混動車起動異響分析與解決

摘" 要：本文總結了某款雙電機構型混動車起動異響問題的解決方法和過程，對混動車起動異響產生機理和影響因素進行了深入分析。研究表明，起動過程中動力總成本體激勵導致的傳動系齒輪敲擊是產生起動異響的主要原因。控制發動機起動時刻曲軸位置從而減小發動機本體激勵，調整系統慣量或者控制發電機在轉速爬升過程中施加補償扭矩，可以改善動力總成的轉速波動，達到提升起動工況動力總成聲品質的目的。

關鍵詞：雙電機；起動異響；轉速波動

中圖分類號：U464" " " "文獻標識碼：A" " " "文章編號：1005-2550（2024）01-0022-05

Analysis and Solution of Abnormal Noise at Start of Hybrid Vehicle

HU Yu-ning， NIU Wen-bo， YUAN Shuai， ZHU Hao

（ China FAW Group Co.，Ltd， changchun 130013， China ）

Abstract： In order to resolve the abnormal start-up noise issue for a dual-motor type hybrid vehicle， this work carried out an in-depth analysis of the mechanism and root cause of the abnormal start-up noise for this hybrid vehicle. The work shows that the drive train gear rattle caused by the powertrain excitation during the starting process is the main reason for the abnormal starting noise. The powertrain sound quality under start-up process can be effectively improved by controlling the position of the crankshaft at the time of the engine start-up to reduce the excitation， and adjusting the system inertia or applying a compensation torque in the generator during the speed insreasing process to reduce the speed fluctuation of the powertrain.

Key Words： Dual-Motor Hybrid;Abnormal Starting Noise;Speed Fluctuation

前" " 言

混合動力汽車因其節油環保的優勢現如今已成為各大汽車公司研究開發的熱點[1]。與傳統的燃油汽車相比，混合動力汽車在發動機、變速箱、電機數量及能量回收系統動力切換系統方面，都有較大的改變[2]。當前國內主機廠商主流技術路線為雙電機串并聯方案，其構型如圖1所示，該構型兼具串構型和并聯構型的各自優點，在低速和高速工況下都能實現比較好的系統燃油經濟性，其結構也比較簡單，因此應用廣泛[3]。相應的，其NVH優化需求也變得日益迫切。

作為乘用車常用工況，發動機起動工況的振動噪聲水平一直備受消費者關注。為了滿足更好的動力經濟性系統需求，混動車型具有起停機更頻繁的特性，這就要求NVH專業采用更高的標準優化發動機起動工況，提升整車振動噪聲水平。當前，各廠商對起動工況的研究和積累并不充分。王道勇等[4]僅從懸置角度出發對發動機啟停時動力總成懸置系統的設計方法進行了研究。胡云峰[5]、林歆悠[6]、喻金龍[7]等基本是從標定角度出發對起動沖擊問題進行理論控制研究，但對實際工程應用研究較少。

本文以某混合動力車型為研究對象，對起動異響現象的產生原因進行深入分析，同時針對動力總成起動聲品質優化制定了多項計劃并進行驗證，最后提出了針對改善起動異響問題的合理解決方案。

1" " 起動工況異響現象描述

在發動機起動工況下，某雙電機構型混動車產生了能夠明顯感知到的“咔咔”異響，該異響在發動機轉速穩定后就消失了。

通過客觀測量可知，異響發生時刻動力總成本體存在明顯振動激勵，振動與噪聲相位一致，由此可判斷起動異響源為動力總成，總成本體振動可以作為異響嚴重程度的評價依據。圖2所示為發動機起動工況振動噪聲測試的結果。

從圖中的起動過程發動機轉速和總成本體振動的比較可知，異響發生在發動機轉速的上升過程，動力總成振動單向P-P值可以達到45.7g。同時，發動機轉角速度波動偏大。當發動機完成點火，轉速穩定后，異響便消失了。因此，優化起動異響，需要在降低動力總成振動激勵并改善起動轉速波動率兩方面進行。

2" " 起動異響原因分析以及優化方案

雙電機構型混動車發動機起動工作策略如下：

1）收到起機請求信號后，發電機按照預加載扭矩，進行小扭矩預加載，直至發電機轉速達到第一轉速閾值；

2）發電機大扭矩持續爬升，直至達到目標扭矩；

3）發電機維持在目標扭矩，發動機轉速爬升，直至發動機轉速爬升到點火轉速；

4）發動機點火并噴油，且發動機進入轉速控制模式，轉速繼續爬升（此時發電機同步降扭矩），直至從點火轉速達到目標怠速轉速，起機完成。

通過對起動工況客觀測試結果進行分析，可以看出，解決起動異響現象的重點是降低發動機轉速爬升過程中的本體激勵，包括發動機運轉過程機械激勵以及點火瞬間的燃燒激勵。通過總成被動側發電機扭矩控制動力總成轉速波動水平理論上也可行，需要進一步開展相關研究。

2.1" "控制起動過程發動機激勵

為了降低起動過程發動機激勵，首先需要對發動機拖動過程中的激勵源進行分析。在拖動過程中，發動機克服阻力做功，產生激勵。起機過程中發電機拖動發動機，轉速上升的同時壓縮沖程做功，產生激勵。通過對起動過程進行的多樣本評價可知，相同工況下起動異響水平存在差異，統計試驗結果發現異響不可接受的樣本在轉速300r/min時存在激勵，此時發動機各缸建立第一個缸壓峰值，在轉速爬升過程中，壓縮沖程做功，導致扭轉減振器（固有頻率13Hz）共振，放大激勵，因此改善發動機本體激勵需要提高第一個缸壓的峰值轉速。

現代汽車發動機均采用氣門頂置式配氣機構[8]，在發動機起動時刻，將曲軸固定在特定相位，確保起動時刻各缸進氣量均在一定范圍內，因此發動機激勵需要等到曲軸轉過一定角度才足夠改變系統敲擊表現，此時發動機產生的1階激勵頻率避開系統固有頻率，起動過程總成殼體振動P-P值和轉角波動角速度明顯減小，試驗結果如圖3和圖4所示：

為控制發動機起動時刻曲軸相位，采用了發電機控制相位方法，其原理如下：

1）判斷車輛進入停機進程，且發動機的轉速小于預設轉速；

2）HCU（混合動力整車控制器）對曲軸執行閉環位置控制，將發電機的扭矩由停機輔助負扭矩調整為曲軸位置調整扭矩；

3）計算曲軸的預測停止位置，根據預測停止位置計算曲軸的目標停止位置；

4）EMS（發動機管理系統）實時獲取曲軸的實時位置并發送至HCU，根據實時位置和目標停止位置計算曲軸位置調整扭矩的置零時間，在曲軸的實時位置接近目標停止位置時，將曲軸位置調整扭矩置零。

2.2" "改善起動過程轉速波動

混動車發動機起動過程中，轉速爬升段曲軸轉角波動速度大于轉速穩定段，起動異響也發生在轉速爬升段，改善轉速波動水平可以改善起動異響表現。

2.2.1 系統慣量對動力總成轉速波動影響分析

為確定異響源，對動力總成進行如下臺架試驗：

維持輸入端轉速1600r/min恒定，額外施加頻率13Hz，峰值375rad/s2的轉速波動，模擬扭轉減振器基頻對動力總成敲擊異響激勵，評價不同負荷下總成殼體振動，發電機側施加0-60Nm正扭矩，結果如圖5所示：

當扭矩小于50Nm時，殼體振動的時域信號存在明顯的不規則激勵，產生敲擊，當扭矩大于50Nm時敲擊水平可接受，因此產生異響的原因為起動過程發動機轉速波動過大，導致傳動齒輪嚙合處扭矩換向敲擊。

圖6所示為該動力總成的力學模型，通過分析發動機和發電機側慣量以及轉速波動影響可知，合理增大發動機慣量或者減小發電機慣量有利于減小起機轉速波動，改善異響水平，仿真結果如圖7所示：

2.2.2 發電機扭矩補償策略

由動力總成臺架NVH試驗結果可知，適當增大輸入扭矩能夠抑制起動過程中傳動齒輪嚙合處扭矩頻繁過零導致的嚙合方向換向敲擊。為實現上述方案，采用電機扭矩補償策略，基于發電機的快速響應優勢，對發電機轉速信號進行濾波處理得到發電機轉速的波動量，根據波動值施加反饋扭矩來抑制異響產生。

建立如圖8所示的動力學模型，按照如下邏輯進行起動工況扭矩補償仿真：

1）發電機作為起動機拖動發動機起動，它的輸出扭矩先增大后減小，在發動機點火后發電機輸出負扭矩；

2）在發電機扭矩減小階段，識別發電機轉速數據，對發電機轉速波動信號進行平滑處理；

3）根據處理后的結果，乘以一個系數值，作為speed calculation value；

4）調整其由于MCU（電機控制單元）計算所導致的時間延遲，得到對于發電機扭矩模型控制的輸入參數speed to toque data，具體方法為：首先對speed calculation value進行周期分析，計算出實時周期t0；其次分析得到理論MCU處理發電機轉速到最終輸入到原有扭矩模型中所用時間t1；再次用" " " " 得到應延后調整時間；

5）將所述參數speed to toque data與原有模型的輸出值相加，計算得到的結果作為發電機控制參數，用以控制發電機。

圖9所示為按照扭矩補償控制策略對起動轉速波動的仿真結果。從圖中可以看出，在扭矩下降段，采用扭矩補償策略后扭矩過零導致的齒輪敲擊現象消失。

2.2.3 改善轉速波動方案整車評價結果

在控制起動時刻曲軸相位的基礎上，增大發動機飛輪慣量0.029kg·m2，落實扭矩補償策略。最后測試起動工況異響水平，測試結果如圖10所示。改善減小發動機轉速爬升段轉速波動后，起動過程動力總成殼體振動P-P值下降為3.8g，起動異響問題得以解決。

3" " 結論

控制發動機激勵對于解決雙電機構型混動車起動異響問題十分有效。在發動機起動時刻，將曲軸固定在特定相位，可以提高轉速以降低旋轉激勵，從而避免發動機1階激勵頻率引起的系統共振。

改善起動過程轉速波動能夠抑制起動過程中由于傳動齒輪嚙合處扭矩頻繁過零導致的嚙合方向換向敲擊。由于雙電機構型發電機快速響應優勢，通過調整傳動系部件慣量改善轉速波動水平，在起動過程中根據系統轉速波動量施加電機補償也可以改善轉速波動水平，從而抑制敲擊異響的產生。

參考文獻：

[1]岳明玥，周一丹，馬改. 深度混合動力汽NVH問題的研究進展[J]. 機械設計與制造，2015.

[2]喻柄睿.新能源汽車結構特征及NVH性能分析[J]. 汽車工程師，2021.

[3]祝浩，于釗，徐家良. 雙電機混動車輛串并聯模式切換過程設計與實現[J]. 汽車科技，2021.

[4]王道勇，趙學智，上官文斌. 發動機啟停是動力總成懸置系統的設計方法研究[J].振動與沖擊，2018.

[5]胡云峰，顧萬里，梁瑜. 混合動力汽車啟停非線性控制器設計[J]. 吉林大學學報（工學版），2017.

[6]林歆悠，張少博，馮其高.不同續航里程動力輔助系統啟停控制優化[J]. 中國機械工程，2017.

[7]喻金龍.某車型怠速啟停系統原理及其標定[J].汽車工程師，2018

[8]陳家瑞 汽車構造[M] 機械工業出版社，2007.

專家推薦語

康潤程

國家汽車質量檢驗檢測中心（襄陽）NVH專業副總師" 研究員級高級工程師

本文總結了某款雙電機構型混動車起動異響問題的解決方法和過程：針對混動車起動異響產生機理和影響因素的深入分析，表明起動過程中動力總成本體激勵導致的傳動系齒輪敲擊是產生起動異響的主要原因。對某款混動車起動異響現象進行了主觀評價和客觀測量，通過控制發動機起動時刻曲軸位置從而減小發動機本體激勵、調整系統慣量或者控制發電機在轉速爬升過程中施加補償扭矩，可以改善動力總成的轉速波動，達到提升起動工況動力總成聲品質的目的。由此證明該方法有效。

全文結構完整，論點明確、理論正確、論據有效、邏輯性強、可讀性較強。有較好的學術水平，有很好的實際應用價值。

胡宇寧

畢業于吉林大學，本科學歷。現就職于中國第一汽車股份有限公司研發總院仿真中心，任電驅系統NVH主管，主要研究方向為發動機NVH試驗開發，已發表文章《重型柴油機燃燒噪聲優化》。