孫曉鵬，孟建平，楊 正，徐 靜，張延寶

基于動力性能儲備的AMT油耗率動態(tài)優(yōu)化方法分析

孫曉鵬，孟建平*，楊 正，徐 靜，張延寶

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261040）

通過合理的擋位決策獲取車輛行駛的最佳擋位是商用車自動機械變速箱（AMT）發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，文章研究了一種在保障AMT商用車車輛動力性能的基礎(chǔ)上，持續(xù)動態(tài)決策最佳擋位，從而優(yōu)化油耗的方法。該方法從充分發(fā)揮發(fā)動機在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的功率需求出發(fā)，兼顧車輛行駛動力性能需要的扭矩儲備和加速性能，利用加權(quán)比較和動態(tài)遞歸等方法，分析合理擋位，實現(xiàn)發(fā)動機萬有特性最優(yōu)，降低油耗率以提高經(jīng)濟性能。

AMT商用車；動力性能；扭矩儲備；最佳擋位；油耗率

在保證動力性能的基礎(chǔ)上，降低車輛的燃油消耗是商用車的重要需求[1]。搭載自動機械變速箱（Automatic Mechanical Transmission, AMT）的車輛，通過設(shè)計合理的擋位決策邏輯，獲得最佳擋位是滿足上述需求的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對AMT擋位決策方法，在綜合考慮車重、坡度、擋位等多種因素，不斷收集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了基于動力性能儲備的油耗率動態(tài)優(yōu)化方法。通過與GT-Cruise物理模型的聯(lián)合仿真，驗證了本文擋位決策的有效性。

1 發(fā)動機萬有特性及油耗率優(yōu)化原理

發(fā)動機萬有特性是發(fā)動機性能的具象反映[2]。在處于不同轉(zhuǎn)速和不同轉(zhuǎn)矩時，發(fā)動機的功率以及油耗率有所差異，發(fā)動機功率的具體公式為

式中，e_Eng為發(fā)動機功率；e_Eng為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩；Eng為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

通過開展標(biāo)定實驗統(tǒng)計其不同工況下的油耗量，計算實際功率，繪制三維曲線，便可得到發(fā)動機的萬有特性圖。一般情況下，在發(fā)動機處于低轉(zhuǎn)速及高轉(zhuǎn)速時，油耗率偏高，而尋找適宜的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩區(qū)間，使車輛行駛過程中發(fā)動機盡量落在這一區(qū)間，便是優(yōu)化油耗率的常見舉措?？梢詮闹械贸鲆环N思路，即為了充分發(fā)揮發(fā)動機的輸出功率，在處于同一轉(zhuǎn)速時可盡量提高扭矩以脫離高油耗區(qū)，而對于同樣的負載來說，由式（2）扭矩傳遞公式可知，在傳動比即車輛擋位不同時發(fā)動機要提供的扭矩是不同的，因此，可通過決策合理的擋位來優(yōu)化油耗。

式中，e_Out為后橋輸出扭矩；k為擋位傳動比；e_Eng為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩；為機械傳遞效率。

2 車輛行駛動力學(xué)計算原理

發(fā)動機在車輛行駛過程中功率輸出的一個表現(xiàn)是提供牽引力、克服阻力，對車輛的動力學(xué)受力分析是優(yōu)化其有效功率的前提。根據(jù)車輛縱向動力學(xué)分析汽車所提供牽引力的作用效果是克服阻力并提供車輛加速度，即

tfVeh（3）

式中，t為車輛牽引力；f為車輛行駛阻力；Veh為車輛質(zhì)量；車輛加速度。

fRollAirSlop（4）

式中，Roll為滾動阻力；Air為空氣阻力；Slop為坡度阻力。

3 發(fā)動機動力性能儲備原理及油耗動態(tài)優(yōu)化方法

3.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩及功率儲備原理

如圖1所示，發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩儲備是指發(fā)動機當(dāng)前轉(zhuǎn)速下，可提供最大轉(zhuǎn)矩與最佳功率時的轉(zhuǎn)矩之差[3]。轉(zhuǎn)矩儲備主要是為了穩(wěn)定發(fā)動機工作，并且避免負載變化過大時發(fā)動機轉(zhuǎn)速驟降甚至熄火或因此引發(fā)的頻繁換入低擋等現(xiàn)象[4]。

圖1 轉(zhuǎn)矩儲備500 Nm

車輛的功率儲備就是它從當(dāng)前轉(zhuǎn)矩升至最大轉(zhuǎn)矩的中間功率變化量[5]。當(dāng)在平直路面上正常行駛，油門開度沒有開到最大時（稱為部分負荷），則功率為

式中，e_Eng為發(fā)動機扭矩；veh為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

如果遇到情況加大油門開度，也即將加速踏板踩到底（最大全負荷）用來爬坡或加速，則此時的轉(zhuǎn)矩基本為最大值，功率為

式中，e_Eng_max為最大轉(zhuǎn)矩。

則發(fā)動機的功率儲備為

功率儲備變大，則從經(jīng)濟區(qū)段提高功率還有較大的空間，汽車的動力性便越好，能夠爬更大的坡度或獲得更大的加速度來提速超車。同一臺發(fā)動機，一經(jīng)生產(chǎn)并裝上車輛，它的轉(zhuǎn)矩儲備便就確定，無法再更改。但是車輛的功率儲備卻可以通過換擋改變傳動比來實現(xiàn)，這正是從轉(zhuǎn)矩儲備出發(fā)，保證動力儲備來優(yōu)化油耗的思路。

3.2 車輛行駛動態(tài)儲備功率原理

前面提到，發(fā)動機牽引力的重要作用為提供車輛運行的加速度，即作為車輛加速時需要克服的保持等速運動的慣性力。車輛加速度是加速性能的直接體現(xiàn)，在處于不同車速時，因擋位不同、傳動比不同，最大加速度是有差異的，當(dāng)前實際加速度與最大加速度的差值，可看做發(fā)動機能預(yù)留的動力提升閾值，即

Δmaxact（8）

式中，Δ為預(yù)留的動力提升閾值；max為最大加速度；act為當(dāng)前實際加速度。

結(jié)合車重和車速，可得車輛的行駛動態(tài)儲備功率為

Δv=veh?Δ?（9）

式中，Δv為車輛行駛的動態(tài)儲備功率；veh為車重；為當(dāng)前車速。

車輛行駛的動態(tài)儲備功率，其值越大，說明發(fā)動機優(yōu)化動力性的加速能力越強。

關(guān)于最大加速度的計算方式，按照動態(tài)規(guī)劃原理可得

max()1625344353617（10）

式中，1至p為多項式的擬合系數(shù)。

為標(biāo)定動態(tài)規(guī)劃各參數(shù)，可在標(biāo)定測試中使車輛在不同擋位下行駛，其式為

分別計算不同車速點時的加速度，各擋位對應(yīng)的最大值即可認定為最大加速度。在采集的樣本數(shù)足夠多后，便可用動態(tài)規(guī)劃得到動態(tài)儲備功率和當(dāng)前車速的對應(yīng)關(guān)系，即

Δv=veh?max()?（12）

3.3 基于動力性能儲備的油耗率動態(tài)優(yōu)化方法

現(xiàn)提供兩種優(yōu)化思路，一種是考慮功率儲備的加權(quán)系數(shù)法；一種是考慮動態(tài)加速性能儲備的動態(tài)規(guī)劃法。無論哪種優(yōu)化方法，最終都是將合理降低油耗率作為優(yōu)化目標(biāo)。方法原理如圖2所示。

圖2 優(yōu)化原理

第一種方法中，將功率儲備取倒數(shù)并乘以加權(quán)系數(shù)，看做動力性能對油耗的加劇，再將油耗量和動力加劇量相加，可得到當(dāng)前擋位單位時間內(nèi)的能耗成本，其式為

式中，Δ為能耗成本；ΔT()為功率儲備；為加權(quán)系數(shù)；Veh()為動力加劇量。

加權(quán)系數(shù)需要通過標(biāo)定試驗確定合適的數(shù)值，既不能過小忽略動力性能的影響，又不能過大導(dǎo)致微小的功率儲備變化就能造成單位能耗成本過高。在車輛行駛過程中，可分別計算發(fā)動機在不同擋位下的轉(zhuǎn)矩，并與當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最大轉(zhuǎn)矩相比較，轉(zhuǎn)矩的差值乘以發(fā)動機轉(zhuǎn)速即為儲備功率，在駕駛循環(huán)中將不同擋位在一定時間的油耗量和儲備功率按照式（13）計算，即可得到不同擋位的能耗成本，選擇成本最低的擋位作為最佳擋位。

第二種方法，首先需要用前文動態(tài)規(guī)劃的式（10）計算擋位最大加速度，再按照式（9）得出動態(tài)儲備功率。其次，通過標(biāo)定試驗確定發(fā)動機在處于不同轉(zhuǎn)速時的最大轉(zhuǎn)矩。然后在行車過程記錄當(dāng)前的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，通過公式得到儲備功率，動態(tài)儲備功率與當(dāng)前功率的差值必須低于功率儲備，即

ΔvEngVeh0＜ΔT() （14）

若不滿足該不等式，說明該擋位下發(fā)動機的動力儲備不足，即使油耗比較低也不能提供足夠的動力指標(biāo)，這樣的擋位屬于“劣態(tài)擋”，需要予以屏蔽，再對其他擋位的油耗Veh進行比較，即可得到最佳擋位。

4 結(jié)果驗證

在GT-Cruise物理模型仿真平臺上對本文采取的方法進行了試驗驗證。在此次試驗之前，對萬有特性曲線、發(fā)動機轉(zhuǎn)速對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩、各車速對應(yīng)最大加速度均已有過標(biāo)定，因此，只需仿真車輛在一段時間內(nèi)行駛，其間使能動態(tài)計算策略，便可以決策出更優(yōu)擋位、修正換擋線，在下次駕駛循環(huán)中，仿真在同樣的路況上行駛，使用新的擋位決策邏輯以優(yōu)化油耗。在做多組對比實驗后，對策略修正前后的百公里油耗分別進行統(tǒng)計，如表1所示。計算平均油耗并繪制“油耗-時間”折線圖如3所示，可以看到換擋點有變化，油耗有所下降。

圖3 動態(tài)優(yōu)化方法物理仿真實驗結(jié)果比較圖

表1 動態(tài)優(yōu)化方法物理仿真實驗結(jié)果

項目動態(tài)優(yōu)化后節(jié)油率/% 第一次試驗3.1 第二次試驗3.5 第三次試驗2.6

5 結(jié)論

本文提出的基于動力性能儲備的油耗率動態(tài)優(yōu)化方法，綜合考慮了在優(yōu)化車輛行駛經(jīng)濟性如何同時預(yù)留動力性儲備，既可顯著優(yōu)化油耗，又可提升車輛面對復(fù)雜路況時的負載承受能力和需要加速時的動力性能。

本文方法重視車輛運行過程中的持續(xù)優(yōu)化，綜合考慮車重、坡度、擋位等多種因素，不斷收集數(shù)據(jù)，動態(tài)分析性能并進行比較，在合理的時機更新?lián)Q擋線、改變換擋時機，從而實現(xiàn)油耗率的動態(tài)優(yōu)化。

[1] 陳佳,王青春,呂欣,等.電控機械式自動變速器對整車動力性與經(jīng)濟性的影響分析[J].機械設(shè)計與制造, 2022(3):76-81,86.

[2] 平培力,杜偉濤,胡玉梅.基于能量守恒法測試汽車的空氣阻力系數(shù)[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2019, 50(7):1744-1749.

[3] 趙小輝,張明柱,白東洋,等.柴油發(fā)動機特性曲線分析與建模[J].中國農(nóng)機化學(xué)報,2016,37(7):112-115,140.

[4] 程一帆. AMT換擋過程駕駛品質(zhì)提升與電控系統(tǒng)開發(fā)研究[D].長春:吉林大學(xué),2021.

[5] 鄒運.基于儲備功率的換擋規(guī)律修正方法研究[D].長春:吉林大學(xué),2012.

Analysis of Dynamic Optimization Method of AMT Fuel Consumption Rate Based on Dynamic Performance Reserve

SUN Xiaopeng, MENG Jianping*, YANG Zheng, XU Jing, ZHANG Yanbao

( Weichai Power Company Limited, Weifang 261040, China )

The key technology of automatic mechanical transmission (AMT) development for commercial vehicles is to obtain the optimal gear through reasonable gear decision. In this paper, a method to decide the optimum gear and optimize fuel consumption of AMT commercial vehicle based on dynamic performance is studied. This method gives full play to the power demand of the engine at the current speed, takes into account the torque reserve and acceleration performance required by the vehicle driving dynamic performance, analyzes the reasonable gear by using weighted comparison and dynamic recursion methods, and achieves the optimal engine universal characteristics, reduces the fuel consumption rate and improves the economic performance.

AMT commercial vehicle; Dynamic performance; Torque reserve; Optimum gear; Fuel consumption rate

U463.212

A

1671-7988(2023)10-100-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.021

孫曉鵬（1985—），男，碩士，高級工程師，研究方向為發(fā)動機、變速箱、動力總成、整車整機控制策略開發(fā)，E-mail:sunxp@weichai.com。

孟建平（1993—），男，碩士，助理工程師，研究方向為動力總成控制策略開發(fā)，E-mail:1374218317@qq.com。