杜炎熙，辛鵬

基于AMESim的油耗影響因子分析及優(yōu)化方法研究

杜炎熙1，辛鵬2

（1.鄭州升達經(jīng)貿(mào)管理學院 交通管理學院，河南 新鄭 451191；2.海馬汽車有限公司 研發(fā)中心，河南 鄭州 450016）

基于常溫穩(wěn)態(tài)工況和NEDC循環(huán)工況，通過部件測試和整車測試得到對標車型和研究車型的整車能量分布，對比兩車各部件/子系統(tǒng)能耗差異，得到研究車型能耗較大的子系統(tǒng)或部件?；贏MESim搭建研究車型的整車模型，對相關(guān)部件進行優(yōu)化仿真，預測各優(yōu)化方案對整車油耗的影響效果，結(jié)果表明仿真結(jié)果與實車測試結(jié)果基本一致。該方法可用于指導實際工程開發(fā)。

能量分布；AMESim；整車模型；仿真優(yōu)化

引言

目前我國油耗法規(guī)要求越來越高，整車油耗指標越來越嚴格，如何針對性地、有效地降低整車油耗是當前各大整車企業(yè)亟待解決的問題。一些前沿節(jié)能技術(shù)的開發(fā)和實施、各個關(guān)鍵部件性能的改善等舉措不能盲目進行，必須有科學的依據(jù)，不然極容易造成車型開發(fā)成本增加且無法達到預期的效果。獲取整車各相關(guān)子系統(tǒng)/部件的能量消耗，全局掌握整車能量分布，并與合理的對標車型對比，可快速、有效地找到研究車型能耗較大的部位，制定具體的優(yōu)化措施；同時，為了了解各優(yōu)化措施的實際降耗效果，找到最需要改進的油耗影響因子，仿真是一種快捷的方法[1]。為此，本文首先通過測試得到整車能量分布，評估出待優(yōu)化的部件，制定具體的優(yōu)化措施，在此基礎(chǔ)上采用AMESim搭建整車模型對各優(yōu)化措施進行仿真，預測各油耗影響因子的油耗優(yōu)化率，并采用實車測試結(jié)果驗證仿真結(jié)果。該方法可有效指導實際工程開發(fā)。

1 整車能量分布測試

整車能量分布測試，主要目的是通過測試得到整車各子系統(tǒng)、關(guān)鍵零部件等的性能、效率及能耗情況，通過研究車型和對標車型對比可快速找到研究車型能耗較大的部位，為油耗優(yōu)化指明方向；整車能量分布測試結(jié)果也可用于整車AMESim模型的輸入、標定[2]。

1.1 整車能量分布測試試驗

針對整車能量分布測試，主要進行2類測試試驗：部件測試、整車測試。部件測試是為了獲取穩(wěn)態(tài)工況下的關(guān)鍵部件特性或效率；整車測試是在穩(wěn)態(tài)工況和NEDC循環(huán)工況下模擬真實的實車環(huán)境，獲取發(fā)動機MAP、變速器MAP及整車各主要部位物理量；所獲取的測量值可用于計算各部件能量消耗、建模參數(shù)輸入及模型標定。

1.1.1部件測試

（1）水泵特性試驗。

水泵特性試驗是為了獲取水泵的整體效率和揚程特性[3]。水泵特性試驗臺架如圖1所示。電動機用于驅(qū)動水泵，是試驗臺架的動力源；單向閥用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力和流量；加熱器用于加熱冷卻液并使其始終保持在合適的溫度附近（90 ℃）；水箱用于對回路加壓，以防止水泵入口處出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。

試驗時，通過測量得到不同轉(zhuǎn)速、不同壓降下的水泵流量特性，對數(shù)據(jù)進行后處理可得到水泵的整體效率和揚程特性等。

圖1 水泵特性試驗臺架示意圖

（2）機油泵特性試驗。

機油泵特性試驗臺架如圖2所示。電動機提供不同的轉(zhuǎn)速驅(qū)動機油泵，是動力源；機油泵的出口管路上有“T”形接頭，是將發(fā)動機潤滑回路下游的壓力反饋到機油泵的控制端口；單向閥用于調(diào)節(jié)壓力，進而調(diào)節(jié)泵的流量；在單向閥之后有熱交換器，用于維持回路的油溫，使其保持在合適的溫度附近。

圖2 機油泵特性試驗臺架示意圖

試驗時，取20 ℃和80 ℃兩個溫度，每個溫度下分別進行電磁閥激活和不激活兩種狀態(tài)的測試，測得不同溫度、不同狀態(tài)、不同轉(zhuǎn)速下機油泵的特性。

（3）交流發(fā)電機特性試驗。

圖3 交流發(fā)電機特性試驗臺架示意圖

交流發(fā)電機特性試驗臺架如圖3所示。14 V蓄電池是一個功率緩沖器，用于調(diào)節(jié)電壓及存儲電能；固定電阻和可變電阻用于調(diào)節(jié)電路中的功率負載；電動機可驅(qū)動交流發(fā)電機在不同轉(zhuǎn)速下運行；皮帶傳動用于施加電動機和交流發(fā)電機間的機械傳動比。試驗時，通過調(diào)節(jié)功率負載逐步實現(xiàn)多個運行工況轉(zhuǎn)速測點的測試，并針對每個轉(zhuǎn)速對數(shù)據(jù)進行處理，得到交流發(fā)電機整體效率和性能曲線。

1.1.2整車測試

進行整車測試的目的有兩個：一是在常溫穩(wěn)態(tài)工況下獲取完整的發(fā)動機MAP和變速器MAP；一是在NEDC循環(huán)工況下監(jiān)控車輛動力總成及各流體系統(tǒng)的表現(xiàn)。

整車測試在溫度、濕度能夠穩(wěn)定控制的環(huán)境艙內(nèi)的專用臺架上進行，4個獨立電機驅(qū)動4個車輪（輪胎要拆除），鼓風機對車輛正面吹風模擬風速，一個外部熱交換器替代散熱器以精確控制發(fā)動機冷卻液溫度和機油溫度，駕駛機器人操縱油門踏板和制動踏板[4]。除此之外，在發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機艙、電氣網(wǎng)絡等各個關(guān)鍵位置安裝溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、流量等傳感器用于測量關(guān)鍵物理量。

1.2 整車能量分布結(jié)果對比

對測試數(shù)據(jù)進行處理、運算及分析，得到NEDC循環(huán)工況下研究車型和對標車型的整車能量分布對比，見表1。由表1可知，相比于對標車型，研究車型發(fā)動機機械摩擦損失、交流發(fā)電機能耗、傳動系統(tǒng)損失較大。

表1 研究車型及對標車型整車能量分布對比

系統(tǒng)/部件研究車型對標車型 發(fā)動機燃燒總能/%100100 發(fā)動機損失/%發(fā)動機其他損失51.352.4 發(fā)動機機械摩擦損失7.85.1 發(fā)動機排氣損失16.316 水泵能耗/%0.050.06 機油泵能耗/%0.750.9 交流發(fā)電機能耗/%2.431.21 傳動系統(tǒng)損失/%變速器損失5.54.6 半軸損失3.142.83 有效功/%12.7316.9

2 油耗影響因子優(yōu)化仿真與驗證

相比于對標車型，研究車型具有三個較關(guān)鍵的油耗影響因子：發(fā)動機機械摩擦損失、交流發(fā)電機能耗及傳動系統(tǒng)損失。

為了直觀預測改善各個因子對油耗的影響程度，本文基于AMESim，根據(jù)研究車型的整車物理架構(gòu)、各部件/系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)、測試數(shù)據(jù)搭建其整車模型，以仿真的方式量化影響效果，為實際工程開發(fā)指導方向[5]。

根據(jù)研究車型與對標車型測試數(shù)據(jù)的詳細對比分析，本文主要在整車模型上進行了以下仿真（參照對標車型）：（1）在實際FMEP基礎(chǔ)上降低10%；（2）將交流發(fā)電機改成根據(jù)蓄電池SOC和電壓狀態(tài)智能控制的發(fā)電機；（3）優(yōu)化變速器的鎖止策略，使其與對標車型性能接近，具體如：在低轉(zhuǎn)速高負荷工況下，鎖止離合器在較低扭矩下就實現(xiàn)鎖止；（4）在實際制動盤總成阻力基礎(chǔ)上降低10%。整車模型優(yōu)化仿真結(jié)果與實車驗證結(jié)果對比，見表2。

表2 整車模型優(yōu)化仿真結(jié)果與實車測試結(jié)果對比

優(yōu)化方案（參照對標車型）油耗優(yōu)化率/% 模型仿真結(jié)果實車驗證結(jié)果 降低發(fā)動機機械摩擦1.351.3 降低制動器總成阻力2.62.38 優(yōu)化變速器鎖止策略2.512.34 優(yōu)化發(fā)電機控制策略2.182.05 降低制動器總成阻力+優(yōu)化變速器鎖止策略+優(yōu)化發(fā)電機控制策略6.656.44

由表2可知：基于AMESim采用仿真預測各優(yōu)化措施的效果，是可行且較為準確的。

3 結(jié)論

本文基于常溫穩(wěn)態(tài)工況和NEDC循環(huán)工況，通過測試得到對標車型和研究車型的整車能量分布對比，找到研究車型能耗較大的部位；基于AMESim搭建研究車型的整車模型，參照對標車型采取具體措施對相關(guān)部件進行優(yōu)化仿真，得到各優(yōu)化措施對整車油耗的影響效果，且仿真結(jié)果與實車驗證結(jié)果基本一致。該方法可以幫助我們有針對性地改善整車油耗，為實際工程開發(fā)指明方向。

[1] 倪計民,葉軍,嚴永華,等.基于整車性能的重型車用發(fā)動機優(yōu)化配置[J].內(nèi)燃機工程,2005(02):76-79.

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[5] Burke J,Haws J.Vehicle thermal systems modeling using flowmas- ter2[R].SAE Technical Paper.2001:01-1696.

Research on Analysis and Optimization Method of Fuel Consumption Influencing Factor Based on AMESim

DU Yanxi1, XIN Peng2

( 1.Zhengzhou Shengda University, Institute of Traffic and Management, Henan Xinzheng 451191;2. R&D Center, HAIMA Car Co., Ltd., Henan Zhengzhou 450016 )

Based on steady state conditions at room temperature and the NEDC cycle conditions, getting the vehicle energy distribution of two vehicles by means of components test and complete vehicle test, compare energy consumption differences of the two vehicle’s components/subsystems and get the subsystems or components of large energy consumption of basic vehicle. Building the vehicle model of basic vehicle based on AMESim, optimizing and simulating the related components to predict the effects on the vehicle fuel consumption optimization schemes. The results show that the simulation results and the vehicle actual test results are basically the same. This method can be used to guide the actual project development.

Energy distribution;AMESim;Complete vehicle model;Simulation and optimization

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.022

U463.5

A

1671-7988(2021)21-92-03

U463.5

A

1671-7988(2021)21-92-03

杜炎熙（1991—），女，碩士，就職于鄭州升達經(jīng)貿(mào)管理學院交通管理學院，主要研究方向：車輛仿真、新能源汽車等。