CN113565954A - 一种基于工况的换挡优化方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于工况的换挡优化方法和系统，基于整车综合油耗工况曲线和变速箱初版换挡线获取发动机工况点；基于发动机万有特性图可视化发动机工况点，并基于等功率下发动机低燃油消耗的原则对发动机工况点进行优化，获取优化工况点；基于优化工况点获取变速箱优化换挡线，并对变速箱优化换挡线进行整车工况油耗仿真或试验验证。本发明使得发动机在整车综合油耗工况下更多的运行在经济区，降低发动机油耗，提升整车燃油经济性。

Description

一种基于工况的换挡优化方法和系统
技术领域
本发明公开了一种换挡优化方法和系统，属于换挡技术领域，具体公开了一种基于工况的换挡优化方法和系统。
背景技术
自动变速箱因其操作便利，方便用户驾驶等优点，在传统燃油车的使用比例上逐渐增高。同时，基于综合工况的油耗评价是当前法规对整车燃油经济性水平的重要评估手段，对搭载自动变速箱的燃油车，其换挡线的设计和优化将直接影响到发动机工况点的运行工作区域。
中国发明专利CN111379853A的说明书中公开了一种自动变速箱换挡策略的确定方法、装置，该方法包括：在预定的数据库中选取一个换挡点，所述数据库中存储有多个换挡点；根据所选取的换挡点的发动机转速和油门开度、以及预定的发动机转速、发动机扭矩和油门开度三者的对应关系，确定换挡前的发动机扭矩；根据所选取的换挡点的发动机转速和换挡前的发动机扭矩，在发动机万有特性曲线的图像中绘制出换挡前的点；在发动机万有特性曲线的图像中绘制出换挡后的点；调整数据库中所选取的换挡点的发动机转速，直至绘制出的换挡前的点的位置和换挡后的点的位置达到预定的要求。该技术方案存在以下缺陷：1.其不是针对整车综合油耗工况(又被称为驾驶循环工况曲线)所提出的技术方案，故具有局限性；2.其不具可视化发动机工况点[ni，Ti]仅包发动机转速、发动机扭矩，未将工况点挡位信息在发动机万有特性图中进行显示，故无法实现综合工况下优化整车油耗的变速箱换挡线优化。
中国发明专利CN111810624A的说明书中公开了一种换挡规律的确定方法及车辆，其包括：确定升挡车速基准加速踏板开度；确定基准加速踏板开度的升挡车速确定原则；根据升挡车速确定原则计算升挡发动机转速；拟合升挡时发动机转速曲线，并计算各个加速踏板开度对应的升挡发动机转速；根据升挡发动机转速和车辆参数，计算升挡车速点并获得升挡车速曲线；根据加速踏板开度和挡位，获得固定时间长度；根据固定时间长度和升挡线车速计算降挡车速点，并获得降挡车速线根据设定的固定加速踏板开度值调整降挡车速线；将升挡车速线和降挡车速线组成换挡规律。该发明并未给出利用工况点的挡位可视化显示，通过发动机工况点的优化来得到变速箱换挡线的优化方法的技术启示。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，发明提供了一种基于综合工况下优化整车油耗的变速箱换挡线优化方法和系统，其基于初始自动变速箱AT或者DCT变速箱换挡线，按照油耗测试综合工况进行整车油耗工况进行转换得到发动机运行工况点，再根据发动机每一时刻工况点运行所对应的工作区域及挡位信息，采用可视化工况点来判断发动机各时刻工况点是否具备优化提升空间，对于具备优化空间的发动机工况点进行等功率可用挡位的选择，并映射回初始换挡线进行优化挡位换挡线调整，使得发动机在整车综合油耗工况下更多的运行在经济区，降低发动机油耗，提升整车燃油经济性。
本发明公开了一种基于工况的换挡优化方法，包括获取变速箱初版换挡线、整车综合油耗工况曲线和发动机万有特性图，基于整车综合油耗工况曲线和变速箱初版换挡线获取发动机工况点；基于发动机万有特性图可视化发动机工况点，并基于等功率下发动机低燃油消耗的原则对发动机工况点进行优化，获取优化工况点；基于优化工况点获取变速箱优化换挡线，并对变速箱优化换挡线进行整车工况油耗仿真或试验验证。
在本发明的一种优选实施方案中，发动机工况点的获取方法包括：基于整车综合油耗工况曲线获取整车轮边驱动扭矩Ttq和车轮转速ω；基于整车轮边驱动扭矩Ttq、车轮转速ω、变速箱初版换挡线获取各个时刻发动机扭矩Tt、发动机转速n和挡位，每个时刻发动机扭矩Tt、发动机转速n和挡位构成一个发动机工况点。
在本发明的一种优选实施方案中，基于整车综合油耗工况曲线获取车速和加速度，将车速和加速度输入至整车模型；基于整车模型将输入的车速和加速度转换为整车轮边驱动扭矩Ttq和车轮转速ω，将整车轮边驱动扭矩Ttq和车轮转速ω输入至变速箱模型；基于变速箱模型将输入的整车轮边驱动扭矩Ttq和车轮转速ω转换为每个时刻发动机扭矩Tt、发动机转速n和挡位。
在本发明的一种优选实施方案中，所述整车模型与整车重量、整车滑行阻力、整车轮胎尺寸参数相关；所述于变速箱模型与变速箱速比、传动效率和变速箱初版换挡线相关。
在本发明的一种优选实施方案中，发动机工况点可视化的方法包括：基于每个发动机工况点的每个时刻发动机扭矩Tt、发动机转速n和挡位将每个发动机工况点绘制至发动机万有特性图中。
在本发明的一种优选实施方案中，优化工况点的获取方法包括：基于发动机万有特性图中的燃油消耗区域确定待优化的工况点；基于发动机万有特性图中的等功率曲线对上述待优化的工况点的进行优化，待优化的工况点优化方向为在等功率条件下使发动机工作在比油耗低的区域。
在本发明的一种优选实施方案中，基于优化工况点获取变速箱优化换挡线的方法包括：基于发动机万有特性图中获取优化调整后的每个发动机工况点的发动机扭矩Tt、发动机转速n和挡位，基于每个发动机工况点获取变速箱优化换挡线。
在本发明的一种优选实施方案中，变速箱初版换挡线基于整车搭载变速箱各挡速比参数ii和车轮滚动半径参数r获取。
在本发明的一种优选实施方案中，发动机万有特性图为能够可视化发动机转速信息、发动机扭矩信息、发动机工况点挡位信息的万有特性图。
本发明还公开了一种基于工况的换挡优化系统，其包括输入模块，用于获取变速箱初版换挡线、整车综合油耗工况曲线和发动机万有特性图；转换模块，用于将整车综合油耗工况曲线转换为发动机工况点；优化模块，用于将发动机工况点在发动机万有特性图可视化并对其完成优化调整，得到优化工况点；输出模块，用于将优化工况点转换为变速箱优化换挡线。
本发明的有益效果是：本发明基于整车油耗综合工况下发动机的工况点，利用工况点的挡位可视化显示，通过发动机工况点的优化来得到变速箱换挡线的优化方法，使得发动机在整车综合油耗工况下更多的运行在经济区，降低发动机工况点油耗，提升整车燃油经济性；同时，本发明基于发动机转速、发动机扭矩和工况点挡位信息绘制的万有特性图能够对工况点挡位信息与工况点转速、扭矩一对一显示，为后续挡位优化提供基础；进一步的，本发明采用可视化工况点来判断发动机各时刻工况点是否具备优化提升空间，对于具备优化空间的发动机工况点进行等功率可用挡位的选择，并映射回初始换挡线进行优化挡位换挡线调整，使得发动机在整车综合油耗工况下更多的运行在经济区，降低发动机油耗，提升整车燃油经济性；进一步的，本发明提出了针对法规燃油综合工况来对换挡线优化系统，从而提升发动机工况点经济工作区域，达到降低整车油耗的目的。
附图说明
图1为本发明一种基于工况的换挡优化方法的流程图；
图2为本发明一种基于工况的换挡优化方法的变速箱初版换挡线示意图；
图3为本发明一种基于工况的换挡优化方法的整车油耗综合工况转换发动机工况点流程图；
图4为本发明一种基于工况的换挡优化方法的整车WLTC油耗综合工况示意图；
图5为本发明一种基于工况的换挡优化方法的整车油耗综合工况各时刻速度所对应的挡位信息图；
图6为本发明一种基于工况的换挡优化方法的发动机转速-扭矩-功率-燃油消耗率万有特性图；
图7为本发明一种基于工况的换挡优化方法的可视化挡位的发动机工况点示意图。
具体实施方式
下面通过附图以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种基于工况的换挡优化方法，包括获取变速箱初版换挡线、整车综合油耗工况曲线和发动机万有特性图，其特征在于：基于整车综合油耗工况曲线和变速箱初版换挡线获取发动机工况点；基于发动机万有特性图可视化发动机工况点，并基于等功率下发动机低燃油消耗的原则对发动机工况点进行优化，获取优化工况点；基于优化工况点获取变速箱优化换挡线，并对变速箱优化换挡线进行整车工况油耗仿真或试验验证。
在本发明的一种优选实施方案中，发动机工况点的获取方法包括：基于整车综合油耗工况曲线获取整车轮边驱动扭矩Ttq和车轮转速ω；基于整车轮边驱动扭矩Ttq、车轮转速ω、变速箱初版换挡线获取各个时刻发动机扭矩Tt、发动机转速n和挡位，每个时刻发动机扭矩Tt、发动机转速n和挡位构成一个发动机工况点。
在本发明的一种优选实施方案中，基于整车综合油耗工况曲线获取车速和加速度，将车速和加速度输入至整车模型；基于整车模型将输入的车速和加速度转换为整车轮边驱动扭矩Ttq和车轮转速ω，将整车轮边驱动扭矩Ttq和车轮转速ω输入至变速箱模型；基于变速箱模型将输入的整车轮边驱动扭矩Ttq和车轮转速ω转换为每个时刻发动机扭矩Tt、发动机转速n和挡位。
在本发明的一种优选实施方案中，所述整车模型与整车重量、整车滑行阻力、整车轮胎尺寸参数相关；所述于变速箱模型与变速箱速比、传动效率和变速箱初版换挡线相关。
在本发明的一种优选实施方案中，发动机工况点可视化的方法包括：基于每个发动机工况点的每个时刻发动机扭矩Tt、发动机转速n和挡位将每个发动机工况点绘制至发动机万有特性图中。
在本发明的一种优选实施方案中，优化工况点的获取方法包括：基于发动机万有特性图中的燃油消耗区域确定待优化的工况点；基于发动机万有特性图中的等功率曲线对上述待优化的工况点的进行优化，待优化的工况点优化方向为在等功率条件下使发动机工作在比油耗低的区域。
在本发明的一种优选实施方案中，基于优化工况点获取变速箱优化换挡线的方法包括：基于发动机万有特性图中获取优化调整后的每个发动机工况点的发动机扭矩Tt、发动机转速n和挡位，基于每个发动机工况点获取变速箱优化换挡线。
在本发明的一种优选实施方案中，变速箱初版换挡线基于整车搭载变速箱各挡速比参数ii和车轮滚动半径参数r获取。
在本发明的一种优选实施方案中，发动机万有特性图为能够可视化发动机转速信息、发动机扭矩信息、发动机工况点挡位信息的万有特性图。
本发明还公开了一种基于工况的换挡优化系统，其包括输入模块，用于获取变速箱初版换挡线、整车综合油耗工况曲线和发动机万有特性图；转换模块，用于将整车综合油耗工况曲线转换为发动机工况点；优化模块，用于将发动机工况点在发动机万有特性图可视化并对其完成优化调整，得到优化工况点；输出模块，用于将优化工况点转换为变速箱优化换挡线。
下面结合附图对本发明基于综合油耗工况的变速箱换挡线优化方法做出进一步解释：
如图1所示为一种基于综合油耗工况的变速箱换挡线优化方法具体流程；
本发明提供了一种基于综合工况下优化整车油耗的变速箱换挡线优化方法。包括以下步骤：步骤1)根据整车及传动系统等相关参数，制定变速箱初版换挡线；步骤2)根据初版换挡线，按整车综合油耗工况【又被称为驾驶循环工况曲线，常用油耗综合工况有NEDC工况、WLTC工况、CLTC工况等】计算发动机工况点【即发动机每一时刻工作的转速和扭矩构成一个发动机工况点】；步骤3)根据发动机台架测试数据，绘制发动机万有特性图；步骤4)将工况点绘制至发动机万有特性图中，并进行挡位可视化显示；步骤5)对可优化的工况点，进行等功率下发动机低燃油消耗量区域优化；步骤6)按优化工况点信息，进行工况点转速与车速转换绘制生成换挡线；步骤7)输出优化后换挡线，进行整车工况油耗仿真或试验验证。
具体如下：
步骤1、根据整车及传动系统等相关参数，制定变速箱初版换挡线。所述步骤1的具体过程：根据整车搭载变速箱各挡速比参数ii(包含各挡速比及主减速比)及车轮滚动半径参数r信息制定变速箱初版换挡线，如图2所示。初版换挡线的制定为：首先对小油门开度(比如＜30％-35％油门)采用定车速换挡，针对各挡可运行最低转速边界确定定车速换挡
Figure BDA0003129781300000081
其中ni-min为i挡可运行最低转速、r为车轮滚动半径、ii为i挡速比(包含主减速比)；再对大油门开度(比如＞90％-100％油门)采用发动机最大功率点换挡，换挡车速计算为
Figure BDA0003129781300000082
Figure BDA0003129781300000083
其中npower为发动机最大功率点转速；最后对中大油门开度(比如30％-90％油门)换挡车速采用小油门与大油门换挡车速点车速线性连接。以上制定初版换挡线如图1所示；需要指出，本发明的变速箱初版换挡线与CN111859550A、CN105383325A的换挡曲线是同一概念，其获取方法并不限于上述描述，也可以用上述对比文件中的方法获取。
步骤2、基于初始变速箱换挡线，按照油耗测试综合工况进行整车油耗工况进行转换得到发动机运行工况点，需要指出，上述发动机运行工况点与CN112384689A、CN106777553A中公开的发动机运行工况点是同一概念。
所述步骤2的具体过程：本方案采用油耗综合工况以WLTC工况为例(不限于WLTC工况)，整车油耗综合工况是整车车速与时间的关系曲线，该工况如图4所示。
步骤2中整车模型包含整车重量、整车滑行阻力、整车轮胎尺寸。根据输入油耗综合工况车速曲线信息，利用整车滑行阻力公式：FZ＝f0+f1*u+f2*u2计算整车阻力，其中FZ为整车阻力、f0为道路载荷常数项、f1为一次道路载荷常系数、f2为二次道路载荷常系数、u为整车油耗综合工况的车速信息。其中系数f0/f1/f2根据不同车型整车滑行试验获取，并进行设置。
根据汽车行驶方程Ft-FZ＝ma计算整车轮边驱动力，其中Ft为整车轮边驱动力、FZ为上一步计算整车阻力、m为整车重量、a为整车油耗工况曲线每一时刻加速度，根据工况曲线相邻两时刻速度差值与时间差值的比值计算，
Figure BDA0003129781300000091
Figure BDA0003129781300000092
其中ai为i时刻加速度、ui+1为i+1时刻车速、ui为i时刻车速、ti+1为i+1时刻时间、ti为i时刻时间。整车轮边驱动力Ft＝FZ+ma，根据轮边驱动力及车轮半径计算轮边驱动扭矩Ttq＝Ft*r，其中r为整车轮胎尺寸滚动半径。根据车速与车轮转速计算公式u＝ω*r，将油耗综合工况车速转换为车轮转速
Figure BDA0003129781300000093
其中r为整车轮胎尺寸滚动半径。以上完成油耗综合工况转换为整车轮边驱动扭矩Ttq和车轮转速ω。
下一步根据变速箱模型，变速箱模型包含变速箱速比、传动效率和变速箱换挡曲线，进行整车轮边驱动扭矩Ttq和车轮转速ω转换为发动机工况点，即各个时刻发动机扭矩Tt和发动机转速n。首先根据步骤1中的初版换挡线与步骤2中的油耗综合工况速度曲线进行每一时刻变速箱工作挡位判断，挡位判断方法：在第i时刻车速为ui、加速度为ai，加速过程中ai＞0根据初步换挡线中各挡位的升挡线(实线)车速uj升j+1，当ui＞uj升j+1时挡位工作在j挡；减速过程中ai＜0根据初步换挡线中各挡位的降挡线(实线)车速uj+1降j，当ui＞uj+1降j时挡位工作在j+1挡。根据以上判断方法得到整车油耗综合工况各时刻速度所对应的挡位信息，如图5所示。
根据以上整车油耗综合工况各时刻速度所对应的挡位信息，再计算发动机扭矩
Figure BDA0003129781300000101
其中Ttq为上一步计算整车轮边驱动扭矩、ij为第j挡的速比包含主减速比、ηT为传动系统效率。发动机转速n＝ω*ij，ω为上一步计算整车车轮转速，ij为第j挡的速比包含主减速比。以上完成整车油耗综合工况转换发动机工况点。
步骤3、根据发动机台架试验测试数据，绘制发动机万有特性图，需要指出，上述发动机万有特性图与对比文件CN112172824A中公开的发动机万有特性图是同一概念。所述步骤3具体过程为：根据发动机台架试验测试的发动机数据：发动机输出转速n(rpm)、发动机输出扭矩T(Nm)、发动机输出功率P(kW)、燃油消耗量B(kg/h)，通过公式
Figure BDA0003129781300000102
将测试数据燃油消耗量转化为燃油消耗率be(g/kwh)。得到发动机转速-功率-燃油消耗率的万有特性图，如图6所示，其中发动机等功率曲线为图中双曲线、发动机燃油消耗率曲线为闭合的等高线，最靠中间的燃油消耗率曲线为最低燃油消耗率曲线。
步骤4、根据步骤2和步骤3所获得的发动机工况点和万有特性图，以1秒为步长一个工况点将发动机工况点绘制至万有特性图中，现有技术中的发动机工况点[ni，Ti]仅包发动机转速、发动机扭矩，均未将工况点挡位信息在发动机万有特性图中进行显示，本方法将在下一步中对工况点挡位信息与工况点转速、扭矩一对一显示，为后续挡位优化提供基础。
步骤5、优化工况点采用可视化工况点挡位信息，即将各个工况点挡位信息进行与各工况点进行可视化显示，为后续工况点优化提供输入；工况点挡位信息可视化显示方法为：本方法采用Matlab编程进行工况点挡位可视化，首先采用等高线图contour对发动机万有特性图进行绘制，绘制命令为contour(n，T，BSFC)，其中n为发动机万有特性图转速、T为发动机万有特性图扭矩、BSFC为发动机万有特性图燃油消耗率矩阵；再用plot命令对步骤2得到的发动机工况点绘图，绘制命令为plot(ni，Ti)；最后应用给绘图增加说明性函数text对发动机工况的挡位进行挡位信息说明，挡位显示命令为text(ni，Ti，Gi)，其中ni发动机转速，Ti发动机扭矩、Gi该工况点挡位信息。可视化挡位发动机工况点如图7所示。
步骤6、发动机工况点优化方向为在等功率条件下使发动机工作在比油耗低的区域，示例如图6中A，B，C三点为运行在等功率曲线上的3个发动机工况点，在相同功率下三点燃油消耗率关系为：bB＜bC＜bA，即相同功率下运行在B点最经济，油耗最低。同时根据步骤5所述可视化工况点挡位信息进行综合工况进行发动机工况点挡位优化，优化原则如上所述即使发动机工况点按照等功率运行至发动机比油耗低的区域。例如图5红色方框左上区域向右下发动机经济区域进行优化，达到提升发动机工况点经济区域，达到降低整车油耗的目的。
步骤7、根据步骤6所述优化发动机工况点后，将优化后发动机工况点挡位映射回初始换挡线进行优化挡位换挡线调整，得到优化后的换挡线；具体发动机工况点与换挡线调整方法如下：根据优化调整后的发动机工况点(ni，Ti，Gi)信息，转速ni和挡位Gi信息采用转速与车速计算公式：
Figure BDA0003129781300000111
其中r为车轮滚动半径，iGi为Gi挡位的速比。以上便完成了优化后工况点转换为换挡车速，将该车速调整换挡线中可得优化后的换挡线。
步骤8、根据步骤7所述优化后的换挡线作为整车工况油耗仿真及试验验证输入，进行优化换挡线的整车工况油耗验证。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于工况的换挡优化方法，包括获取变速箱初版换挡线、整车综合油耗工况曲线和发动机万有特性图，其特征在于：基于整车综合油耗工况曲线和变速箱初版换挡线获取发动机工况点；基于发动机万有特性图可视化发动机工况点，并基于等功率下发动机低燃油消耗的原则对发动机工况点进行优化，获取优化工况点；基于优化工况点获取变速箱优化换挡线，并对变速箱优化换挡线进行整车工况油耗仿真或试验验证。
2.根据权利要求1所述的基于工况的换挡优化方法，其特征在于：发动机工况点的获取方法包括：基于整车综合油耗工况曲线获取整车轮边驱动扭矩Ttq和车轮转速ω；基于整车轮边驱动扭矩Ttq、车轮转速ω、变速箱初版换挡线获取各个时刻发动机扭矩Tt、发动机转速n和挡位，每个时刻发动机扭矩Tt、发动机转速n和挡位构成一个发动机工况点。
3.根据权利要求2所述的基于工况的换挡优化方法，其特征在于：基于整车综合油耗工况曲线获取车速和加速度，将车速和加速度输入至整车模型；基于整车模型将输入的车速和加速度转换为整车轮边驱动扭矩Ttq和车轮转速ω，将整车轮边驱动扭矩Ttq和车轮转速ω输入至变速箱模型；基于变速箱模型将输入的整车轮边驱动扭矩Ttq和车轮转速ω转换为每个时刻发动机扭矩Tt、发动机转速n和挡位。
4.根据权利要求3所述的基于工况的换挡优化方法，其特征在于：所述整车模型与整车重量、整车滑行阻力、整车轮胎尺寸参数相关；所述于变速箱模型与变速箱速比、传动效率和变速箱初版换挡线相关。
5.根据权利要求1所述的基于工况的换挡优化方法，其特征在于：发动机工况点可视化的方法包括：基于每个发动机工况点的每个时刻发动机扭矩Tt、发动机转速n和挡位将每个发动机工况点绘制至发动机万有特性图中。
6.根据权利要求1所述的基于工况的换挡优化方法，其特征在于：优化工况点的获取方法包括：基于发动机万有特性图中的燃油消耗区域确定待优化的工况点；基于发动机万有特性图中的等功率曲线对上述待优化的工况点的进行优化，待优化的工况点优化方向为在等功率条件下使发动机工作在比油耗低的区域。
7.根据权利要求1所述的基于工况的换挡优化方法，其特征在于：基于优化工况点获取变速箱优化换挡线的方法包括：基于发动机万有特性图中获取优化调整后的每个发动机工况点的发动机扭矩Tt、发动机转速n和挡位，基于每个发动机工况点获取变速箱优化换挡线。
8.根据权利要求1所述的基于工况的换挡优化方法，其特征在于：变速箱初版换挡线基于整车搭载变速箱各挡速比参数ii和车轮滚动半径参数r获取。
9.根据权利要求1所述的基于工况的换挡优化方法，其特征在于：发动机万有特性图为能够可视化发动机转速信息、发动机扭矩信息、发动机工况点挡位信息的万有特性图。
10.一种基于工况的换挡优化系统，其特征在于：包括
输入模块，用于获取变速箱初版换挡线、整车综合油耗工况曲线和发动机万有特性图；
转换模块，用于将整车综合油耗工况曲线转换为发动机工况点；
优化模块，用于将发动机工况点在发动机万有特性图可视化并对其完成优化调整，得到优化工况点；
输出模块，用于将优化工况点转换为变速箱优化换挡线。
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