新能源汽車扭振系統(tǒng)振動分析與解決方案

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, 在世界各國呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢[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)汽油車上從動力源到傳動系統(tǒng)都有一系列的減振措施來提高駕駛感受。發(fā)動機(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)油門踏板開度信號計算駕駛員的扭矩需求，再根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，建立理想的轉(zhuǎn)速模型。當(dāng)有大的扭矩請求或者扭矩請求降低程度比較大，也就是扭矩變化率較大時，發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)會采用濾波計算方式(通過火路和氣路控制使發(fā)動機(jī)發(fā)出扭矩對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，以減弱由于動力總成間隙和彈性變形引起的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動[2]，離合器也有扭矩減振裝置。而在新能源電動汽車上從動力源到傳動系統(tǒng)均無減振措施[3]，若不采取方法，當(dāng)扭矩變化率較大時，車身產(chǎn)生低頻振動，使得駕駛感受較差。

1 新能源汽車扭振系統(tǒng)分析

1.1 振動系統(tǒng)分析

新能源電動汽車扭振系統(tǒng)和傳統(tǒng)汽車類似，是一個復(fù)雜且多自由度的扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)，其中垂直振動和俯仰振動對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)別在于動力系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)不同，這就造成新能源電動汽車的扭振系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)汽車。要分析新能源電動汽車的扭振系統(tǒng)需將其動力系統(tǒng)及其傳動系統(tǒng)特性了解清楚，針對其不同點進(jìn)行問題分析和解決。動力輸出系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)[4]由驅(qū)動電機(jī)、減速器、傳動軸、驅(qū)動橋、驅(qū)動輪及整車質(zhì)量等部件組成，如圖1所示。

圖1 動力輸出系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)

動力傳遞過程：(1)車輛運行過程中，整車控制器通過采集油門踏板深度和剎車信號判斷駕駛員意圖，并翻譯成相應(yīng)指令發(fā)送給各個控制器單元。(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)傳動系統(tǒng)將扭矩傳遞到車輪端。

1.2 扭振系統(tǒng)振動分析

現(xiàn)電動汽車使用的電機(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，整個車輛先處于穩(wěn)定狀態(tài)，然后在很短的時間內(nèi)突加減力矩，突變的力矩會對整個剛性動力傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生一個反向沖擊力，當(dāng)此反向沖擊力超出剛性系統(tǒng)的承受力，傳動系統(tǒng)扭振特性會導(dǎo)致產(chǎn)生一種低頻的抖動現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為車身振動，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，對電動汽車的舒適性提出了很大的挑戰(zhàn)[6]。圖2為某新能源電動汽車起步和急加減速時電機(jī)轉(zhuǎn)速抖動示意：曲線1為整車控制器根據(jù)油門踏板信號發(fā)出的扭矩請求；曲線2為驅(qū)動電機(jī)實際所出扭矩；曲線3為驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖2 某新能源汽車抖動數(shù)據(jù)

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

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

2 電驅(qū)系統(tǒng)扭矩補償方案分析

電驅(qū)系統(tǒng)扭矩補償方案通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(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。目前市場上主流新能源電動汽車用的都是永磁同步電動機(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)動電機(jī)扭矩的調(diào)節(jié)。

2.1 扭矩補償方案的設(shè)計

分析抖動數(shù)據(jù)，車身的振動和驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速波動息息相關(guān)，相互影響和作用。將電機(jī)轉(zhuǎn)速波動抑制下來，也就抑制了車身振動。故檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，根據(jù)驅(qū)動電機(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。理論分析，根據(jù)牛頓第二運動定律：F=ma，物體因受力作用而產(chǎn)生加速度，驅(qū)動電機(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)動電機(jī)運行過程中，實時采集電機(jī)轉(zhuǎn)速，在設(shè)定周期時間T內(nèi)算出電機(jī)的加速度，根據(jù)驅(qū)動電機(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為扭矩補償判斷流程圖。

圖3 扭矩補償判斷流程

車輛上電準(zhǔn)備運行，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)實時轉(zhuǎn)速并開始計時，當(dāng)達(dá)到設(shè)定扭矩調(diào)節(jié)周期，計算加速度，若加速度大于一定閾值，根據(jù)閾值的大小確認(rèn)是否補償。周期循環(huán)執(zhí)行扭矩補償。ts為處理補償周期；vt0為t0時刻轉(zhuǎn)速；vts為ts時刻轉(zhuǎn)速，如圖3所示。

2.2 扭矩補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時進(jìn)行扭矩補償，但扭矩不能夠進(jìn)行無限制的補償。無限制地補償扭矩會使車輛處于不可控狀態(tài)，對整車的安全性產(chǎn)生很大影響?，F(xiàn)設(shè)置最大扭矩補償值Tmax，最大扭矩補償值根據(jù)實車標(biāo)定確定。ts為處理補償周期；vt0為t0時刻轉(zhuǎn)速；vts為ts時刻轉(zhuǎn)速；a為加速度；X為開始補償加速度起始值；Y為補償最大扭矩時對應(yīng)的加速度；Tcommand為扭矩指令；Tmax為最大補償扭矩；T為實際所出扭矩。

判斷過程如下，確定是否需要補償。

(1)

若|a|≤X則不進(jìn)行扭矩補償

T=Tcommand

(2)

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

(1)若|a|≥Y時，即加速度的絕對值大于等于補償最大扭矩對應(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)行扭矩補償，從而抑制轉(zhuǎn)速的跳動和車身的振動。具體流程如圖4所示。

圖4 扭矩補償策略流程

3 測試結(jié)果和驗證

基于上述扭矩補償控制策略，確定參數(shù)應(yīng)用到實車上進(jìn)行標(biāo)定。由圖5可以看出，車輛在起步和急加減速時轉(zhuǎn)速波動得到了明顯抑制，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)對最大補償扭矩進(jìn)行限制的基礎(chǔ)上，整車控制器也對驅(qū)動電機(jī)扭矩補償策略進(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)扭矩補償設(shè)置扭矩補償標(biāo)志位，若檢測到轉(zhuǎn)速波動較大，進(jìn)行扭矩補償時將扭矩補償標(biāo)志位置位。

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

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

5 結(jié)論

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