基于动力性能储备的AMT油耗率动态优化方法分析

孙晓鹏，孟建平，杨 正，徐 静，张延宝

基于动力性能储备的AMT油耗率动态优化方法分析

孙晓鹏，孟建平*，杨 正，徐 静，张延宝

（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261040）

通过合理的挡位决策获取车辆行驶的最佳挡位是商用车自动机械变速箱（AMT）发展的关键技术，文章研究了一种在保障AMT商用车车辆动力性能的基础上，持续动态决策最佳挡位，从而优化油耗的方法。该方法从充分发挥发动机在当前转速下的功率需求出发，兼顾车辆行驶动力性能需要的扭矩储备和加速性能，利用加权比较和动态递归等方法，分析合理挡位，实现发动机万有特性最优，降低油耗率以提高经济性能。

AMT商用车；动力性能；扭矩储备；最佳挡位；油耗率

在保证动力性能的基础上，降低车辆的燃油消耗是商用车的重要需求[1]。搭载自动机械变速箱（Automatic Mechanical Transmission, AMT）的车辆，通过设计合理的挡位决策逻辑，获得最佳挡位是满足上述需求的关键技术。本文针对AMT挡位决策方法，在综合考虑车重、坡度、挡位等多种因素，不断收集数据的基础上，提出了基于动力性能储备的油耗率动态优化方法。通过与GT-Cruise物理模型的联合仿真，验证了本文挡位决策的有效性。

1 发动机万有特性及油耗率优化原理

发动机万有特性是发动机性能的具象反映[2]。在处于不同转速和不同转矩时，发动机的功率以及油耗率有所差异，发动机功率的具体公式为

式中，e_Eng为发动机功率；e_Eng为发动机输出转矩；Eng为发动机转速。

通过开展标定实验统计其不同工况下的油耗量，计算实际功率，绘制三维曲线，便可得到发动机的万有特性图。一般情况下，在发动机处于低转速及高转速时，油耗率偏高，而寻找适宜的转速、转矩区间，使车辆行驶过程中发动机尽量落在这一区间，便是优化油耗率的常见举措。可以从中得出一种思路，即为了充分发挥发动机的输出功率，在处于同一转速时可尽量提高扭矩以脱离高油耗区，而对于同样的负载来说，由式（2）扭矩传递公式可知，在传动比即车辆挡位不同时发动机要提供的扭矩是不同的，因此，可通过决策合理的挡位来优化油耗。

式中，e_Out为后桥输出扭矩；k为挡位传动比；e_Eng为发动机输出转矩；为机械传递效率。

2 车辆行驶动力学计算原理

发动机在车辆行驶过程中功率输出的一个表现是提供牵引力、克服阻力，对车辆的动力学受力分析是优化其有效功率的前提。根据车辆纵向动力学分析汽车所提供牵引力的作用效果是克服阻力并提供车辆加速度，即

tfVeh（3）

式中，t为车辆牵引力；f为车辆行驶阻力；Veh为车辆质量；车辆加速度。

fRollAirSlop（4）

式中，Roll为滚动阻力；Air为空气阻力；Slop为坡度阻力。

3 发动机动力性能储备原理及油耗动态优化方法

3.1 发动机转矩及功率储备原理

如图1所示，发动机的转矩储备是指发动机当前转速下，可提供最大转矩与最佳功率时的转矩之差[3]。转矩储备主要是为了稳定发动机工作，并且避免负载变化过大时发动机转速骤降甚至熄火或因此引发的频繁换入低挡等现象[4]。

图1 转矩储备500 Nm

车辆的功率储备就是它从当前转矩升至最大转矩的中间功率变化量[5]。当在平直路面上正常行驶，油门开度没有开到最大时（称为部分负荷），则功率为

式中，e_Eng为发动机扭矩；veh为发动机转速。

如果遇到情况加大油门开度，也即将加速踏板踩到底（最大全负荷）用来爬坡或加速，则此时的转矩基本为最大值，功率为

式中，e_Eng_max为最大转矩。

则发动机的功率储备为

功率储备变大，则从经济区段提高功率还有较大的空间，汽车的动力性便越好，能够爬更大的坡度或获得更大的加速度来提速超车。同一台发动机，一经生产并装上车辆，它的转矩储备便就确定，无法再更改。但是车辆的功率储备却可以通过换挡改变传动比来实现，这正是从转矩储备出发，保证动力储备来优化油耗的思路。

3.2 车辆行驶动态储备功率原理

前面提到，发动机牵引力的重要作用为提供车辆运行的加速度，即作为车辆加速时需要克服的保持等速运动的惯性力。车辆加速度是加速性能的直接体现，在处于不同车速时，因挡位不同、传动比不同，最大加速度是有差异的，当前实际加速度与最大加速度的差值，可看做发动机能预留的动力提升阈值，即

Δmaxact（8）

式中，Δ为预留的动力提升阈值；max为最大加速度；act为当前实际加速度。

结合车重和车速，可得车辆的行驶动态储备功率为

Δv=veh∙Δ∙（9）

式中，Δv为车辆行驶的动态储备功率；veh为车重；为当前车速。

车辆行驶的动态储备功率，其值越大，说明发动机优化动力性的加速能力越强。

关于最大加速度的计算方式，按照动态规划原理可得

max()1625344353617（10）

式中，1至p为多项式的拟合系数。

为标定动态规划各参数，可在标定测试中使车辆在不同挡位下行驶，其式为

分别计算不同车速点时的加速度，各挡位对应的最大值即可认定为最大加速度。在采集的样本数足够多后，便可用动态规划得到动态储备功率和当前车速的对应关系，即

Δv=veh∙max()∙（12）

3.3 基于动力性能储备的油耗率动态优化方法

现提供两种优化思路，一种是考虑功率储备的加权系数法；一种是考虑动态加速性能储备的动态规划法。无论哪种优化方法，最终都是将合理降低油耗率作为优化目标。方法原理如图2所示。

图2 优化原理

第一种方法中，将功率储备取倒数并乘以加权系数，看做动力性能对油耗的加剧，再将油耗量和动力加剧量相加，可得到当前挡位单位时间内的能耗成本，其式为

式中，Δ为能耗成本；ΔT()为功率储备；为加权系数；Veh()为动力加剧量。

加权系数需要通过标定试验确定合适的数值，既不能过小忽略动力性能的影响，又不能过大导致微小的功率储备变化就能造成单位能耗成本过高。在车辆行驶过程中，可分别计算发动机在不同挡位下的转矩，并与当前转速下的最大转矩相比较，转矩的差值乘以发动机转速即为储备功率，在驾驶循环中将不同挡位在一定时间的油耗量和储备功率按照式（13）计算，即可得到不同挡位的能耗成本，选择成本最低的挡位作为最佳挡位。

第二种方法，首先需要用前文动态规划的式（10）计算挡位最大加速度，再按照式（9）得出动态储备功率。其次，通过标定试验确定发动机在处于不同转速时的最大转矩。然后在行车过程记录当前的发动机转速和转矩，通过公式得到储备功率，动态储备功率与当前功率的差值必须低于功率储备，即

ΔvEngVeh0＜ΔT() （14）

若不满足该不等式，说明该挡位下发动机的动力储备不足，即使油耗比较低也不能提供足够的动力指标，这样的挡位属于“劣态挡”，需要予以屏蔽，再对其他挡位的油耗Veh进行比较，即可得到最佳挡位。

4 结果验证

在GT-Cruise物理模型仿真平台上对本文采取的方法进行了试验验证。在此次试验之前，对万有特性曲线、发动机转速对应最大转矩、各车速对应最大加速度均已有过标定，因此，只需仿真车辆在一段时间内行驶，其间使能动态计算策略，便可以决策出更优挡位、修正换挡线，在下次驾驶循环中，仿真在同样的路况上行驶，使用新的挡位决策逻辑以优化油耗。在做多组对比实验后，对策略修正前后的百公里油耗分别进行统计，如表1所示。计算平均油耗并绘制“油耗-时间”折线图如3所示，可以看到换挡点有变化，油耗有所下降。

图3 动态优化方法物理仿真实验结果比较图

表1 动态优化方法物理仿真实验结果

项目动态优化后节油率/% 第一次试验3.1 第二次试验3.5 第三次试验2.6

5 结论

本文提出的基于动力性能储备的油耗率动态优化方法，综合考虑了在优化车辆行驶经济性如何同时预留动力性储备，既可显著优化油耗，又可提升车辆面对复杂路况时的负载承受能力和需要加速时的动力性能。

本文方法重视车辆运行过程中的持续优化，综合考虑车重、坡度、挡位等多种因素，不断收集数据，动态分析性能并进行比较，在合理的时机更新换挡线、改变换挡时机，从而实现油耗率的动态优化。

[1] 陈佳,王青春,吕欣,等.电控机械式自动变速器对整车动力性与经济性的影响分析[J].机械设计与制造, 2022(3):76-81,86.

[2] 平培力,杜伟涛,胡玉梅.基于能量守恒法测试汽车的空气阻力系数[J].中南大学学报(自然科学版),2019, 50(7):1744-1749.

[3] 赵小辉,张明柱,白东洋,等.柴油发动机特性曲线分析与建模[J].中国农机化学报,2016,37(7):112-115,140.

[4] 程一帆. AMT换挡过程驾驶品质提升与电控系统开发研究[D].长春:吉林大学,2021.

[5] 邹运.基于储备功率的换挡规律修正方法研究[D].长春:吉林大学,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

孙晓鹏（1985—），男，硕士，高级工程师，研究方向为发动机、变速箱、动力总成、整车整机控制策略开发，E-mail:sunxp@weichai.com。

孟建平（1993—），男，硕士，助理工程师，研究方向为动力总成控制策略开发，E-mail:1374218317@qq.com。