，其基本参数，如表1所示。

表1 整车基本参数

1.2 Cruise建立整车模型

在Cruise 软件中搭建了试验车的整车模型，用以仿真分析汽车的动力性和燃油经济性。根据搜集的汽车实际参数，从模块列表中选择合适的模块，并根据汽车布置形式建立整车模型，分别建立汽车、发动机、变速器、主减速器、离合器、差速器、电池、怠速启停系统、车轮及整车外形尺寸等相关参数模型，并组合各个模块，完成整车仿真模型的建立，如图1所示。

1.3 Isight集成Cruise

Isight 软件进行集成优化时，需要在Simcode 模块中加载输入文件，并定义设计变量，从加载的输出文件中定义目标函数，随后编写接口文件，并对构建的模型进行可行性检验，在没有错误的情况下，运行模型，调用软件计算。Isight 软件主要提供了多种优化算法，如数值优化、全局优化、多目标优化算法及Point 智慧优化专家。每种算法都有各自的适用范围，因此，需要针对不同的问题选择不同的优化算法，进而取得稳健、全局及可靠的优化设计方案[3]。

用Isight 集成Cruise 的过程中，需要用Calculation和Simcode 模块来处理各参数间的关系。Simcode 模块是集成仿真程序的方法，通过解析输入文件和输出文件更新输入参数和读取仿真结果，同时还可以通过命令执行仿真程序；Calculation 模块是应用模块之一，可通过它将模拟代码结合在一起，使其能够以相同的方式被重复使用，通过该模块，可以产生新的参数帮助计算。

Simcode 模块需要加载输入文件（Man_RWD.dbf）、执行文件（Cruise.bat）和输出文件（result.log）；在 Calculator 模块中设置各挡的速比。Isight 集成模型，如图2所示。

2 怠速启停系统的结构与工作原理和优化算法

2.1 怠速启停系统的结构与工作原理

汽车怠速启停系统的结构，如图3所示。

汽车怠速启停系统的工作原理是汽车在等待信号灯或堵车时，发动机处于怠速状态，这时发动机将关闭；当驾驶员重新起动汽车时，只需松开制动踏板或踩下离合器踏板，可以自动启动发动机[4]。

2.2 Pointer全能优化器

Pointer 全能优化器只需在优化某问题之前对优化器进行相似问题求解训练，当优化器了解该问题的求解经验后，便能组合使用4 种优化算法快速优化这一类设计问题，得到高效的优化结果。

Pointer Optimizer 可以控制4 种优化算法的组合:

1）线性问题:线性单纯形法Linear Simplex 可高效解决线性问题；

2）光滑连续问题:序列二次规划的Schittowski 版本（NLPQL），具有非常好的收敛性和数值稳定性；

3）非光滑连续问题:Nelder-Mead 下降单纯形法，具有非常好的效率；

4）全局、非连续及函数特征复杂的问题:遗传算法（Professor Schwefel，Dr.Mathias Hadenfeld） 具有很好的全局性和普适性，但是计算时间长。

3 目标函数和约束的设定

3.1 设计变量的设定

设计中，可以从对设计性能指标有影响的基本参数中选取一组来体现某个优化设计方案。有些基本参数可以根据安装、工艺和使用要求预先给定，成为已知量。而另一些需要在设计过程中进行选择，这些基本参数称为设计变量。

选择设计变量一般遵循3 个规则:1）选取与目标函数有直接或间接关系的，且对目标函数有比较大影响的变量作为设计变量；2）设计变量应是相互独立的，否则优化结果将不符合实际；3）尽量选取有实际意义的无因次量（没有单位的物理量）作为设计变量[5]。

3.2 动力性目标函数

汽车动力参数优化的目的是保证在满足汽车动力性要求的前提下，使汽车在常用工况下的燃油经济性达到最佳。文章采用最大爬坡度作为动力性目标函数，表达式为:

式中:G——汽车总重力，N；

α——汽车爬坡角，（°）；

Ttq——发动机最大转矩，N·m；

ig——变速器加速挡传动比；

io——主减速器传动比；

ηT——传动系统传动效率，%；

r——轮胎静力半径，m；

Ff——滚动阻力，N；

f——滚动阻力系数；

Fw——空气阻力，N；

CD——风阻系数；

A——横截面面积，m2；

ua——车速，km/h；

Ft——汽车牵引力，N。

3.3 经济性目标函数的建立

在保证动力性的条件下，汽车以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力，称作汽车的燃油经济性。汽车燃油经济性常用一定工况下，汽车行驶100 km 的燃油消耗量或一定燃油消耗量能使汽车行驶的里程来衡量。文章以合肥市行驶工况作为动力系统优化的标准工况，以100 km 油耗（Q）作为整车的经济性目标函数，表达式为:

式中:ΣQ——合肥市行驶工况下油耗量之和，L/km；

S——整个循环的行驶距离，km。

3.4 综合目标函数

因为爬坡度越大，对动力性而言就越好，但油耗越大，其为正向指标。但经济性要求油耗越低越好，其为逆向指标。将最大爬坡度取倒数（1/α），转化为逆向指标，建立了最大爬坡度和100 km 油耗的多目标优化，表达式为:

式中:x——变速器与主减速器参数向量；

f（x）——目标函数。

3.5 速比的约束

对于汽车的燃油经济性来说，随着挡位数的增加，发动机在燃油消耗率低的区域工作几率增加，燃油消耗降低；对于汽车的动力性而言，随着变速器挡位数的增加，发动机发挥高功率的机会也随之增加，对提高汽车的加速与爬坡能力更加有利[6]。经分析可知，主减速器速比和变速器速比对汽车燃油经济性和动力性有很大影响，文章将其作为设计变量。

在Calculator 模块中对各挡速比关系进行设置，通常情况下，为了换挡方便且充分利用发动机的功率，各挡关系是按照等比级数分配的。但汽车在实际行驶过程中，因各挡利用率不同，所以各挡传动比比值并不相等[7]。汽车很多时候在高挡行驶，因此必须对等比分配方案进行调整，相邻两挡的传动比随挡位升高而降低，且低挡传动比的比值不宜过大，否则容易造成换挡困难。

综上，文章确定的速比约束条件如下：

4 优化结果及分析

文章选用Isight 中的Pointer 优化算法，Pointer 能在优化的不同阶段自动选择某个优化算法，自动设置优化算法的内部参数（步长及迭代次数等），提高了优化效率。优化前后传动系参数的对照，如表2所示，动力性和经济性的比较，如表3所示。Isight 寻优里程，如图4所示。

表2 优化前后的传动系速比

表3 整车性能优化对比表

从表3可得出:

1）从燃油经济性和动力性来看，将传动系作为设计变量进行优化非常有效，其对整车动力性和经济性影响非常明显。

2）汽车的最高车速有所降低，这主要是由于优化后的最小传动比（0.83）较优化前（0.81）大，最高车速为105.37 km/h，较原来降低了6%，但在市区或高速情况下也能满足行驶要求。

3）由表3可知，官方油耗与实际油耗有一定的差距，这正是因为工况不同造成的，中国城市结构复杂，与欧洲工况差别较大（现有国标是在欧洲工况的基础上修改得到的）。在只有怠速启停系统（合肥工况，但传动系参数没有优化）的情况下，节油0.16 L，节油效果并不理想，而传动系参数优化后，节油1.46 L，节油效果比较理想。

5 结论

启停系统装置能减少发动机的怠速空转，具有明显的节能减排功效，但由于节能效果并非最佳，因此文章主要通过对客车模型仿真建模，以合肥市典型行驶工况的试验研究，对耦合计算变速器进行相应的匹配，并加入怠速启停模块，通过对比试验分析数据得出，优化的传动系数能有效降低燃油消耗，对汽车的节油效果非常理想。