DM-i超級混動整車抖動機理分析及優化

陳祥禎 趙彤航 田蜀東

比亞迪汽車工業有限公司 廣東省深圳市 518118

1 引言

當下能源安全、環境保護問題日益嚴峻，汽車行業電動化成為中國汽車發展的趨勢。主流汽車廠和新勢力車企都開始大力布局純電動、混合動力汽車。其中最新的、主流的混合動力方案是發動機保持在高效區發電，供應電池存儲或者驅動電機使用；電機負責整車驅動，提高了整車燃油經濟性和降低排放。其已被行業及市場認可，得到消費者青睞。

比亞迪DM-i的超級混動則是這種方案基礎上的進一步加強，以電為主，圍繞大功率電機驅動和大容量動力電池供應為主，發動機為輔，組成的電混構架。其可以純電、串聯、并聯和直驅，不僅油耗低，能帶來如純電動車般的駕駛體驗，同時也能保障強大的動力輸出。如此復雜的動力構架集成在一個總成里，搭載到整車上實現各種運行工況，會產生很多傳統車不具有或不易發生的振動噪聲問題，比如本文將介紹的起步和倒擋整車抖動問題。針對整車抖動問題，行業內也有一些的研究，但都是基于傳統動力較簡單工況的分析，個別涉及混合動力車型抖動實質也是解決傳統動力問題。而DM-i超級混動構架工作是全新模式，工況多，其產生抖動問題原因多，機理也復雜。

本文根據某DM-i車型起步和倒擋上坡產生的抖動問題，闡述此種車型與傳統車型抖動機理和解決方案的特殊性。首先利用Amesim軟件建模復現問題，理論上分析；然后結合實車測試調教，最終完全解決問題。

2 整車動力學模型的建立及標定

2.1 整車模型的建立

根據DM-i車型構架，利用Amesim創建整車動力學模型，包括發動機、飛輪、減發電系統、驅動系統、懸置、車身、車輪、地面等模塊及相關傳感器，創建模型如圖1。

圖1 整車動力學模型

模型創建后，將各模塊零部件相應的尺寸、慣量、質量、剛度、阻尼、安裝坐標、風阻和摩擦參數等基本參數賦予模型，模型基本參數按該車實際設計參數準確輸入。

2.2 整車控制設置

整車良好運行，與各子系統的協調脫不了關系，保障各子系統協調運行的關鍵就是控制策略。Amesim整車模型控制策略主要包括發動機、電機驅動、發電系統三部分的策略。

2.2.1 發動機控制系統

發動機控制系統模擬實際各活塞缸的點火順序來控制各缸的輸出缸壓。點火按照實際氣缸點火順序1-3-4-2，輸出缸壓由曲軸轉速及轉角確定，如圖2所示。若要控制發動機特定轉速運行，則由PID控制器模擬油門開度調節缸壓達到轉速控制目的。發動機硬件及其控制模型如圖1中的“ENGINE ASSEMBLY”部分所示。

圖2 缸壓數據

2.2.2 發電控制系統

發電控制系統按實際發電功率調節發電機磁阻力矩，控制其以特定的功率發電并將電能存儲到電池中，發電系統硬件及其控制模型如圖1中的“GENERATOR”部分所示。

2.2.3 驅動控制系統

電機驅動系統按照實際工作工況需求，控制電機輸出一定扭矩，驅動車輛運行，驅動系統硬件及其控制模型如圖1中的“MOTOR”部分所示。

2.3 模型的標定

以整車全油門起步加速工況標定模型，輸入發動機缸壓和驅動電機扭矩等信息，輸出整車車速、座椅導軌加速度等結果，仿真和試驗結果一致性較好，如圖3所示。

圖3 車內座椅導軌振動曲線

可用此模型進行DM-i整車工況的理論分析。有EV和HEV工作模式，EV模式主要是電機驅動，HEV模式分串聯和并聯，串聯驅動電機提供整車動力，發動機只發電用于直接給驅動電機或者電池存儲，并聯發動機參與驅動助力或者直驅。在實車運行中，整車會根據其運行工況的功率需求選擇不同的工作模式。

3 實車振動問題及解決

3.1 起步抖動問題

某DM-i車型在中大油門起步時，整車抖動明顯，整車起步的同時發動機啟動，小油門時起步無抖動現象，且發動機不同步啟動，部分具體實測數據（40Hz低通）如圖4所示，這里整車抖動用座椅加速度值表示。

圖4 不同油門起步整車抖動對比

基于以上建立仿真模型進行復現分析，因只有全負荷發動機缸壓和電驅扭矩等數據，以此參數輸入進行機理研究。大油門時電驅加載斜率快、扭矩大，引起動力懸置被嚴重壓縮，使其隔振性能變差，當整車低SOC狀態，發動機要及時啟動發電補充能耗，此時發動機同步啟動，這樣發動機的振動很容易從被壓縮的懸置傳遞到了車內，從而引起整車起步抖動問題。另一方面，懸置剛度加大后，通過模型計算，動力懸置系統繞整車Y軸的轉動剛體模態由靜態時的12Hz也提升到20Hz，而抖動發生時刻在發動機啟動時，啟動點火轉速在1200rpm左右，其轉頻瞬態激勵容易激勵起繞總成Y軸的剛體模態，加劇本體振動。從實測結果看其振動頻率也大概在20Hz左右，驗證了這一點。

仿真降低驅動電機的扭矩加載斜率，如全油門工況，把加載時間從0.137s改到0.4s，整車的抖動峰值從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對比

扭矩加載斜率減小，同步發動機啟動時懸置還沒有被壓縮到最大點，隔振性能較好，所以降低了抖動情況；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，都會降低動力性，需要和油門開度及加速感受合理匹配。以上測試和分析結果包含了車輛起步的沖擊，這個沖擊是不振蕩的，人體不敏感，發動機造成的十幾到二十赫茲的抖動是真正抱怨點。

進一步驗證驅動電機起步瞬態加載扭矩最大值和懸置隔振的關系，分析懸置優化空間，結果如表1所示。這里便于分析，濾掉整車沖擊加速度，分析5-40Hz結果。

表1 不同驅動電機扭矩下懸置隔振情況

從表可1以看出，隨著驅動扭矩的增加，左懸置和后懸置隔振性能下降比較明顯，說明其被壓縮到了大剛度非線性段，與仿真預估一致。實車評價驅動電機扭矩加載約170Nm以下時，抖動基本可接受。

結合前面的仿真和試驗分析，為降低此車的大油門起步抖動問題，從以下幾個方面進行優化：

（1）合理匹配大油門的驅動扭矩加載斜率和最大值，使油門開度、整車的動力性有良好匹配前提下，降低抖動。（2）使發動機啟動時刻不在懸置被較大壓縮的情況下。70%以上油門起步時刻，且電量低于電平衡時，發動機比電驅早啟動0.2-0.4s，對動力性影響也小，點量較多時，晚啟發動機；70%及以下油門起步時刻，先啟動驅動電機，純電駛到30km/h以上時，再啟發動機，這時由于路面的寬頻激勵振動對發動機啟引起的抖動有一定的掩蓋作用，人主觀感受抖動小。（3）降低后懸置非線性段剛度，增加隔振，同時降低總成繞Y軸的剛體模態，盡量與點火激勵錯開。但此動總為三點懸置，輸出最大扭矩300Nm多，后懸置承受扭矩較大，與行業同等扭矩對標，當前懸置剛度已較小，考慮可靠性、匹配驗證周期長等，懸置優化方案實車未開展。

綜上，通過優化加載扭矩和發動機點火時刻，解決了整車起步抖動問題。圖6所示為70%油門同時優化起步扭矩和提前啟動發動機的起步效果，主觀評價也可接受。

圖6 70%油門整車起步優化效果

3.2 倒擋上坡抖動問題

某DM-i車型除了存在上述起步抖動問題，其在倒擋車速上陡坡時，也存在整車抖動，且伴有整車轟鳴，實測為發動機2階激勵引起。結合仿真模型理論分析，其和起步抖動有相似的機理。虧電模式下，倒擋上陡坡，驅動電機輸出反向大扭矩，發動機1400rpm、15kw發電，此時懸置被反向壓縮到非線性段，隔振變差，發動機激勵通過懸置傳遞到車內，并激勵起方向盤、車身共振。發動機1400rpm其2階激勵頻約46Hz，另方向盤的1階模態，和車身整體扭轉模態、頂棚模態和車內1階聲腔模態都在這個數值附近，需要激勵源或者結構設計避頻。

由于硬件改進周期長、成本高，優先整車策略優化。實車虧電狀態下，當坡度較小時，不改轉速，降低扭矩，減小激勵；當坡度大時，提高發動機轉速和降低發電扭矩，這樣既能避開車身和方向盤共振頻率，又能保證發電功率滿足能耗。策略優化前后測試多組數據，結果如圖7所示，紅色線原方案，綠色線優化方案。

圖7 優化前后車身抖動對比

通過上圖可以看出改善效果明顯，主觀評價也無抱怨。

4 結語

本文對某DM-i超級混動車型建立整車一維仿真模型，復現實車起步和倒擋上坡整車抖動問題。仿真分析整車大油門起步，調整驅動電機加載扭矩和斜率，以及提前或延后發動機啟動時刻；仿真分析倒擋上坡，根據坡度情況，降低發電扭矩，或者提升發電轉速再減低扭矩。最終根據仿真優化方案，并在實車上實施調試，解決問題。

對于DM-i這種混動構架，發動機運行和整車運行基本是解耦狀態，運行工況復雜多變，帶來新的NVH抱怨，通過基于NVH性能、兼顧動力性和能耗的整車策略的精準化控制，能為混動車型的NVH性能開發提供非常有效方案。