孫曉鵬，孟建平，楊 正，徐 靜，張延寶

基于動(dòng)力性能儲(chǔ)備的AMT油耗率動(dòng)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(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261040）

通過(guò)合理的擋位決策獲取車(chē)輛行駛的最佳擋位是商用車(chē)自動(dòng)機(jī)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(chē)車(chē)輛動(dòng)力性能的基礎(chǔ)上，持續(xù)動(dòng)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(dòng)機(jī)在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的功率需求出發(fā)，兼顧車(chē)輛行駛動(dòng)力性能需要的扭矩儲(chǔ)備和加速性能，利用加權(quán)比較和動(dòng)態(tài)遞歸等方法，分析合理?yè)跷唬瑢?shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性最優(yōu)，降低油耗率以提高經(jīng)濟(jì)性能。

AMT商用車(chē)；動(dòng)力性能；扭矩儲(chǔ)備；最佳擋位；油耗率

在保證動(dòng)力性能的基礎(chǔ)上，降低車(chē)輛的燃油消耗是商用車(chē)的重要需求[1]。搭載自動(dòng)機(jī)械變速箱（Automatic Mechanical Transmission, AMT）的車(chē)輛，通過(guò)設(shè)計(jì)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(duì)AMT擋位決策方法，在綜合考慮車(chē)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(dòng)力性能儲(chǔ)備的油耗率動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法。通過(guò)與GT-Cruise物理模型的聯(lián)合仿真，驗(yàn)證了本文擋位決策的有效性。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性及油耗率優(yōu)化原理

發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性是發(fā)動(dòng)機(jī)性能的具象反映[2]。在處于不同轉(zhuǎn)速和不同轉(zhuǎn)矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率以及油耗率有所差異，發(fā)動(dòng)機(jī)功率的具體公式為

式中，e_Eng為發(fā)動(dòng)機(jī)功率；e_Eng為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Eng為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

通過(guò)開(kāi)展標(biāo)定實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)其不同工況下的油耗量，計(jì)算實(shí)際功率，繪制三維曲線，便可得到發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性圖。一般情況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速及高轉(zhuǎn)速時(shí)，油耗率偏高，而尋找適宜的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩區(qū)間，使車(chē)輛行駛過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)盡量落在這一區(qū)間，便是優(yōu)化油耗率的常見(jiàn)舉措?？梢詮闹械贸鲆环N思路，即為了充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，在處于同一轉(zhuǎn)速時(shí)可盡量提高扭矩以脫離高油耗區(qū)，而對(duì)于同樣的負(fù)載來(lái)說(shuō)，由式（2）扭矩傳遞公式可知，在傳動(dòng)比即車(chē)輛擋位不同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)要提供的扭矩是不同的，因此，可通過(guò)決策合理的擋位來(lái)優(yōu)化油耗。

式中，e_Out為后橋輸出扭矩；k為擋位傳動(dòng)比；e_Eng為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；為機(jī)械傳遞效率。

2 車(chē)輛行駛動(dòng)力學(xué)計(jì)算原理

發(fā)動(dòng)機(jī)在車(chē)輛行駛過(guò)程中功率輸出的一個(gè)表現(xiàn)是提供牽引力、克服阻力，對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)受力分析是優(yōu)化其有效功率的前提。根據(jù)車(chē)輛縱向動(dòng)力學(xué)分析汽車(chē)所提供牽引力的作用效果是克服阻力并提供車(chē)輛加速度，即

tfVeh（3）

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

fRollAirSlop（4）

式中，Roll為滾動(dòng)阻力；Air為空氣阻力；Slop為坡度阻力。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能儲(chǔ)備原理及油耗動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩及功率儲(chǔ)備原理

如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備是指發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下，可提供最大轉(zhuǎn)矩與最佳功率時(shí)的轉(zhuǎn)矩之差[3]。轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備主要是為了穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)工作，并且避免負(fù)載變化過(guò)大時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǔ)備500 Nm

車(chē)輛的功率儲(chǔ)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(mén)開(kāi)度沒(méi)有開(kāi)到最大時(shí)（稱(chēng)為部分負(fù)荷），則功率為

式中，e_Eng為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；veh為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

如果遇到情況加大油門(mén)開(kāi)度，也即將加速踏板踩到底（最大全負(fù)荷）用來(lái)爬坡或加速，則此時(shí)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(dòng)機(jī)的功率儲(chǔ)備為

功率儲(chǔ)備變大，則從經(jīng)濟(jì)區(qū)段提高功率還有較大的空間，汽車(chē)的動(dòng)力性便越好，能夠爬更大的坡度或獲得更大的加速度來(lái)提速超車(chē)。同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，一經(jīng)生產(chǎn)并裝上車(chē)輛，它的轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備便就確定，無(wú)法再更改。但是車(chē)輛的功率儲(chǔ)備卻可以通過(guò)換擋改變傳動(dòng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)，這正是從轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備出發(fā)，保證動(dòng)力儲(chǔ)備來(lái)優(yōu)化油耗的思路。

3.2 車(chē)輛行駛動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備功率原理

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

Δmaxact（8）

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

結(jié)合車(chē)重和車(chē)速，可得車(chē)輛的行駛動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備功率為

Δv=veh?Δ?（9）

式中，Δv為車(chē)輛行駛的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備功率；veh為車(chē)重；為當(dāng)前車(chē)速。

車(chē)輛行駛的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備功率，其值越大，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化動(dòng)力性的加速能力越強(qiáng)。

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

max()1625344353617（10）

式中，1至p為多項(xiàng)式的擬合系數(shù)。

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

分別計(jì)算不同車(chē)速點(diǎn)時(shí)的加速度，各擋位對(duì)應(yīng)的最大值即可認(rèn)定為最大加速度。在采集的樣本數(shù)足夠多后，便可用動(dòng)態(tài)規(guī)劃得到動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備功率和當(dāng)前車(chē)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即

Δv=veh?max()?（12）

3.3 基于動(dòng)力性能儲(chǔ)備的油耗率動(dòng)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(chǔ)備的加權(quán)系數(shù)法；一種是考慮動(dòng)態(tài)加速性能儲(chǔ)備的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。無(wú)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(chǔ)備取倒數(shù)并乘以加權(quán)系數(shù)，看做動(dòng)力性能對(duì)油耗的加劇，再將油耗量和動(dòng)力加劇量相加，可得到當(dāng)前擋位單位時(shí)間內(nèi)的能耗成本，其式為

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

加權(quán)系數(shù)需要通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)確定合適的數(shù)值，既不能過(guò)小忽略動(dòng)力性能的影響，又不能過(guò)大導(dǎo)致微小的功率儲(chǔ)備變化就能造成單位能耗成本過(guò)高。在車(chē)輛行駛過(guò)程中，可分別計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速即為儲(chǔ)備功率，在駕駛循環(huán)中將不同擋位在一定時(shí)間的油耗量和儲(chǔ)備功率按照式（13）計(jì)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(dòng)態(tài)規(guī)劃的式（10）計(jì)算擋位最大加速度，再按照式（9）得出動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備功率。其次，通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)確定發(fā)動(dòng)機(jī)在處于不同轉(zhuǎn)速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩。然后在行車(chē)過(guò)程記錄當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，通過(guò)公式得到儲(chǔ)備功率，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備功率與當(dāng)前功率的差值必須低于功率儲(chǔ)備，即

ΔvEngVeh0＜ΔT() （14）

若不滿足該不等式，說(shuō)明該擋位下發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力儲(chǔ)備不足，即使油耗比較低也不能提供足夠的動(dòng)力指標(biāo)，這樣的擋位屬于“劣態(tài)擋”，需要予以屏蔽，再對(duì)其他擋位的油耗Veh進(jìn)行比較，即可得到最佳擋位。

4 結(jié)果驗(yàn)證

在GT-Cruise物理模型仿真平臺(tái)上對(duì)本文采取的方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。在此次試驗(yàn)之前，對(duì)萬(wàn)有特性曲線、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩、各車(chē)速對(duì)應(yīng)最大加速度均已有過(guò)標(biāo)定，因此，只需仿真車(chē)輛在一段時(shí)間內(nèi)行駛，其間使能動(dòng)態(tài)計(jì)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(duì)比實(shí)驗(yàn)后，對(duì)策略修正前后的百公里油耗分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。計(jì)算平均油耗并繪制“油耗-時(shí)間”折線圖如3所示，可以看到換擋點(diǎn)有變化，油耗有所下降。

圖3 動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法物理仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較圖

表1 動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法物理仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

項(xiàng)目動(dòng)態(tài)優(yōu)化后節(jié)油率/% 第一次試驗(yàn)3.1 第二次試驗(yàn)3.5 第三次試驗(yàn)2.6

5 結(jié)論

本文提出的基于動(dòng)力性能儲(chǔ)備的油耗率動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，綜合考慮了在優(yōu)化車(chē)輛行駛經(jīng)濟(jì)性如何同時(shí)預(yù)留動(dòng)力性儲(chǔ)備，既可顯著優(yōu)化油耗，又可提升車(chē)輛面對(duì)復(fù)雜路況時(shí)的負(fù)載承受能力和需要加速時(shí)的動(dòng)力性能。

本文方法重視車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的持續(xù)優(yōu)化，綜合考慮車(chē)重、坡度、擋位等多種因素，不斷收集數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)分析性能并進(jìn)行比較，在合理的時(shí)機(jī)更新?lián)Q擋線、改變換擋時(shí)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)油耗率的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

[1] 陳佳,王青春,呂欣,等.電控機(jī)械式自動(dòng)變速器對(duì)整車(chē)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的影響分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2022(3):76-81,86.

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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(jí)工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、動(dòng)力總成、整車(chē)整機(jī)控制策略開(kāi)發(fā)，E-mail:sunxp@weichai.com。

孟建平（1993—），男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)閯?dòng)力總成控制策略開(kāi)發(fā)，E-mail:1374218317@qq.com。