DM-i超級(jí)混動(dòng)整車抖動(dòng)機(jī)理分析及優(yōu)化

陳祥禎 趙彤航 田蜀東

比亞迪汽車工業(yè)有限公司 廣東省深圳市 518118

1 引言

當(dāng)下能源安全、環(huán)境保護(hù)問(wèn)題日益嚴(yán)峻，汽車行業(yè)電動(dòng)化成為中國(guó)汽車發(fā)展的趨勢(shì)。主流汽車廠和新勢(shì)力車企都開始大力布局純電動(dòng)、混合動(dòng)力汽車。其中最新的、主流的混合動(dòng)力方案是發(fā)動(dòng)機(jī)保持在高效區(qū)發(fā)電，供應(yīng)電池存儲(chǔ)或者驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用；電機(jī)負(fù)責(zé)整車驅(qū)動(dòng)，提高了整車燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放。其已被行業(yè)及市場(chǎng)認(rèn)可，得到消費(fèi)者青睞。

比亞迪DM-i的超級(jí)混動(dòng)則是這種方案基礎(chǔ)上的進(jìn)一步加強(qiáng)，以電為主，圍繞大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)和大容量動(dòng)力電池供應(yīng)為主，發(fā)動(dòng)機(jī)為輔，組成的電混構(gòu)架。其可以純電、串聯(lián)、并聯(lián)和直驅(qū)，不僅油耗低，能帶來(lái)如純電動(dòng)車般的駕駛體驗(yàn)，同時(shí)也能保障強(qiáng)大的動(dòng)力輸出。如此復(fù)雜的動(dòng)力構(gòu)架集成在一個(gè)總成里，搭載到整車上實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行工況，會(huì)產(chǎn)生很多傳統(tǒng)車不具有或不易發(fā)生的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，比如本文將介紹的起步和倒擋整車抖動(dòng)問(wèn)題。針對(duì)整車抖動(dòng)問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)也有一些的研究，但都是基于傳統(tǒng)動(dòng)力較簡(jiǎn)單工況的分析，個(gè)別涉及混合動(dòng)力車型抖動(dòng)實(shí)質(zhì)也是解決傳統(tǒng)動(dòng)力問(wèn)題。而DM-i超級(jí)混動(dòng)構(gòu)架工作是全新模式，工況多，其產(chǎn)生抖動(dòng)問(wèn)題原因多，機(jī)理也復(fù)雜。

本文根據(jù)某DM-i車型起步和倒擋上坡產(chǎn)生的抖動(dòng)問(wèn)題，闡述此種車型與傳統(tǒng)車型抖動(dòng)機(jī)理和解決方案的特殊性。首先利用Amesim軟件建模復(fù)現(xiàn)問(wèn)題，理論上分析；然后結(jié)合實(shí)車測(cè)試調(diào)教，最終完全解決問(wèn)題。

2 整車動(dòng)力學(xué)模型的建立及標(biāo)定

2.1 整車模型的建立

根據(jù)DM-i車型構(gòu)架，利用Amesim創(chuàng)建整車動(dòng)力學(xué)模型，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、飛輪、減發(fā)電系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、懸置、車身、車輪、地面等模塊及相關(guān)傳感器，創(chuàng)建模型如圖1。

圖1 整車動(dòng)力學(xué)模型

模型創(chuàng)建后，將各模塊零部件相應(yīng)的尺寸、慣量、質(zhì)量、剛度、阻尼、安裝坐標(biāo)、風(fēng)阻和摩擦參數(shù)等基本參數(shù)賦予模型，模型基本參數(shù)按該車實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)確輸入。

2.2 整車控制設(shè)置

整車良好運(yùn)行，與各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)脫不了關(guān)系，保障各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的關(guān)鍵就是控制策略。Amesim整車模型控制策略主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、發(fā)電系統(tǒng)三部分的策略。

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)模擬實(shí)際各活塞缸的點(diǎn)火順序來(lái)控制各缸的輸出缸壓。點(diǎn)火按照實(shí)際氣缸點(diǎn)火順序1-3-4-2，輸出缸壓由曲軸轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角確定，如圖2所示。若要控制發(fā)動(dòng)機(jī)特定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，則由PID控制器模擬油門開度調(diào)節(jié)缸壓達(dá)到轉(zhuǎn)速控制目的。發(fā)動(dòng)機(jī)硬件及其控制模型如圖1中的“ENGINE ASSEMBLY”部分所示。

圖2 缸壓數(shù)據(jù)

2.2.2 發(fā)電控制系統(tǒng)

發(fā)電控制系統(tǒng)按實(shí)際發(fā)電功率調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)磁阻力矩，控制其以特定的功率發(fā)電并將電能存儲(chǔ)到電池中，發(fā)電系統(tǒng)硬件及其控制模型如圖1中的“GENERATOR”部分所示。

2.2.3 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按照實(shí)際工作工況需求，控制電機(jī)輸出一定扭矩，驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件及其控制模型如圖1中的“MOTOR”部分所示。

2.3 模型的標(biāo)定

以整車全油門起步加速工況標(biāo)定模型，輸入發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓和驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩等信息，輸出整車車速、座椅導(dǎo)軌加速度等結(jié)果，仿真和試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，如圖3所示。

圖3 車內(nèi)座椅導(dǎo)軌振動(dòng)曲線

可用此模型進(jìn)行DM-i整車工況的理論分析。有EV和HEV工作模式，EV模式主要是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，HEV模式分串聯(lián)和并聯(lián)，串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供整車動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)只發(fā)電用于直接給驅(qū)動(dòng)電機(jī)或者電池存儲(chǔ)，并聯(lián)發(fā)動(dòng)機(jī)參與驅(qū)動(dòng)助力或者直驅(qū)。在實(shí)車運(yùn)行中，整車會(huì)根據(jù)其運(yùn)行工況的功率需求選擇不同的工作模式。

3 實(shí)車振動(dòng)問(wèn)題及解決

3.1 起步抖動(dòng)問(wèn)題

某DM-i車型在中大油門起步時(shí)，整車抖動(dòng)明顯，整車起步的同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，小油門時(shí)起步無(wú)抖動(dòng)現(xiàn)象，且發(fā)動(dòng)機(jī)不同步啟動(dòng)，部分具體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（40Hz低通）如圖4所示，這里整車抖動(dòng)用座椅加速度值表示。

圖4 不同油門起步整車抖動(dòng)對(duì)比

基于以上建立仿真模型進(jìn)行復(fù)現(xiàn)分析，因只有全負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓和電驅(qū)扭矩等數(shù)據(jù)，以此參數(shù)輸入進(jìn)行機(jī)理研究。大油門時(shí)電驅(qū)加載斜率快、扭矩大，引起動(dòng)力懸置被嚴(yán)重壓縮，使其隔振性能變差，當(dāng)整車低SOC狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)要及時(shí)啟動(dòng)發(fā)電補(bǔ)充能耗，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)同步啟動(dòng)，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)很容易從被壓縮的懸置傳遞到了車內(nèi)，從而引起整車起步抖動(dòng)問(wèn)題。另一方面，懸置剛度加大后，通過(guò)模型計(jì)算，動(dòng)力懸置系統(tǒng)繞整車Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)剛體模態(tài)由靜態(tài)時(shí)的12Hz也提升到20Hz，而抖動(dòng)發(fā)生時(shí)刻在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速在1200rpm左右，其轉(zhuǎn)頻瞬態(tài)激勵(lì)容易激勵(lì)起繞總成Y軸的剛體模態(tài)，加劇本體振動(dòng)。從實(shí)測(cè)結(jié)果看其振動(dòng)頻率也大概在20Hz左右，驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

仿真降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩加載斜率，如全油門工況，把加載時(shí)間從0.137s改到0.4s，整車的抖動(dòng)峰值從4.49m/s降低到1.77m/s^2（40Hz低通），降低了60%，效果顯著，如圖5所示。

圖5 降低扭矩加載斜率整車抖動(dòng)對(duì)比

扭矩加載斜率減小，同步發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)懸置還沒(méi)有被壓縮到最大點(diǎn)，隔振性能較好，所以降低了抖動(dòng)情況；如果保持加載斜率不變，降低最大扭矩值具有同樣的效果，機(jī)理上是相同的。但是如果降低加載斜率或者最大扭矩值，都會(huì)降低動(dòng)力性，需要和油門開度及加速感受合理匹配。以上測(cè)試和分析結(jié)果包含了車輛起步的沖擊，這個(gè)沖擊是不振蕩的，人體不敏感，發(fā)動(dòng)機(jī)造成的十幾到二十赫茲的抖動(dòng)是真正抱怨點(diǎn)。

進(jìn)一步驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電機(jī)起步瞬態(tài)加載扭矩最大值和懸置隔振的關(guān)系，分析懸置優(yōu)化空間，結(jié)果如表1所示。這里便于分析，濾掉整車沖擊加速度，分析5-40Hz結(jié)果。

表1 不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩下懸置隔振情況

從表可1以看出，隨著驅(qū)動(dòng)扭矩的增加，左懸置和后懸置隔振性能下降比較明顯，說(shuō)明其被壓縮到了大剛度非線性段，與仿真預(yù)估一致。實(shí)車評(píng)價(jià)驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩加載約170Nm以下時(shí)，抖動(dòng)基本可接受。

結(jié)合前面的仿真和試驗(yàn)分析，為降低此車的大油門起步抖動(dòng)問(wèn)題，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：

（1）合理匹配大油門的驅(qū)動(dòng)扭矩加載斜率和最大值，使油門開度、整車的動(dòng)力性有良好匹配前提下，降低抖動(dòng)。（2）使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻不在懸置被較大壓縮的情況下。70%以上油門起步時(shí)刻，且電量低于電平衡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)比電驅(qū)早啟動(dòng)0.2-0.4s，對(duì)動(dòng)力性影響也小，點(diǎn)量較多時(shí)，晚啟發(fā)動(dòng)機(jī)；70%及以下油門起步時(shí)刻，先啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，純電駛到30km/h以上時(shí)，再啟發(fā)動(dòng)機(jī)，這時(shí)由于路面的寬頻激勵(lì)振動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟引起的抖動(dòng)有一定的掩蓋作用，人主觀感受抖動(dòng)小。（3）降低后懸置非線性段剛度，增加隔振，同時(shí)降低總成繞Y軸的剛體模態(tài)，盡量與點(diǎn)火激勵(lì)錯(cuò)開。但此動(dòng)總為三點(diǎn)懸置，輸出最大扭矩300Nm多，后懸置承受扭矩較大，與行業(yè)同等扭矩對(duì)標(biāo)，當(dāng)前懸置剛度已較小，考慮可靠性、匹配驗(yàn)證周期長(zhǎng)等，懸置優(yōu)化方案實(shí)車未開展。

綜上，通過(guò)優(yōu)化加載扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻，解決了整車起步抖動(dòng)問(wèn)題。圖6所示為70%油門同時(shí)優(yōu)化起步扭矩和提前啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的起步效果，主觀評(píng)價(jià)也可接受。

圖6 70%油門整車起步優(yōu)化效果

3.2 倒擋上坡抖動(dòng)問(wèn)題

某DM-i車型除了存在上述起步抖動(dòng)問(wèn)題，其在倒擋車速上陡坡時(shí)，也存在整車抖動(dòng)，且伴有整車轟鳴，實(shí)測(cè)為發(fā)動(dòng)機(jī)2階激勵(lì)引起。結(jié)合仿真模型理論分析，其和起步抖動(dòng)有相似的機(jī)理。虧電模式下，倒擋上陡坡，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出反向大扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)1400rpm、15kw發(fā)電，此時(shí)懸置被反向壓縮到非線性段，隔振變差，發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)通過(guò)懸置傳遞到車內(nèi)，并激勵(lì)起方向盤、車身共振。發(fā)動(dòng)機(jī)1400rpm其2階激勵(lì)頻約46Hz，另方向盤的1階模態(tài)，和車身整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)、頂棚模態(tài)和車內(nèi)1階聲腔模態(tài)都在這個(gè)數(shù)值附近，需要激勵(lì)源或者結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避頻。

由于硬件改進(jìn)周期長(zhǎng)、成本高，優(yōu)先整車策略優(yōu)化。實(shí)車虧電狀態(tài)下，當(dāng)坡度較小時(shí)，不改轉(zhuǎn)速，降低扭矩，減小激勵(lì)；當(dāng)坡度大時(shí)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和降低發(fā)電扭矩，這樣既能避開車身和方向盤共振頻率，又能保證發(fā)電功率滿足能耗。策略優(yōu)化前后測(cè)試多組數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖7所示，紅色線原方案，綠色線優(yōu)化方案。

圖7 優(yōu)化前后車身抖動(dòng)對(duì)比

通過(guò)上圖可以看出改善效果明顯，主觀評(píng)價(jià)也無(wú)抱怨。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某DM-i超級(jí)混動(dòng)車型建立整車一維仿真模型，復(fù)現(xiàn)實(shí)車起步和倒擋上坡整車抖動(dòng)問(wèn)題。仿真分析整車大油門起步，調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)加載扭矩和斜率，以及提前或延后發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻；仿真分析倒擋上坡，根據(jù)坡度情況，降低發(fā)電扭矩，或者提升發(fā)電轉(zhuǎn)速再減低扭矩。最終根據(jù)仿真優(yōu)化方案，并在實(shí)車上實(shí)施調(diào)試，解決問(wèn)題。

對(duì)于DM-i這種混動(dòng)構(gòu)架，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行和整車運(yùn)行基本是解耦狀態(tài)，運(yùn)行工況復(fù)雜多變，帶來(lái)新的NVH抱怨，通過(guò)基于NVH性能、兼顧動(dòng)力性和能耗的整車策略的精準(zhǔn)化控制，能為混動(dòng)車型的NVH性能開發(fā)提供非常有效方案。