混合動力轎車純電動模式起步時縱向抖振的試驗研究與控制

張立軍，鄭 鵬，孟德建，鄧海燕，張舟云

(1.同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201804; 2.上海電驅(qū)動有限公司技術中心，上海 200240)

前言

混合動力汽車通過系統(tǒng)的能量管理與動力協(xié)調(diào)控制，能夠顯著改善燃料經(jīng)濟性，并大幅降低污染物排放［1-2］。但是，若動力系統(tǒng)匹配不合理，協(xié)調(diào)控制不平順，則會由于內(nèi)燃機和電機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速波動以及動力切換過程中的沖擊，在各種運行工況和工作模式下產(chǎn)生各種 NVH(noise，vibration and harshness)問題，嚴重損害車輛的舒適性和駕駛性，甚至惡化燃料經(jīng)濟性和排放性能［3-4］。因此，動力系統(tǒng)的NVH設計、分析與控制是混合動力汽車開發(fā)的關鍵技術之一，倍受關注。

目前，國內(nèi)外關于混合動力系統(tǒng)的NVH研究主要集中在以下3個方面:(1)動力總成啟停的瞬態(tài)振動與噪聲［5-10］;(2)動力總成的懸置系統(tǒng)匹配設計［11-12］;(3)動力傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)形式的振動與噪聲等［13-16］。其中，日本TOYOTA公司的混合動力汽車NVH分析與控制工作系統(tǒng)處于明顯的領先地位［9-10］。但是，對于混合動力汽車沖擊與振動的研究很少［17］，尚未有文獻涉及純電動模式下的起步抖振問題。

某款強混合動力轎車在純電動起步緩加速及慢速爬緩坡情況下存在嚴重縱向抖振問題，本文中通過試驗與仿真相結合的手段進行剖析，明確了振源和影響因素，并提出控制措施，改進了起步加速性能。

1 混合動力轎車縱向抖振

1.1 混合動力轎車動力系統(tǒng)

圖1所示為采用雙電機的強混合動力轎車的動力傳動系統(tǒng)的原理示意圖。該雙電機強混合動力系統(tǒng)具有多種驅(qū)動模式和制動回饋功能，性能優(yōu)越。有關詳細的系統(tǒng)配置與工作原理見文獻［18］。其中，當驅(qū)動電機(TM)越過自動變速器(AMT)直接通過鏈傳動驅(qū)動汽車前軸時，就形成了純電驅(qū)動的工作模式。為避免在低速、小負荷下由內(nèi)燃機驅(qū)動汽車，在車輛起步時常常采用純電動模式，以降低油耗和排放。試驗車輛采用的驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)矩和額定功率為60N·m和10kW，峰值轉(zhuǎn)矩和峰值功率分別為110N·m和15kW。

1.2 縱向抖振概述

該混合動力轎車在水平路面上以5km/h左右的低速行駛，或以稍低的車速沿緩坡低速爬行時，駕駛員和乘員都能夠明顯感受到車輛前后方向的抖動，以及座椅的低頻振動，有時還會伴隨輕微的低頻噪聲。但在更低的車速，或者更高的車速范圍內(nèi)采用純電動模式行駛時，則無任何振動和噪聲問題發(fā)生。采用內(nèi)燃機驅(qū)動模式時無低速抖振發(fā)生，且抖振的發(fā)生基本與載客人數(shù)無關。

由于發(fā)生縱向抖振的行駛工況與車輛在交叉路口低速起步等待信號燈，以及坡道起步等實際工況非常類似，對駕駛舒適性影響很大，且存在安全隱患，必須消除。

2 道路試驗方法與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗方案設計

根據(jù)車輛縱向抖振發(fā)生的基本工況和駕駛員及乘員的主觀感受情況，結合實際動力系統(tǒng)的特征，形成以下2個基本判斷，作為試驗方案制定的基本依據(jù):(1)抖振僅發(fā)生于純電動模式，電機是可能的振動激勵源;(2)抖振僅僅發(fā)生在特定的車速(電機轉(zhuǎn)速)范圍內(nèi)，可能存在傳動系統(tǒng)的共振環(huán)節(jié)。

基于以上判斷，擬通過客觀測量系統(tǒng)抖振的特征，診斷振動源，識別共振環(huán)節(jié)，制定試驗方案。

(1)根據(jù)車輛基本特性參數(shù)計算車輛在水平路面上低速起步加速時所需的電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，并結合實際測量的車輛加速度進行修正，確定40和60N·m電機恒定加載轉(zhuǎn)矩為試驗工況。轉(zhuǎn)矩指令通過在線CAN通信下達，實現(xiàn)車輛的起步和緩加速;待達到抖振消失車速后，撤銷轉(zhuǎn)矩，車輛減速停車。這種加載方式一方面能夠完全再現(xiàn)抖振現(xiàn)象，另一方面可避免駕駛員操作不一致及主觀因素的影響，提高試驗效率。

(2)為了便于振動源與傳遞路徑的識別與分析，設置同步采樣的信號包括:電機轉(zhuǎn)速與車速(車輪轉(zhuǎn)速)、電機機體和駕駛員座椅導軌的三向振動加速度(測量方向與車輛的通用坐標系方向一致)、電機的A相和C相相電流。其中，測量電機相電流的目的在于波形畸變分析和為電機轉(zhuǎn)矩有限元模型提供輸入數(shù)據(jù)。

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采取時間域和頻率域相結合的方法進行，類似于文獻［19］。本文中以40N·m恒定加載轉(zhuǎn)矩工況為例進行分析。

2.2.1 時間域分析

圖2為40N·m恒定電機轉(zhuǎn)矩起步加速及撤銷轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)動態(tài)響應情況。由圖2分析可知:在起步加速段，電機轉(zhuǎn)速在100～300r/min范圍內(nèi)產(chǎn)生明顯的轉(zhuǎn)速波動，最大轉(zhuǎn)速波動達±50r/min;同時，對應于此電機轉(zhuǎn)速范圍的時段內(nèi)(10～14s)，電機機體和座椅導軌振動明顯加劇，駕駛員振動主觀感受惡化;在電機轉(zhuǎn)矩撤銷瞬間，產(chǎn)生沖擊振動;在滑行減速段，無明顯轉(zhuǎn)速波動與振動發(fā)生。

2.2.2 時頻分析

圖3為40N·m恒定電機轉(zhuǎn)矩起步加速下電機轉(zhuǎn)速波動的時頻分析三維譜陣圖。由圖3可知:電機轉(zhuǎn)速波動具有明顯的階次關系，尤以第1階信號分量為主，階次關系式為

f=λ·(pn/60)

式中:λ為階次;n為電機轉(zhuǎn)速;p為電機極對數(shù)，此處為4。

在120～225r/min轉(zhuǎn)速之間，對應頻率8～15Hz范圍，電機轉(zhuǎn)矩波動的幅值最大。

圖4顯示了40N·m時電機機體和座椅導軌三向振動加速度中x方向(沿車輛前進方向)的振動加速度的時頻分析三維譜陣。結合圖4和圖3分析可知，振動加速度響應與電機轉(zhuǎn)速波動的時頻特性完全一致，說明振動響應來源于電機的激勵。

綜合時間域和時頻的分析結果，可以確定車輛在起步緩加速時的縱向抖振的激勵源是電機，即電機的轉(zhuǎn)矩波動。

表1為不同工況下車輛低速抖振現(xiàn)象出現(xiàn)時電機轉(zhuǎn)速范圍?？梢娫?種工況下電機轉(zhuǎn)速均為160～200r/min時出現(xiàn)抖動，同時伴隨著電機轉(zhuǎn)矩和振動加速度增大。

表1 不同工況下車輛低速抖振現(xiàn)象出現(xiàn)時電機轉(zhuǎn)速范圍r/min

3 電流畸變及其引起的電機轉(zhuǎn)矩波動分析

3.1 電流的畸變分析

引起電機轉(zhuǎn)矩波動的原因通常是電機氣隙磁場和電機供電電流不同階次的諧波［19］，通過優(yōu)化電機設計和改進制造工藝可以有效地減小電機氣隙磁場引起的轉(zhuǎn)矩波動［20］。因此本文中研究的重點在于電機轉(zhuǎn)矩波動與定子繞組電流畸變間的關系。

圖5為電機A相電流信號的時域局部展開。由于永磁轉(zhuǎn)子的勵磁磁場和定子繞組的空間分布不是理想的正弦波，同時定子電流中存在高次諧波［21］，電流信號在整個時域范圍內(nèi)并不是理想的正弦波形，存在一定的畸變。特別在電機轉(zhuǎn)矩波動變大時(圖5中12s附近)，電流信號峰值處發(fā)生較明顯的畸變，簡諧波型的波峰偏離中心位置，對稱性變差。初步推斷，電流的高階成分對電機的轉(zhuǎn)矩波動有很大影響。

進一步分析電流及其各階次分量的特征。將Gabor階次跟蹤技術用于加速過程中電機電流信號的分析，探索電流不同階次與轉(zhuǎn)矩的相關性。分析步驟如下:①采用適當?shù)膮?shù)對信號進行Gabor變換得到時頻譜圖;②通過時頻分布利用峰值搜索法獲得各階信號的瞬時頻率;③計算各瞬時頻率在時頻面上的坐標;④設定濾波帶寬，采用遮隔法提取各階分量的Gabor系數(shù);⑤由Gabor展開實現(xiàn)選定信號分量的信號重構，得到階次波形［22］。

圖6所示為電機A相電流的時頻分析圖。由圖6可知，電機電流在整個時域范圍內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的階次特征，當電機轉(zhuǎn)矩波動變大時，電流的第2、6階分量幅值也明顯變大。

圖7所示為使用遮隔(Mask)法，對各信號分量分離后進行重構的時域圖。由于前5s內(nèi)各階階次重合，圖中各階次時域信號在5s后較為準確。由圖7可見，第2、6階次分量在轉(zhuǎn)矩波動變大時也同時增大，驗證了時頻分析的結果并得出結論:電機轉(zhuǎn)矩波動的變化是由于電機電流第2、6階次分量引起的。

3.2 電機轉(zhuǎn)矩波動分析

采用Maxswell軟件建立永磁同步電機模型，通過有限元仿真預測電機的轉(zhuǎn)矩波動。由于道路試驗中轉(zhuǎn)矩指令通過在線CAN通信方式下達，從CAN總線中獲取的數(shù)據(jù)只是理想的轉(zhuǎn)矩參數(shù)曲線，而電機參數(shù)隨著運行狀態(tài)變化，以固定的參數(shù)代入方程求解會帶來很大的誤差，傳統(tǒng)的參數(shù)計算方法也很難精確計算永磁電機參數(shù)，此外，實測電機轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)受到各種因素的影響，準確度不高，因此采用有限元預測轉(zhuǎn)矩波動。

在對電流分析的基礎上建立Ansoft電機有限元模型，排除了定子繞組電流外其他因素的干擾，揭示激勵源與電流畸變的關系。建模具體步驟為:①構建電機幾何模型;②定義并賦予部件材料屬性;③加載激勵源(定子繞組電流)并定義邊界條件;④設定求解參數(shù)(網(wǎng)格剖分等)并進行后處理［23］。

圖8為電機二維有限元模型，顏色深淺變化表示磁感應強度B與電磁轉(zhuǎn)矩T的比值，通過輸入定子繞組電流可以計算電機的電磁轉(zhuǎn)矩輸出。

圖9所示為40N·m恒定電機加載轉(zhuǎn)矩工況下使用有限元分析得出的電機轉(zhuǎn)矩隨時間變化圖和時域分析。模型輸入為試驗得到的存在畸變的定子繞組電流。分析可知，轉(zhuǎn)矩信號在整個時間歷程內(nèi)都存在波動，轉(zhuǎn)矩波動約為9.3% ～25.5%，在13s附近波動最大，結合系統(tǒng)的動態(tài)響應可知，當電機輸出轉(zhuǎn)矩波動變大時，電機轉(zhuǎn)速也出現(xiàn)明顯的波動，同時，電機機體和座椅導軌發(fā)生相應的劇烈振動。通過對其進行3D譜陣分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩信號主要以1階頻率為主，并伴隨有2階和6階高階分量，轉(zhuǎn)矩波動變大時能量變大。

相關文獻研究提出［19］，電機電流的高階分量主要是由于逆變器開關頻率和電流傳感器誤差造成的。在逆變器供電下，逆變器開關效應引起電流以逆變器開關頻率波動，繼而引起轉(zhuǎn)矩也以同樣頻率波動。開關頻率越高，轉(zhuǎn)矩波動越小;開關頻率越低，轉(zhuǎn)矩波動越大。但開關頻率受功率損耗的限制不能無限增大，始終會對轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生一定的影響。轉(zhuǎn)矩波動頻率等于開關頻率的整數(shù)倍，開關頻率越低，轉(zhuǎn)矩波動的幅值越大。同時，電機通過測量兩相電流進行反饋控制。由于電流傳感器存在的直流偏移和兩個傳感器增益不等兩種誤差，導致電流產(chǎn)生1階和2階的波動，對轉(zhuǎn)矩輸出造成影響。

4 電流品質(zhì)改善與電機轉(zhuǎn)矩波動抑制效果

由上分析，通過抑制電機電流畸變可控制電機轉(zhuǎn)矩的波動，進而顯著改善車輛起步加速的平順性。

對于由逆變器開關頻率造成的轉(zhuǎn)矩波動，文獻［24］中提出將基于單周控制和滯環(huán)控制的雙頻逆變器用于電機調(diào)速系統(tǒng)，低頻開關對高頻開關處理的電流進行了分流，傳遞大部分功率，減少了開關損耗;高頻部分傳遞小部分功率，提高系統(tǒng)動態(tài)響應，以達到降低電流諧波含量的目的。

對于電流傳感器誤差造成的轉(zhuǎn)矩波動，可使用雙精度電流傳感器代替原有的電流互感器，實現(xiàn)對不同大小電流在不同量程下的精確測量，減小測量誤差。

綜合考慮各種解決方案的優(yōu)劣和實際成本以及安裝等因素，對原有系統(tǒng)進行了改進。在定子電壓矢量定向坐標系中采用加入頻率補償器的方法來動態(tài)調(diào)整頻率，使有功功率保持不變，從而抑制電流振蕩。同時對于傳感器測量的A、C相電流進行相應的濾波處理，避免調(diào)整頻率的巨大波動。改進方案降低了電機電流中的畸變成分，并保持了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在原有的變頻調(diào)速裝置上僅由軟件實現(xiàn)，節(jié)約了成本。圖10為改進后系統(tǒng)的A相電流時域波形。對比圖5可知，電流信號中簡諧波型的對稱性明顯改善。

將改進后的系統(tǒng)進行恒轉(zhuǎn)矩加載工況試驗。試驗結果如圖11和圖12所示。由圖可見:改進后的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速波動和振動加速度的幅值大幅減低;在原試驗中電機轉(zhuǎn)速達到160～180r/min時出現(xiàn)的電機轉(zhuǎn)矩和振動加速度波動明顯減小;在電機轉(zhuǎn)速波動最大的時刻(10～14s)，電機轉(zhuǎn)速和電機與座椅導軌處振動幅值均為原來的1/3或者更低。這是因為電機定子繞組電流相比之前高階分量減小，進而獲得了更小的轉(zhuǎn)矩波動，由此說明抑制電機電流畸變顯著改善了車輛起步加速的平順性。

5 結論

研究某新款混合動力轎車在純電動模式起步時存在嚴重的縱向抖振現(xiàn)象及其振動來源和控制方法，結論如下。

(1)定子繞組電流階次分量產(chǎn)生的電機轉(zhuǎn)矩波動是導致車輛低速小負荷下的起步加速縱向抖振的主要因素。

(2)電機電流的高階分量主要是由于逆變器開關頻率和電流傳感器誤差造成的。

(3)通過抑制電機相電流畸變控制電機轉(zhuǎn)矩波動，可以顯著改善車輛起步加速的平順性。

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