面向48V系統(tǒng)起動(dòng)敲擊控制的動(dòng)力系統(tǒng)集成及標(biāo)定

龐明

摘要：本文針對(duì)某48V微混車(chē)輛鑰匙起動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)的嚴(yán)重起動(dòng)敲擊問(wèn)題，進(jìn)行了整車(chē)NVH測(cè)試，識(shí)別出起動(dòng)敲擊的產(chǎn)生機(jī)理為鑰匙起動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻轉(zhuǎn)速的劇烈上沖與48V新結(jié)構(gòu)雙向張緊器匹配不當(dāng)所致。在此基礎(chǔ)上，提出了與48V前端輪系相匹配的“點(diǎn)火提前角梯度優(yōu)化”起動(dòng)策略。采用該策略后，鑰匙起動(dòng)過(guò)程中第一次點(diǎn)火后發(fā)動(dòng)機(jī)上沖轉(zhuǎn)速由940rpm降低至700rpm，起動(dòng)過(guò)程更加平順，搖臂敲擊加速度減小50%，敲擊聲音顯著降低，有效解決了該48V車(chē)型起動(dòng)敲擊問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：48V微混;NVH;鑰匙起動(dòng);自動(dòng)起動(dòng);點(diǎn)火提前角

中圖分類(lèi)號(hào)：U461.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0039-04

0? 引言

基于48V技術(shù)的微混技術(shù)，可以在對(duì)原有動(dòng)力總成改造較小的情況下實(shí)現(xiàn)微混[1]，達(dá)到降低油耗與排放[2，3]的效果，是當(dāng)前主流的低成本實(shí)現(xiàn)混動(dòng)的前瞻技術(shù)[4，5]。48V微混系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)原有12V電池的基礎(chǔ)上，增加了48V電池與電機(jī)[6]。微混系統(tǒng)的核心部件48V電機(jī)，除具備傳統(tǒng)12V電機(jī)發(fā)電功能外，還具有自動(dòng)啟停（Auto Start）[7，8]、加速助力[9]（boost）與制動(dòng)能量回收（regen）的功能，即既可以在起動(dòng)及加速工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸提供驅(qū)動(dòng)力，又可以作為曲軸負(fù)載提供車(chē)內(nèi)用電并在車(chē)輛滑行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收（regen）。為實(shí)現(xiàn)48V電機(jī)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)與被動(dòng)負(fù)載的切換，48V MicroBAS發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系張緊器需采用雙向張緊器，前端附件系統(tǒng)較之傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)有了較大改變。

某車(chē)型48V MicroBAS發(fā)動(dòng)機(jī)前端皮帶驅(qū)動(dòng)輪系采用了雙搖臂式張緊器，前端輪系示意圖如圖1所示，包括雙搖臂式雙向張緊器，曲軸皮帶輪與48V電機(jī)。雙搖臂式雙向張緊器有左右兩個(gè)搖臂，兩搖臂中間彈簧連接，為左右兩個(gè)張緊輪提供張緊力，在曲軸驅(qū)動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下實(shí)現(xiàn)雙向皮帶張緊。全新的48V系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)集成匹配造成新的NVH挑戰(zhàn)[10]，在鑰匙起動(dòng)過(guò)程中，雙搖臂式雙向張緊器產(chǎn)生嚴(yán)重的起動(dòng)敲擊，沖擊能量較大，可能造成硬件的破壞，并伴隨強(qiáng)烈的振動(dòng)與噪聲。

本文針對(duì)某48V微混車(chē)輛鑰匙起動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的嚴(yán)重的起動(dòng)敲擊問(wèn)題，進(jìn)行了基于整車(chē)的振動(dòng)與噪聲試驗(yàn)，在深入分析48V前端輪系起動(dòng)敲擊產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)本體起動(dòng)策略與48V前端輪系新結(jié)構(gòu)匹配集成開(kāi)發(fā)，提出了“點(diǎn)火提前角梯度優(yōu)化”的起動(dòng)控制策略，很好的解決了起動(dòng)敲擊問(wèn)題。

1? 48V系統(tǒng)起動(dòng)敲擊NVH試驗(yàn)與產(chǎn)生機(jī)理分析

某48V微混車(chē)輛鑰匙起動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生嚴(yán)重的起動(dòng)敲擊聲，而由48V電機(jī)完成的autostart自動(dòng)起動(dòng)過(guò)程沒(méi)有敲擊異響。針對(duì)鑰匙起動(dòng)與自動(dòng)起動(dòng)的顯著差異，進(jìn)行基于整車(chē)的振動(dòng)與噪聲測(cè)試試驗(yàn)，查找鎖定聲源并進(jìn)行敲擊異響機(jī)理分析。

1.1 基于整車(chē)的起動(dòng)敲擊振動(dòng)與噪聲試驗(yàn)介紹

1.1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為某MicroBAS48V微混車(chē)輛，發(fā)動(dòng)機(jī)為1.3T 48V Micro BAS 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)。經(jīng)聽(tīng)診器初步判斷，認(rèn)為聲源為48V前端輪系雙搖臂式雙向張緊器。

1.1.2 測(cè)點(diǎn)布置

為全面測(cè)量起動(dòng)過(guò)程中雙向張緊器的敲擊表現(xiàn)以及發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)前端輪系的起動(dòng)沖擊激勵(lì)，測(cè)點(diǎn)布置如下：

①振動(dòng)加速度：雙向張緊器搖臂;

②近場(chǎng)敲擊聲：距雙向張緊器10mm的近場(chǎng)麥克風(fēng);

③發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：為精確測(cè)量起動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)前端輪系的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊激勵(lì)，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置信號(hào)，轉(zhuǎn)換成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，測(cè)試精度為6°。

1.1.3 試驗(yàn)工況

該車(chē)型在鑰匙起動(dòng)（發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)）工況產(chǎn)生嚴(yán)重敲擊異響，而在48V電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)工況起動(dòng)平順，沒(méi)有敲擊，故分別對(duì)鑰匙起動(dòng)（發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)）工況與自動(dòng)起動(dòng)（48V電機(jī)起動(dòng)）工況進(jìn)行NVH測(cè)試，對(duì)比分析起動(dòng)敲擊產(chǎn)生的原因。

1.1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

以雙向張緊器搖臂振動(dòng)加速與張緊器近場(chǎng)敲擊聲音為評(píng)價(jià)指標(biāo)，全面分析起動(dòng)敲擊現(xiàn)象。

1.2 雙搖臂式雙向張緊器起動(dòng)敲擊機(jī)理分析

鑰匙起動(dòng)工況（發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)）雙向張緊器敲擊的NVH測(cè)試數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2中紅色曲線為搖臂振動(dòng)加速度曲線，綠色曲線為張緊器近場(chǎng)敲擊聲數(shù)據(jù)，黑色曲線為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。由圖2可知，張緊器搖臂在起動(dòng)過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重敲擊，紅色曲線所示的搖臂加速度敲擊峰值達(dá)到236g，且敲擊時(shí)刻與綠色曲線所示的近場(chǎng)敲擊聲峰值時(shí)刻完全對(duì)應(yīng)，說(shuō)明敲擊源為雙向張緊器搖臂。

由于48V電機(jī)自動(dòng)起動(dòng)工況沒(méi)有敲擊異響，故測(cè)量自動(dòng)起動(dòng)工況的NVH數(shù)據(jù)，通過(guò)與鑰匙起動(dòng)工況NVH數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析張緊器起動(dòng)敲擊的產(chǎn)生機(jī)理。48V電機(jī)自動(dòng)起動(dòng)工況NVH測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示。

深入對(duì)比圖2、圖3中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線（黑色曲線）可知，鑰匙起動(dòng)Key on start（發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)）的起動(dòng)策略為：鑰匙起動(dòng)過(guò)程中12V電池為起動(dòng)機(jī)供電，起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)至crank轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火，完成起動(dòng);鑰匙起動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)第一次點(diǎn)火后曲軸轉(zhuǎn)速由crank轉(zhuǎn)速400rpm迅速上升至930rpm，轉(zhuǎn)速上沖劇烈，起動(dòng)激勵(lì)較大。而自動(dòng)起動(dòng)Autostart（48V電機(jī)起動(dòng)）策略為：自動(dòng)起動(dòng)過(guò)程中48V電池為48V電機(jī)供電，48V電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，曲軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定上升至怠速轉(zhuǎn)速后，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火完成起動(dòng);自動(dòng)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻曲軸轉(zhuǎn)速較高，點(diǎn)火后不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速劇烈上沖，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速上升平緩，起動(dòng)沖擊較小。

對(duì)比圖2、圖3中搖臂加速度曲線與近場(chǎng)敲擊聲曲線（紅色與綠色曲線）可知，自動(dòng)起動(dòng)工況雙向張緊器搖臂振動(dòng)加速度（紅色曲線）與近場(chǎng)敲擊聲（綠色曲線）明顯小于鑰匙起動(dòng)工況，與主觀感受一致。通過(guò)對(duì)比分析鑰匙起動(dòng)工況與自動(dòng)起動(dòng)工況NVH數(shù)據(jù)，張緊器起動(dòng)敲擊的產(chǎn)生機(jī)理為：鑰匙起動(dòng)過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上沖劇烈，轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，第一次點(diǎn)火時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升至930rpm，較大的起動(dòng)沖擊通過(guò)曲軸皮帶輪傳遞給皮帶，使皮帶迅速拉緊，皮帶推動(dòng)張緊器滾輪，從而導(dǎo)致張緊器搖臂猛烈撞擊限位止點(diǎn)，產(chǎn)生劇烈敲擊聲，張緊器敲擊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2? 面向起動(dòng)敲擊控制的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)標(biāo)定匹配優(yōu)化

從產(chǎn)生機(jī)理上講，該嚴(yán)重的鑰匙起動(dòng)工況下張緊器搖臂敲擊屬于發(fā)動(dòng)機(jī)本體起動(dòng)策略與48V前端輪系新結(jié)構(gòu)匹配不當(dāng)導(dǎo)致的集成問(wèn)題[9-11]。本文從面向48V前端輪系匹配的角度，深入研究了降低點(diǎn)火沖擊激勵(lì)的發(fā)動(dòng)機(jī)本體起動(dòng)標(biāo)定優(yōu)化[12，13]，目標(biāo)是通過(guò)起動(dòng)燃燒控制[14，15]，降低起動(dòng)過(guò)程中第一次點(diǎn)火的上沖轉(zhuǎn)速，使起動(dòng)過(guò)程更為平穩(wěn)，降低起動(dòng)沖擊，解決嚴(yán)重的鑰匙起動(dòng)敲擊問(wèn)題。

2.1 “點(diǎn)火提前角梯度優(yōu)化”的起動(dòng)控制策略開(kāi)發(fā)

針對(duì)原起動(dòng)策略在起動(dòng)第一次點(diǎn)火時(shí)轉(zhuǎn)速上沖過(guò)高問(wèn)題，通過(guò)退點(diǎn)火提前角降低點(diǎn)火上沖轉(zhuǎn)速。點(diǎn)火提前角的優(yōu)化需要兼顧以下幾點(diǎn)：

①起動(dòng)控制策略主要針對(duì)起動(dòng)第一次點(diǎn)火：開(kāi)發(fā)基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的退角策略，主要針對(duì)起動(dòng)機(jī)crank轉(zhuǎn)速至第一次點(diǎn)火轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)速范圍退角，即400-600rpm轉(zhuǎn)速范圍;

②起動(dòng)控制策略要兼顧低溫起動(dòng)性能：在低溫工況下，如環(huán)境溫度<-20℃，退點(diǎn)火提前角可能導(dǎo)致起動(dòng)困難，甚至起動(dòng)失敗，故點(diǎn)火提前角需設(shè)置溫度梯度，溫度降低，點(diǎn)火提前角增加。

基于以上兩點(diǎn)，開(kāi)發(fā)“點(diǎn)火提前角梯度優(yōu)化”的起動(dòng)控制策略。原鑰匙起動(dòng)起動(dòng)策略如表1所示，“點(diǎn)火提前角梯度優(yōu)化”的起動(dòng)策略如表2所示。

對(duì)比表1、表2可知，“點(diǎn)火提前角梯度優(yōu)化”的起動(dòng)控制策略主要退角區(qū)域?yàn)槠饎?dòng)機(jī)crank轉(zhuǎn)速至第一次點(diǎn)火之間的轉(zhuǎn)速區(qū)域，有效減小了第一次點(diǎn)火的點(diǎn)火能量，從而降低第一次點(diǎn)火的上沖轉(zhuǎn)速，優(yōu)化起動(dòng)沖擊。同時(shí)考慮起動(dòng)能力隨著溫度的降低而衰減，點(diǎn)火提前角設(shè)置溫度梯度，隨溫度的降低，點(diǎn)火提前角升高，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫起動(dòng)性能。

2.2 “點(diǎn)火提前角梯度優(yōu)化”的起動(dòng)控制策略實(shí)車(chē)NVH驗(yàn)證

采用“點(diǎn)火提前角梯度優(yōu)化”的起動(dòng)控制策略后鑰匙起動(dòng)工況轉(zhuǎn)速波動(dòng)優(yōu)化效果如圖5所示。

圖5中紅色曲線為原車(chē)鑰匙起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速波動(dòng)，綠色曲線為采用“點(diǎn)火提前角梯度優(yōu)化”的起動(dòng)策略后起動(dòng)轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線。由紅、綠曲線對(duì)比明顯可知，采用“點(diǎn)火提前角梯度優(yōu)化”的起動(dòng)策略后，起動(dòng)過(guò)程更為平穩(wěn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸平緩上升，第一次點(diǎn)火后的上沖轉(zhuǎn)速由原車(chē)的940rpm降低至700rpm，有效緩解了起動(dòng)沖擊，主觀評(píng)估起動(dòng)過(guò)程平順，且未出現(xiàn)起動(dòng)敲擊聲。進(jìn)行NVH客觀數(shù)據(jù)采集，“點(diǎn)火提前角梯度優(yōu)化”策略起動(dòng)敲擊聲與張緊器搖臂敲擊加速度優(yōu)化效果分別如圖6、圖7所示。

圖6、圖7中，黑色曲線為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，左圖圖（a）為原車(chē)起動(dòng)策略，右圖圖（b）為“點(diǎn)火提前角梯度優(yōu)化”起動(dòng)策略。由圖6起動(dòng)敲擊聲對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，“點(diǎn)火提前角梯度優(yōu)化”策略解決了起動(dòng)敲擊問(wèn)題，圖（b）近場(chǎng)麥克風(fēng)信號(hào)幾乎沒(méi)有敲擊成分，與主觀評(píng)估起動(dòng)無(wú)敲擊結(jié)論一致。進(jìn)一步分析敲擊源頭的振動(dòng)加速度（圖7）可知，采用“點(diǎn)火提前角梯度優(yōu)化”策略后，張緊器敲擊明顯改善，加速度減小50%，敲擊能量大大降低，保護(hù)硬件的同時(shí)改善了起動(dòng)振動(dòng)與噪聲性能。

3? 結(jié)論

本文針對(duì)某車(chē)型48V微混應(yīng)用中出現(xiàn)的鑰匙起動(dòng)工況嚴(yán)重的起動(dòng)敲擊問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。開(kāi)展了基于整車(chē)的振動(dòng)與噪聲測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比劇烈敲擊的鑰匙起動(dòng)工況與無(wú)敲擊異響的自動(dòng)起動(dòng)工況，識(shí)別出起動(dòng)敲擊的根本原因?yàn)樵l(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)策略下鑰匙起動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻轉(zhuǎn)速的劇烈上沖與48V新結(jié)構(gòu)雙向張緊器匹配不當(dāng)所致。針對(duì)敲擊產(chǎn)生機(jī)理，開(kāi)發(fā)了與48V前端輪系相匹配的“點(diǎn)火提前角梯度優(yōu)化”起動(dòng)策略。采用該策略后，鑰匙起動(dòng)過(guò)程中第一次點(diǎn)火后發(fā)動(dòng)機(jī)上沖轉(zhuǎn)速由940rpm降低至700rpm，起動(dòng)過(guò)程更加平順，敲擊聲音顯著降低，張緊器敲擊加速度減小50%，有效解決了該48V車(chē)型起動(dòng)敲擊問(wèn)題。

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