基于模型的整车标定研究

张鹏飞，卢 放，杨雪峰，王 凯

（一汽轿车股份有限公司产品部，吉林 长春 130012）

针对日益严峻的能源和环保挑战，中国自2005年起实施乘用车企业平均燃料消耗量法规（Corporate Average Fuel Consumption，CAFC） ，中国 CAFC 法规共经历了4个阶段。其中第4阶段由GB 27999—2014《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》规定：2020年生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0 L / 100 km［1］。

随着中国对汽车节能减排要求的不断提高和用户对汽车舒适性、驾驶性要求的不断增加，发动机电子控制技术变得越来越复杂［2］。为满足排放法规、油耗法规、整车驾驶性、OBD等各方面的要求，标定参数已达到几千个，而且一直在增长［3］。标定工作量也随着标定参数成指数倍增长，使用传统标定方法已经无法满足现代汽车投放市场的速度要求，基于模型的标定方法可以缩短开发周期，势必成为未来整车标定的趋势。

1 模型搭建

1.1 整车动力学模型

如何将发动机控制系统与整车模型相结合是基于模型的标定方法的关键所在。基于扭矩的控制策略是目前发动机控制单元的主流控制策略，为了保证整车动力学模型与发动机控制模型的无缝衔接，整车动力学模型也需要采用基于扭矩的整车动力学模型。

图1为典型的基于扭矩的整车动力学模型基本框图。其中着色部分为发动机控制单元内部扭矩计算模型［4］。

图1 基于扭矩的车辆动力学模型框图

根据工程应用的实际需求以及汽车行驶方程式，可以使用公式（1）计算发动机飞轮端扭矩输出。

式中：Tout——发动机飞轮端扭矩；Fv——滑行阻力方程，即车速与滑行阻力的函数关系；m——整车装备质量；ig——变速器各挡速比；io——主减速器速比；nT——传动效率；r——车轮滚动半径；δ——旋转质量换算系数；a——车辆加速度［5］。

根据此公式可以在预设车速和加速度的前提下，计算出发动机飞轮端的扭矩需求值。

1.2 发动机扭矩模型

在工程应用过程中，由于发动机万有特性数据是在充分热机后测量所得，不包含起动和暖机等过程的数据，同时发动机万有特性数据测量时无法满足发动机所有附件正常工作的条件等原因，所以发动机万有特性数据无法直接用于精确计算车辆的动力性和经济性。经过研究发现，这些由温度带来的偏差以及附件的扭矩损失通常都可以与发动机转速建立函数关系。可以用公式（2）建立发动机万有特性数据与发动机飞轮端扭矩的关系。

式中：Teng——发动机扭矩及万有特性中的扭矩；Ti——发动机损失扭矩，通常包括发电机、空调压缩机、助力转向等附件损失和低温情况下的摩擦和泵气损失［6］。

通过整车动力学模型计算出发动机飞轮端的扭矩，再通过公式（2）计算出发动机当前运行的扭矩值。结合速度模型计算出发动机的转速值。通过转速和扭矩即可确定发动机的运行工况。

1.3 驾驶员需求扭矩模型

驾驶员需求扭矩模型是将驾驶员踩踏油门踏板的角度值以传感器电信号的形式，通过控制模型转化为驾驶员对车辆加速的扭矩需求，它满足公式（3）。

式中：Tdr——驾驶员需求扭矩；Tmax——发动机可以发出的最大扭矩；Tmin——维持发动机运转的最小扭矩值；Fp——扭矩输出系数，即油门踏板开度对应的扭矩百分比，该值一般是由几个三维MAP通过标定的方式确定。

1.4 油耗计算模型

油耗计算模型是将汽车在某一特定驾驶循环中，发动机相应的运行工况所产生的燃油消耗量求和之后，再折算成每百公里油耗量。发动机起动模型、发动机暖机模型、催化剂加热模型、发动机怠速模型、部分负荷模型、减速断油模型、恢复供油模型、停机模型等一系列模型的油耗输出精度都对油耗计算结果产生影响。以部分负荷工况为例，其油耗模型可以简化为公式（4）。

式中：FC——部分负荷的燃油消耗量；n——发动机转速；fx——发动机工况和油耗的对应关系，通常情况使用计算或查表的方法获取相应的油耗值，如部分负荷油耗采用三维数值查表所得，如图2所示。

图2 燃油消耗量与运行工况的关系

2 模型计算输出

2.1 整车使用工况输出

完成建模后，合适的边界选择是模型能够精确计算的前提条件。完成边界条件设定后，可以根据模型，计算出该车辆发动机的常用工况。图3为某车型在NEDC循环工况下发动机的使用工况，由图3可知，发动机基本运行在700～2 300 r/min之间［7］。该数据用于后续驾驶性验证和评价的关键区间。

图3 发动机常用工况计算

2.2 踏板MAP基础数据计算

2.2.1 驾驶习惯数据收集

为了使车辆动力性主观感受表现良好，同时使发动机运行在经济区内，需要把握大多数驾驶员的驾驶习惯数据。经过对400人次驾驶习惯数据采集，得到油门踏板位置使用频率数据，如图4所示。分析数据可知，在该测试车型上所有客户使用踏板的习惯基本落在10%～30%之间，大部分男性客户首次踩踏油门的开度在28%附近，部分女性客户首次踩踏油门开度在15%附近。

图4 油门踏板位置使用频率数据

2.2.2 踏板MAP基础数据预置

使用基于扭矩的整车动力学模型，通过给定驾驶工况信息，可以计算得到驱动车辆最小的发动机扭矩以及扭矩输出系数，图5为NEDC循环下各工况点对应的扭矩输出系数，再结合驾驶习惯数据和整车加速性工程目标，即可完成踏板MAP基础数据的计算工作。

图5 扭矩输出系数计算结果

2.3 油耗计算结果

在不同的驾驶循环下，根据整车动力性和经济性的要求，选择不同的自动变速器换挡点，结合辅助计算模型，可以计算得到燃油消耗量曲线，图6为NEDC循环中最佳燃油消耗量曲线。

图6 最佳燃油消耗量曲线

3 实车标定验证

3.1 实车验证的必要性

由于目前采用的整车扭矩模型均为开环模型，模型的精度与实车的闭环控制有一定差距，而且采用的发动机万有特性数据全部为稳态数据，瞬态实时响应能力不及实车。所以目前基于模型的标定方法还无法直接替代实车标定，但已经在很大程度上缩短了开发周期。

在整车标定开始前，先将计算得到的标定数据集成到整车基础数据中，再进行实车标定验证。实车标定验证需要综合考虑车辆加速性能、排放、驾驶性、NVH、零部件保护等基础性能。

3.2 踏板MAP验证

踏板MAP作为表征驾驶员加速意图的主要指标，对于车辆动力性表现的影响至关重要。踏板MAP验证时，需要在满足整车加速度工程目标的前提下，兼顾转速稳定特性、车速稳定特性、加速线性特性、滑行特性、NVH特性等整车其他性能。根据具体需求对标定数据进行调整，经过标定数据修正、客观数据测试、主观评价等环节，实现数据发放确认工作。表1为主观评价结果统计。

表1 踏板MAP主观评价结果统计

通过采用基于模型的标定方法，使原来6～8个月的动力性、经济性开发周期缩短为现在的3～4个月，开发周期压缩至少3个月以上，为项目开发赢得了宝贵的时间。

3.3 油耗排放验证

完成踏板MAP和换挡MAP标定验证后，即整车动力性数据冻结。接下来需要完成排放、驾驶性和油耗相关工作，由于三者之间有着密切的联系，在验证过程中让三者都达成工程目标绝非易事。表2为某车型排放和油耗验证结果，分析数据可知，排放污染物水平均满足一次实验通过认证的要求，同时油耗实验结果与模型计算结果非常接近且两者误差在3%以内。油耗计算的误差较以往采用普通模型项目的10%以上下降到5%以内。

表2 排放油耗验证结果

4 结论

通过建立与发动机控制模型相匹配的整车动力学模型，设置用户参数及合理的边界条件，计算出基础标定数据。经过实车验证确认，采用基于模型的标定方法，实现缩短开发周期至少3个月，实现燃油消耗计算误差在5%以内。

［1］ GB 27999—2014，乘用车燃料消耗评价方法及指标［S］.［2］ 于镒隆．发动机管理系统开发的测试技术与平台研究［D］．天津：天津大学，2008．

［3］ Ullmann S，Reuss H C，Zell A. Calibration System Prototype for Increasing the Level of Automation in Stationary Engine Testing and Calibration［J］．British Medical Journal，2005，1（4080）：559-560.

［4］ Bernhard Mencher， Holger Jessen， Lilian Kaiser，etc.. Preparing for CARTRONIC-Interface and New Strategies for Torque Coordination and Conversion in a Spark Ignition Engine-Management System［C］．SAE Paper，2001-01-0268．

［5］ 余志生．汽车理论（第四版）［M］．北京：机械工业出版社，2006．

［6］ Machiko Katsumata，Yukio Kuroda，Akira Ohata.Development of an Engine Torque Estimation Model:Integration of Physical and Statistical Combustion Model［J］．Bibliogr，2007，164 （6）：80-82．

［7］ GB 18352.5—2013，轻型汽车污染物排放限值及测量方法［S］．