基于AMESim的油耗影响因子分析及优化方法研究

杜炎熙，辛鹏

基于AMESim的油耗影响因子分析及优化方法研究

杜炎熙1，辛鹏2

（1.郑州升达经贸管理学院 交通管理学院，河南 新郑 451191；2.海马汽车有限公司 研发中心，河南 郑州 450016）

基于常温稳态工况和NEDC循环工况，通过部件测试和整车测试得到对标车型和研究车型的整车能量分布，对比两车各部件/子系统能耗差异，得到研究车型能耗较大的子系统或部件。基于AMESim搭建研究车型的整车模型，对相关部件进行优化仿真，预测各优化方案对整车油耗的影响效果，结果表明仿真结果与实车测试结果基本一致。该方法可用于指导实际工程开发。

能量分布；AMESim；整车模型；仿真优化

引言

目前我国油耗法规要求越来越高，整车油耗指标越来越严格，如何针对性地、有效地降低整车油耗是当前各大整车企业亟待解决的问题。一些前沿节能技术的开发和实施、各个关键部件性能的改善等举措不能盲目进行，必须有科学的依据，不然极容易造成车型开发成本增加且无法达到预期的效果。获取整车各相关子系统/部件的能量消耗，全局掌握整车能量分布，并与合理的对标车型对比，可快速、有效地找到研究车型能耗较大的部位，制定具体的优化措施；同时，为了了解各优化措施的实际降耗效果，找到最需要改进的油耗影响因子，仿真是一种快捷的方法[1]。为此，本文首先通过测试得到整车能量分布，评估出待优化的部件，制定具体的优化措施，在此基础上采用AMESim搭建整车模型对各优化措施进行仿真，预测各油耗影响因子的油耗优化率，并采用实车测试结果验证仿真结果。该方法可有效指导实际工程开发。

1 整车能量分布测试

整车能量分布测试，主要目的是通过测试得到整车各子系统、关键零部件等的性能、效率及能耗情况，通过研究车型和对标车型对比可快速找到研究车型能耗较大的部位，为油耗优化指明方向；整车能量分布测试结果也可用于整车AMESim模型的输入、标定[2]。

1.1 整车能量分布测试试验

针对整车能量分布测试，主要进行2类测试试验：部件测试、整车测试。部件测试是为了获取稳态工况下的关键部件特性或效率；整车测试是在稳态工况和NEDC循环工况下模拟真实的实车环境，获取发动机MAP、变速器MAP及整车各主要部位物理量；所获取的测量值可用于计算各部件能量消耗、建模参数输入及模型标定。

1.1.1部件测试

（1）水泵特性试验。

水泵特性试验是为了获取水泵的整体效率和扬程特性[3]。水泵特性试验台架如图1所示。电动机用于驱动水泵，是试验台架的动力源；单向阀用于调节系统压力和流量；加热器用于加热冷却液并使其始终保持在合适的温度附近（90 ℃）；水箱用于对回路加压，以防止水泵入口处出现气穴现象。

试验时，通过测量得到不同转速、不同压降下的水泵流量特性，对数据进行后处理可得到水泵的整体效率和扬程特性等。

图1 水泵特性试验台架示意图

（2）机油泵特性试验。

机油泵特性试验台架如图2所示。电动机提供不同的转速驱动机油泵，是动力源；机油泵的出口管路上有“T”形接头，是将发动机润滑回路下游的压力反馈到机油泵的控制端口；单向阀用于调节压力，进而调节泵的流量；在单向阀之后有热交换器，用于维持回路的油温，使其保持在合适的温度附近。

图2 机油泵特性试验台架示意图

试验时，取20 ℃和80 ℃两个温度，每个温度下分别进行电磁阀激活和不激活两种状态的测试，测得不同温度、不同状态、不同转速下机油泵的特性。

（3）交流发电机特性试验。

图3 交流发电机特性试验台架示意图

交流发电机特性试验台架如图3所示。14 V蓄电池是一个功率缓冲器，用于调节电压及存储电能；固定电阻和可变电阻用于调节电路中的功率负载；电动机可驱动交流发电机在不同转速下运行；皮带传动用于施加电动机和交流发电机间的机械传动比。试验时，通过调节功率负载逐步实现多个运行工况转速测点的测试，并针对每个转速对数据进行处理，得到交流发电机整体效率和性能曲线。

1.1.2整车测试

进行整车测试的目的有两个：一是在常温稳态工况下获取完整的发动机MAP和变速器MAP；一是在NEDC循环工况下监控车辆动力总成及各流体系统的表现。

整车测试在温度、湿度能够稳定控制的环境舱内的专用台架上进行，4个独立电机驱动4个车轮（轮胎要拆除），鼓风机对车辆正面吹风模拟风速，一个外部热交换器替代散热器以精确控制发动机冷却液温度和机油温度，驾驶机器人操纵油门踏板和制动踏板[4]。除此之外，在发动机、传动系统、发动机舱、电气网络等各个关键位置安装温度、压力、转速、流量等传感器用于测量关键物理量。

1.2 整车能量分布结果对比

对测试数据进行处理、运算及分析，得到NEDC循环工况下研究车型和对标车型的整车能量分布对比，见表1。由表1可知，相比于对标车型，研究车型发动机机械摩擦损失、交流发电机能耗、传动系统损失较大。

表1 研究车型及对标车型整车能量分布对比

系统/部件研究车型对标车型 发动机燃烧总能/%100100 发动机损失/%发动机其他损失51.352.4 发动机机械摩擦损失7.85.1 发动机排气损失16.316 水泵能耗/%0.050.06 机油泵能耗/%0.750.9 交流发电机能耗/%2.431.21 传动系统损失/%变速器损失5.54.6 半轴损失3.142.83 有效功/%12.7316.9

2 油耗影响因子优化仿真与验证

相比于对标车型，研究车型具有三个较关键的油耗影响因子：发动机机械摩擦损失、交流发电机能耗及传动系统损失。

为了直观预测改善各个因子对油耗的影响程度，本文基于AMESim，根据研究车型的整车物理架构、各部件/系统结构及性能参数、测试数据搭建其整车模型，以仿真的方式量化影响效果，为实际工程开发指导方向[5]。

根据研究车型与对标车型测试数据的详细对比分析，本文主要在整车模型上进行了以下仿真（参照对标车型）：（1）在实际FMEP基础上降低10%；（2）将交流发电机改成根据蓄电池SOC和电压状态智能控制的发电机；（3）优化变速器的锁止策略，使其与对标车型性能接近，具体如：在低转速高负荷工况下，锁止离合器在较低扭矩下就实现锁止；（4）在实际制动盘总成阻力基础上降低10%。整车模型优化仿真结果与实车验证结果对比，见表2。

表2 整车模型优化仿真结果与实车测试结果对比

优化方案（参照对标车型）油耗优化率/% 模型仿真结果实车验证结果 降低发动机机械摩擦1.351.3 降低制动器总成阻力2.62.38 优化变速器锁止策略2.512.34 优化发电机控制策略2.182.05 降低制动器总成阻力+优化变速器锁止策略+优化发电机控制策略6.656.44

由表2可知：基于AMESim采用仿真预测各优化措施的效果，是可行且较为准确的。

3 结论

本文基于常温稳态工况和NEDC循环工况，通过测试得到对标车型和研究车型的整车能量分布对比，找到研究车型能耗较大的部位；基于AMESim搭建研究车型的整车模型，参照对标车型采取具体措施对相关部件进行优化仿真，得到各优化措施对整车油耗的影响效果，且仿真结果与实车验证结果基本一致。该方法可以帮助我们有针对性地改善整车油耗，为实际工程开发指明方向。

[1] 倪计民,叶军,严永华,等.基于整车性能的重型车用发动机优化配置[J].内燃机工程,2005(02):76-79.

[2] Qu X, Qi Z, Shi J, et al.Numerical Model of the Temperature Control Curve Linearity of HVAC Module in Automobile Air-Conditioning System and Applications[J].Journal of Thermal Science and Eng- ineering Applications,2010,2(4): 041008.

[3] 仲韵,顾宁,梁乐华,等.基于AMESim的发动机冷却系统的仿真分析[J].交通节能与环保, 2008(1):38-41.

[4] 谭罡风.重型汽车动力传动系热管理系统研究[D].武汉:武汉理工大学,2011.

[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，硕士，就职于郑州升达经贸管理学院交通管理学院，主要研究方向：车辆仿真、新能源汽车等。