新能源汽车扭振系统振动分析与解决方案

陶文勇

(奇瑞新能源汽车工程研究院，安徽芜湖 241000)

0 引言

汽车工业的可持续发展面临能源安全与环境保护的双重压力, 电动汽车作为一种无污染和有效利用能源特性的绿色交通工具, 在世界各国呈现加速发展的趋势[1]。新能源汽车的成熟度相比传统汽油车在某方面还有所欠缺。本文作者探讨的是汽车的扭振系统，在传统汽油车上从动力源到传动系统都有一系列的减振措施来提高驾驶感受。发动机扭矩控制管理系统收到驾驶员踏下或松开的油门开度，根据油门踏板开度信号计算驾驶员的扭矩需求，再根据发动机转速变化规律，建立理想的转速模型。当有大的扭矩请求或者扭矩请求降低程度比较大，也就是扭矩变化率较大时，发动机管理系统会采用滤波计算方式(通过火路和气路控制使发动机发出扭矩对于驾驶员扭矩需求变化有滞后)使发出的扭矩逐渐达到需求扭矩，以减弱由于动力总成间隙和弹性变形引起的发动机转速波动[2]，离合器也有扭矩减振装置。而在新能源电动汽车上从动力源到传动系统均无减振措施[3]，若不采取方法，当扭矩变化率较大时，车身产生低频振动，使得驾驶感受较差。

1 新能源汽车扭振系统分析

1.1 振动系统分析

新能源电动汽车扭振系统和传统汽车类似，是一个复杂且多自由度的扭转振动系统，其中垂直振动和俯仰振动对汽车的平顺性影响最大。新能源汽车和传统汽油车最大的区别在于动力系统及传动系统不同，这就造成新能源电动汽车的扭振系统区别于传统汽车。要分析新能源电动汽车的扭振系统需将其动力系统及其传动系统特性了解清楚，针对其不同点进行问题分析和解决。动力输出系统和传动系统[4]由驱动电机、减速器、传动轴、驱动桥、驱动轮及整车质量等部件组成，如图1所示。

图1 动力输出系统和传动系统

动力传递过程：(1)车辆运行过程中，整车控制器通过采集油门踏板深度和刹车信号判断驾驶员意图，并翻译成相应指令发送给各个控制器单元。(2)电驱系统收到整车控制器扭矩指令后输出需求扭矩，经传动系统将扭矩传递到车轮端。

1.2 扭振系统振动分析

现电动汽车使用的电机功率都比较大，基本在90 kW以上，甚至达到120 kW。峰值扭矩最高也达到300 N·m以上，相比较于传统汽车，它的机械特性较硬。当汽车起步或者急加减速即扭矩变化率较大时，整个车辆先处于稳定状态，然后在很短的时间内突加减力矩，突变的力矩会对整个刚性动力传输系统产生一个反向冲击力，当此反向冲击力超出刚性系统的承受力，传动系统扭振特性会导致产生一种低频的抖动现象，具体表现为车身振动，严重影响驾驶感受和舒适性[5]。特别是起步阶段的扭振特性，对电动汽车的舒适性提出了很大的挑战[6]。图2为某新能源电动汽车起步和急加减速时电机转速抖动示意：曲线1为整车控制器根据油门踏板信号发出的扭矩请求；曲线2为驱动电机实际所出扭矩；曲线3为驱动电机转速。

图2 某新能源汽车抖动数据

由图2可以看出：驱动电机实际所出扭矩基本完全跟随整车控制器扭矩请求，但在起步加速和急加减速时，电机转速急剧抖动，整车驾驶感受是整个车身在振动。

本文作者提出一种驱动电机扭矩补偿方案来抑制振动，改善驾驶感受。

2 电驱系统扭矩补偿方案分析

电驱系统扭矩补偿方案通过调节驱动电机输出控制扭矩来削弱因负荷突变产生的反向冲击力。目前市场上主流新能源电动汽车用的都是永磁同步电动机。通过转速变化的加速度来调节d、q轴电流，完成驱动电机扭矩的调节。

2.1 扭矩补偿方案的设计

分析抖动数据，车身的振动和驱动电机转速波动息息相关，相互影响和作用。将电机转速波动抑制下来，也就抑制了车身振动。故检测电机转速的变化，根据驱动电机转速变化率，调节相应的扭矩可抑制电机转速的波动。理论分析，根据牛顿第二运动定律：F=ma，物体因受力作用而产生加速度，驱动电机转速增大，转速变化快，说明所受力矩较大，需降低扭矩。同理驱动电机转速变化率反向增加(急剧减速)，需增加输出扭矩。

在驱动电机运行过程中，实时采集电机转速，在设定周期时间T内算出电机的加速度，根据驱动电机的加速度来进行扭矩的调节。若电机加速度变化过大，则减小输出扭矩减缓加速度的变化。同理若电机加速度反向变化过大，则增加输出扭矩[7]。图3为扭矩补偿判断流程图。

图3 扭矩补偿判断流程

车辆上电准备运行，电机开始工作。电机控制器(MCU)利用旋变或者传感器采集电机实时转速并开始计时，当达到设定扭矩调节周期，计算加速度，若加速度大于一定阈值，根据阈值的大小确认是否补偿。周期循环执行扭矩补偿。ts为处理补偿周期；vt0为t0时刻转速；vts为ts时刻转速，如图3所示。

2.2 扭矩补偿策略及安全功能参数

由上述讨论可知，当转速变化加速度大于X时进行扭矩补偿，但扭矩不能够进行无限制的补偿。无限制地补偿扭矩会使车辆处于不可控状态，对整车的安全性产生很大影响。现设置最大扭矩补偿值Tmax，最大扭矩补偿值根据实车标定确定。ts为处理补偿周期；vt0为t0时刻转速；vts为ts时刻转速；a为加速度；X为开始补偿加速度起始值；Y为补偿最大扭矩时对应的加速度；Tcommand为扭矩指令；Tmax为最大补偿扭矩；T为实际所出扭矩。

判断过程如下，确定是否需要补偿。

(1)

若|a|≤X则不进行扭矩补偿

T=Tcommand

(2)

若|a|>X，则需要进行扭矩补偿，以下对扭矩补偿进行分析。

(1)若|a|≥Y时，即加速度的绝对值大于等于补偿最大扭矩对应的加速度。

①若a>0，同向加速。

T=Tcommand-Tmax

(3)

②若a<0，同向减速。

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，同向减速。

T=Tcommand-Tmax[(a+X)/(Y-X)]

(6)

通过判断加速度a的大小和方向来进行扭矩补偿，从而抑制转速的跳动和车身的振动。具体流程如图4所示。

图4 扭矩补偿策略流程

3 测试结果和验证

基于上述扭矩补偿控制策略，确定参数应用到实车上进行标定。由图5可以看出，车辆在起步和急加减速时转速波动得到了明显抑制，整车驾驶主观感受得到很大提升。

图5 该新能源汽车采用扭矩补偿方案后参数曲线

4 异常保护策略

在电驱系统对最大补偿扭矩进行限制的基础上，整车控制器也对驱动电机扭矩补偿策略进行监控，以达到整车安全的双重保护。

(1)电机控制器根据扭矩补偿设置扭矩补偿标志位，若检测到转速波动较大，进行扭矩补偿时将扭矩补偿标志位置位。

(2)整车控制器收到扭矩补偿标志位未置位，按正常扭矩监控阈值监控电机扭矩；在收到扭矩补偿标志位置位时，扩大扭矩监控阈值。

(3)电机控制器告知扭矩补偿的最大值，整车控制器监控电机控制器扭矩补偿的状态，若补偿扭矩超过预定好的最大值，仍上报扭矩监控故障。

5 结论

实测证明，电驱系统运用扭矩补偿策略可明显降低车辆扭振系统带来的低频抖动现象，提高整车舒适性。辅助以设置最大补偿扭矩值和整车控制器调整扭矩监控策略，对整车扭矩进行双重保护，可提高整车安全性。