降低油耗的整车参数优化研究

朱琳，王师，吴健瑜，叶浪

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434)

0 引言

降低汽车油耗是行业越来越关注的问题，要达到2020年的燃油消耗量目标值，各企业都面临巨大的压力，降低油耗是很多企业遇到的难题。所以在汽车设计的最开始阶段，就需要对汽车的油耗进行分析，如果油耗不能达到满足目标要求，需要提出降低油耗的方案[1]。

降低油耗一直是汽车技术领域研究的重点，目前国内外学者提出的降低油耗的方法主要有以下几种：(1)优化主减速比；(2)优化变速箱各挡速比；(3)提高变速箱效率；(4)改善发动机万有特性等。其中方法(1)和(2)降低的油耗量相对较少，方法(3)和(4)需要提高变速箱和发动机的制造水平才能实现，在汽车设计中真正实施相对困难。

本文作者从汽车设计的各个参数入手，建立了整车油耗分析的参数化仿真模型，分析各设计参数对整车油耗影响的灵敏度，并考虑可实现性，提出各参数的优化方案，达到降低油耗的目的。

1 整车仿真模型建立

整车仿真模型主要包含以下几个参数化模块：(1)发动机模块；(2)传动系模块；(3)整车模块；(4)驾驶员模块；(5)轮胎模块。

各模块的数学模型如下：

(1)发动机模块

Te=f1(n,a)

(1)

b=f2(n,Te)

(2)

(2)传动系模块

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)整车模块

F=Fr+Fi+Fj+Fw

(7)

Fw=CD·A·v2/21.15

(8)

(4)驾驶员模块

a=g1(Te,n)

(9)

(5)轮胎模块

Fr=mgf

(10)

Tw=Fr

(11)

上述数学模型中各变量的含义如表1所示。

表1 变量说明

整车仿真模型分析油耗的流程如图1所示。

(1)根据车辆的行驶车速、加速度、路面坡度、轮胎摩擦因数和车重力，得到整车阻力；

(2)已知整车阻力，根据轮胎模块数学模型得到轮边需求驱动扭矩；

(3)根据轮边所需的驱动扭矩，经过传动系模块求解出发动机需求扭矩，通过驾驶员模块得到油门踏板开度，同时，根据车速和传动系模块求出发动机转速，油门开度和发动机转速经过发动机模块得到发动机实际输出扭矩，确定发动机工作点后，得到油耗率；

(4)已知循环工况下每一时刻的发动机工作点及油耗率，通过积分求解，即可得到百公里油耗值。

图1 整车油耗仿真流程

根据上述原理在Cruise软件中建立整车仿真模型，如图2所示。通过仿真模型分析油耗所需的输入参数有：发动机万有特性，发动机各转速下油门开度和扭矩的关系，传动系效率，变速箱各挡位速比和主减速比，轮胎滚动半径，轮胎滚阻系数，整车风阻系数，迎风面积，以及循环工况识别参数[2]等。将以上参数输入到仿真模型中求解就得到了循环工况机械功的百公里油耗。整车百公里油耗分为两部分：一部分是机械功产生的油耗，另一部分是电功产生的油耗。由于整车在实际行驶时，还有电器附件，如发电机、风扇等在进行工作，所以在油耗计算中需要考虑电功产生的油耗。百公里油耗计算公式如下：

(12)

图2 Cruise整车仿真模型

也可以在Cruise的整车模型中添加电器元件将电器附件消耗的油耗考虑进去，直接计算百公里油耗。不同循环工况发动机工作点不同，得到的百公里油耗也不同。在我国，按照法规标准，目前采用的是NEDC循环工况。该工况分为市区工况和市郊工况两部分，市区工况时间为780 s，市郊工况时间为400 s。具体工况如图3所示[3]。

图3 NEDC工况

通过对仿真模型输入参数进行优化[4]可以找到降油耗的方案。从整车的零部件参数优化方面，主要有以下几种方案：(1)降低发动机燃油消耗率；(2)提高传动系效率；(3)优化变速箱各挡速比及主减速比；(4)增大轮胎滚动半径；(5)降低滚阻系数；(6)降低风阻系数及迎风面积[5]；(7)减重，都能对油耗有所改善。针对某款SUV车型建立仿真模型，在仿真模型中对上述6种方案进行一一实验。

2 整车参数对油耗的灵敏度

通过试验设计的方式以及单一变量法的方法，作者对6种方案分别进行计算，得到相应优化方案对油耗改善的灵敏度。具体灵敏度变化如表2所示。

表2 影响因素灵敏度分析结果

发动机不同转速和扭矩下的燃油消耗率降低0.05 kg/h，NEDC油耗减少0.15 L/100 km；传动系效率由90%提高到95%，油耗减少0.24 L/100 km；变速箱主减速比从4.35减少到3.94，油耗减少0.15 L/100 km；轮胎滚动半径增加10 mm，油耗减少0.07 L/100 km；轮胎滚阻系数从0.009 5降低到0.007 5，油耗降低0.15 L/100 km；风阻系数降低0.01，油耗降低0.05 L/100 km；质量减少100 kg，油耗降低0.2 L/100 km。以上是对整车零部件参数优化的降油耗结果。

3 控制策略对降低油耗的影响

但随着整车电气化程度不断提高，电控系统不断发展，整车控制策略对油耗也产生重要影响。降低油耗的软件控制策略优化方向如下：(1)自动变速箱液力变矩器锁止策略；(2)自动变速箱换挡策略；(3)发动机启停控制策略；(4)发电机智能发电策略；(5)发动机断油策略；(6)单电机混动构型的混动控制策略。以上控制策略设置不同的参数对油耗的影响也不同，所以控制策略的参数优化对降低整车油耗也有决定性的作用。

3.1 自动变速箱液力变矩器锁止策略

随着行星齿轮系自动变速箱的大量运用，液力变矩器锁止策略对整车的燃油经济性产生了重要影响，对于有液力变矩器的自动变速箱，液力变矩器锁止能够提高变速箱的效率[6]，达到降低油耗的目的。所以液力变矩器可以锁止的最低转速是一个优化参数，液力变矩器可以锁止的最低转速越低，车辆在运行时，降低油耗越多。以下是自动变速箱液力变矩器锁止策略参数优化对油耗的影响。在模型控制策略中，设置液力变矩器锁止转速分别为1 200、1 800和2 400 r/min进行对比，NEDC油耗差异如表3所示。

表3 不同液力变矩器锁止转速的油耗对比

3.2 自动变速箱换挡策略

目前市场上自动变速箱种类繁多，有AT、AMT、DCT等。对于自动变速箱，在同样的工况下，用不同的挡位，发动机的工作点会发生变化；相同车速下，由于挡位不同发动机会工作在不同的转速和扭矩下，发动机工作点的燃油消耗率也不同。如何选择最优的挡位，制定最优的换挡策略[7]，也是不断被研究的课题。换挡策略优化的目标函数和约束条件如下：

(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)

换挡策略优化的流程如图4所示。

图4 换挡策略优化流程

图5是某车型优化前和优化后的换挡图。换挡策略对NEDC油耗的影响对比如表4所示。

图5 换挡策略优化前后对比

表4 不同换挡策略的油耗对比

以上是变速箱的控制优化对油耗的贡献。除此之外，发动机的控制对油耗的影响也十分关键，发动机控制单元是控制喷油量的部件，因此对发动机及其附件的控制系统及策略优化也在不断发展。其中发动机启停系统的降油耗效果显著。

3.3 发动机启停控制策略

降低油耗的关键点是减少发动机工作的时间。在实际道路和法规工况中，车辆在加速和匀速行驶时需要消耗功率，而在减速和停车状态下，并不需要消耗功率，此时可以通过发动机停机的方式减少燃油消耗。影响发动机怠速启停的主要因素有启停开关、蓄电池电量、电池SOC传感器精度、车速、加速度、空调开关、发动机水温、方向盘转角等，具体的控制策略如图6所示，并在仿真模型中添加启停的控制策略，同时可以对启停控制策略的水温阈值进行优化。对于NEDC工况，如果水温大于80 ℃才进入启停，和水温大于60 ℃就进入启停，进入停机状态的时间不同，前者停机时间为110 s，后者停机时间为206 s，对比启停控制策略对降低油耗的贡献，见表5。

图6 发动机启停控制策略

表5 不同启停控制策略的油耗影响对比

当然启停控制策略的节油效果与发动机怠速油耗关系较大，对于大排量怠速油耗高整车降油耗效果更明显。

3.4 断油控制策略

启停控制策略主要是节省了怠速停车工况的油耗，对于减速状态，可以优化断油控制策略，减少减速段油耗。控制减速断油的相关信号有加速踏板、车速、加速度、发动机转速等，具体的控制策略如图7所示，其中影响断油时间的主要阈值为开始断油转速和恢复供油转速。

图7 发动机断油控制策略

NEDC工况减速段时间总和为186 s，如果用减速断油控制策略进行优化，也能起到降低油耗的作用。开始断油转速由发动机转速低于1 400 r/min开始断油调整到发动机转速低于2 000 r/min开始断油，断油时间从49 s增大到79 s，油耗降低了约0.1 L/100 km，具体结果见表6。

表6 不同断油转速的油耗对比

3.5 智能发电控制策略

如前所述，整车油耗有两部分组成，除了克服阻力消耗的机械功产生的油耗，还有作为发动机的附件发电机产生电功所需要的油耗。所以如何控制发电机发电策略，也是降油耗的一个方向。

智能发电系统主要包含电池SOC传感器和智能发电机两个硬件。智能发电控制策略通过分析蓄电池SOC、整车用电系统总负载、发动机工作点等因素来控制发电机电压，以达到智能发电的目的。

影响智能发电策略的信号主要包含蓄电池电量、蓄电池最优电量、发动机工作点燃效、发动机转速和扭矩、电池SOC传感器精度，主要控制逻辑如图8所示。

智能发电和非智能发电系统发电机发电电压对比如图9所示，油耗对比结果如表7所示。

表7 智能发电策略的油耗影响对比

3.6 混动车型控制策略

随着启停、48 V等电气化技术的发展，汽车由传统燃油车向混动化方向发展。混动化能优化发动机工作点，使发动机向燃效高的工作点转移，从而达到降油耗的目的[8]。混动系统主要由以下几种功能组成：

(1)自动启停。车辆静止状态下，发动机处于停机状态，等车辆开始行驶，发动机再自行启动。

(2)制动能量回收。可以将动能转化为电能，回收的电能可以用来驱动整车，减少发动机工作时间[9]。

(3)动力辅助。在加速阶段，电机可以辅助动力，优化发动机工作点，防止发动机工作在高负荷低燃效区。

(4)纯电动。车辆匀速行驶时，当电池电量充足且需求功率较小时，发动机停机，车辆完全由电机驱动。

(5)滑行。松油门减速时，发动机停机，不同于传统车辆滑行时发动机仍然需要喷油来维持发动机的运转，减少不必要的能量浪费。

(6)其中制动能量回收电机制动扭矩大小对油耗有一定的影响。以下是某混动车型制动能量回收优化前后电制动扭矩对油耗影响。优化前是中等强度制动能量回收，优化后是在优化前基础上增加10 N·m电制动扭矩。油耗差异结果见表8。

表8 制动能量回收策略的油耗对比

4 结束语

节能减排是全球一直在呼吁的问题，也是各车企一直关注的问题。本文作者建立了整车油耗计算的模型，从整车的机械部分和电耗部分以及整车控制策略方面，提出降油耗的方法。通过试验和仿真计算得到了和油耗相关各因素的灵敏度，给出了整车设计参数和控制参数优化对油耗的影响，为企业降油耗提供一点借鉴。未来混动车型和纯电动车型不断增多，降低油耗和能耗也是不断研究的方向。机械部分的降能耗方向大体一致，整车控制策略的研究和降低电耗会是一个新的方向。