新能源汽車扭振系統(tǒng)振動(dòng)分析與解決方案

陶文勇

(奇瑞新能源汽車工程研究院，安徽蕪湖 241000)

0 引言

汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展面臨能源安全與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力, 電動(dòng)汽車作為一種無污染和有效利用能源特性的綠色交通工具, 在世界各國(guó)呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢(shì)[1]。新能源汽車的成熟度相比傳統(tǒng)汽油車在某方面還有所欠缺。本文作者探討的是汽車的扭振系統(tǒng)，在傳統(tǒng)汽油車上從動(dòng)力源到傳動(dòng)系統(tǒng)都有一系列的減振措施來提高駕駛感受。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制管理系統(tǒng)收到駕駛員踏下或松開的油門開度，根據(jù)油門踏板開度信號(hào)計(jì)算駕駛員的扭矩需求，再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，建立理想的轉(zhuǎn)速模型。當(dāng)有大的扭矩請(qǐng)求或者扭矩請(qǐng)求降低程度比較大，也就是扭矩變化率較大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)會(huì)采用濾波計(jì)算方式(通過火路和氣路控制使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出扭矩對(duì)于駕駛員扭矩需求變化有滯后)使發(fā)出的扭矩逐漸達(dá)到需求扭矩，以減弱由于動(dòng)力總成間隙和彈性變形引起的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)[2]，離合器也有扭矩減振裝置。而在新能源電動(dòng)汽車上從動(dòng)力源到傳動(dòng)系統(tǒng)均無減振措施[3]，若不采取方法，當(dāng)扭矩變化率較大時(shí)，車身產(chǎn)生低頻振動(dòng)，使得駕駛感受較差。

1 新能源汽車扭振系統(tǒng)分析

1.1 振動(dòng)系統(tǒng)分析

新能源電動(dòng)汽車扭振系統(tǒng)和傳統(tǒng)汽車類似，是一個(gè)復(fù)雜且多自由度的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)，其中垂直振動(dòng)和俯仰振動(dòng)對(duì)汽車的平順性影響最大。新能源汽車和傳統(tǒng)汽油車最大的區(qū)別在于動(dòng)力系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)不同，這就造成新能源電動(dòng)汽車的扭振系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)汽車。要分析新能源電動(dòng)汽車的扭振系統(tǒng)需將其動(dòng)力系統(tǒng)及其傳動(dòng)系統(tǒng)特性了解清楚，針對(duì)其不同點(diǎn)進(jìn)行問題分析和解決。動(dòng)力輸出系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)[4]由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋、驅(qū)動(dòng)輪及整車質(zhì)量等部件組成，如圖1所示。

圖1 動(dòng)力輸出系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)

動(dòng)力傳遞過程：(1)車輛運(yùn)行過程中，整車控制器通過采集油門踏板深度和剎車信號(hào)判斷駕駛員意圖，并翻譯成相應(yīng)指令發(fā)送給各個(gè)控制器單元。(2)電驅(qū)系統(tǒng)收到整車控制器扭矩指令后輸出需求扭矩，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)將扭矩傳遞到車輪端。

1.2 扭振系統(tǒng)振動(dòng)分析

現(xiàn)電動(dòng)汽車使用的電機(jī)功率都比較大，基本在90 kW以上，甚至達(dá)到120 kW。峰值扭矩最高也達(dá)到300 N·m以上，相比較于傳統(tǒng)汽車，它的機(jī)械特性較硬。當(dāng)汽車起步或者急加減速即扭矩變化率較大時(shí)，整個(gè)車輛先處于穩(wěn)定狀態(tài)，然后在很短的時(shí)間內(nèi)突加減力矩，突變的力矩會(huì)對(duì)整個(gè)剛性動(dòng)力傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)反向沖擊力，當(dāng)此反向沖擊力超出剛性系統(tǒng)的承受力，傳動(dòng)系統(tǒng)扭振特性會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一種低頻的抖動(dòng)現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為車身振動(dòng)，嚴(yán)重影響駕駛感受和舒適性[5]。特別是起步階段的扭振特性，對(duì)電動(dòng)汽車的舒適性提出了很大的挑戰(zhàn)[6]。圖2為某新能源電動(dòng)汽車起步和急加減速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速抖動(dòng)示意：曲線1為整車控制器根據(jù)油門踏板信號(hào)發(fā)出的扭矩請(qǐng)求；曲線2為驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)際所出扭矩；曲線3為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖2 某新能源汽車抖動(dòng)數(shù)據(jù)

由圖2可以看出：驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)際所出扭矩基本完全跟隨整車控制器扭矩請(qǐng)求，但在起步加速和急加減速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速急劇抖動(dòng)，整車駕駛感受是整個(gè)車身在振動(dòng)。

本文作者提出一種驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩補(bǔ)償方案來抑制振動(dòng)，改善駕駛感受。

2 電驅(qū)系統(tǒng)扭矩補(bǔ)償方案分析

電驅(qū)系統(tǒng)扭矩補(bǔ)償方案通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出控制扭矩來削弱因負(fù)荷突變產(chǎn)生的反向沖擊力。目前市場(chǎng)上主流新能源電動(dòng)汽車用的都是永磁同步電動(dòng)機(jī)。通過轉(zhuǎn)速變化的加速度來調(diào)節(jié)d、q軸電流，完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩的調(diào)節(jié)。

2.1 扭矩補(bǔ)償方案的設(shè)計(jì)

分析抖動(dòng)數(shù)據(jù)，車身的振動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)息息相關(guān)，相互影響和作用。將電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)抑制下來，也就抑制了車身振動(dòng)。故檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率，調(diào)節(jié)相應(yīng)的扭矩可抑制電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。理論分析，根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律：F=ma，物體因受力作用而產(chǎn)生加速度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，轉(zhuǎn)速變化快，說明所受力矩較大，需降低扭矩。同理驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率反向增加(急劇減速)，需增加輸出扭矩。

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)采集電機(jī)轉(zhuǎn)速，在設(shè)定周期時(shí)間T內(nèi)算出電機(jī)的加速度，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的加速度來進(jìn)行扭矩的調(diào)節(jié)。若電機(jī)加速度變化過大，則減小輸出扭矩減緩加速度的變化。同理若電機(jī)加速度反向變化過大，則增加輸出扭矩[7]。圖3為扭矩補(bǔ)償判斷流程圖。

圖3 扭矩補(bǔ)償判斷流程

車輛上電準(zhǔn)備運(yùn)行，電機(jī)開始工作。電機(jī)控制器(MCU)利用旋變或者傳感器采集電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速并開始計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定扭矩調(diào)節(jié)周期，計(jì)算加速度，若加速度大于一定閾值，根據(jù)閾值的大小確認(rèn)是否補(bǔ)償。周期循環(huán)執(zhí)行扭矩補(bǔ)償。ts為處理補(bǔ)償周期；vt0為t0時(shí)刻轉(zhuǎn)速；vts為ts時(shí)刻轉(zhuǎn)速，如圖3所示。

2.2 扭矩補(bǔ)償策略及安全功能參數(shù)

由上述討論可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化加速度大于X時(shí)進(jìn)行扭矩補(bǔ)償，但扭矩不能夠進(jìn)行無限制的補(bǔ)償。無限制地補(bǔ)償扭矩會(huì)使車輛處于不可控狀態(tài)，對(duì)整車的安全性產(chǎn)生很大影響?，F(xiàn)設(shè)置最大扭矩補(bǔ)償值Tmax，最大扭矩補(bǔ)償值根據(jù)實(shí)車標(biāo)定確定。ts為處理補(bǔ)償周期；vt0為t0時(shí)刻轉(zhuǎn)速；vts為ts時(shí)刻轉(zhuǎn)速；a為加速度；X為開始補(bǔ)償加速度起始值；Y為補(bǔ)償最大扭矩時(shí)對(duì)應(yīng)的加速度；Tcommand為扭矩指令；Tmax為最大補(bǔ)償扭矩；T為實(shí)際所出扭矩。

判斷過程如下，確定是否需要補(bǔ)償。

(1)

若|a|≤X則不進(jìn)行扭矩補(bǔ)償

T=Tcommand

(2)

若|a|>X，則需要進(jìn)行扭矩補(bǔ)償，以下對(duì)扭矩補(bǔ)償進(jìn)行分析。

(1)若|a|≥Y時(shí)，即加速度的絕對(duì)值大于等于補(bǔ)償最大扭矩對(duì)應(yīng)的加速度。

①若a>0，同向加速。

T=Tcommand-Tmax

(3)

②若a<0，同向減速。

T=Tcommand+Tmax

(4)

(2)X<|a|

①若a>0，同向加速。

T=Tcommand-Tmax[(a-X)/(Y-X)]

(5)

②若a<0，同向減速。

T=Tcommand-Tmax[(a+X)/(Y-X)]

(6)

通過判斷加速度a的大小和方向來進(jìn)行扭矩補(bǔ)償，從而抑制轉(zhuǎn)速的跳動(dòng)和車身的振動(dòng)。具體流程如圖4所示。

圖4 扭矩補(bǔ)償策略流程

3 測(cè)試結(jié)果和驗(yàn)證

基于上述扭矩補(bǔ)償控制策略，確定參數(shù)應(yīng)用到實(shí)車上進(jìn)行標(biāo)定。由圖5可以看出，車輛在起步和急加減速時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)得到了明顯抑制，整車駕駛主觀感受得到很大提升。

圖5 該新能源汽車采用扭矩補(bǔ)償方案后參數(shù)曲線

4 異常保護(hù)策略

在電驅(qū)系統(tǒng)對(duì)最大補(bǔ)償扭矩進(jìn)行限制的基礎(chǔ)上，整車控制器也對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩補(bǔ)償策略進(jìn)行監(jiān)控，以達(dá)到整車安全的雙重保護(hù)。

(1)電機(jī)控制器根據(jù)扭矩補(bǔ)償設(shè)置扭矩補(bǔ)償標(biāo)志位，若檢測(cè)到轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，進(jìn)行扭矩補(bǔ)償時(shí)將扭矩補(bǔ)償標(biāo)志位置位。

(2)整車控制器收到扭矩補(bǔ)償標(biāo)志位未置位，按正常扭矩監(jiān)控閾值監(jiān)控電機(jī)扭矩；在收到扭矩補(bǔ)償標(biāo)志位置位時(shí)，擴(kuò)大扭矩監(jiān)控閾值。

(3)電機(jī)控制器告知扭矩補(bǔ)償?shù)淖畲笾?，整車控制器監(jiān)控電機(jī)控制器扭矩補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)，若補(bǔ)償扭矩超過預(yù)定好的最大值，仍上報(bào)扭矩監(jiān)控故障。

5 結(jié)論

實(shí)測(cè)證明，電驅(qū)系統(tǒng)運(yùn)用扭矩補(bǔ)償策略可明顯降低車輛扭振系統(tǒng)帶來的低頻抖動(dòng)現(xiàn)象，提高整車舒適性。輔助以設(shè)置最大補(bǔ)償扭矩值和整車控制器調(diào)整扭矩監(jiān)控策略，對(duì)整車扭矩進(jìn)行雙重保護(hù)，可提高整車安全性。