面向48V系统起动敲击控制的动力系统集成及标定

庞明

摘要：本文针对某48V微混车辆钥匙起动过程出现的严重起动敲击问题，进行了整车NVH测试，识别出起动敲击的产生机理为钥匙起动过程中发动机点火时刻转速的剧烈上冲与48V新结构双向张紧器匹配不当所致。在此基础上，提出了与48V前端轮系相匹配的“点火提前角梯度优化”起动策略。采用该策略后，钥匙起动过程中第一次点火后发动机上冲转速由940rpm降低至700rpm，起动过程更加平顺，摇臂敲击加速度减小50%，敲击声音显著降低，有效解决了该48V车型起动敲击问题。

关键词：48V微混;NVH;钥匙起动;自动起动;点火提前角

中图分类号：U461.2                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）15-0039-04

0  引言

基于48V技术的微混技术，可以在对原有动力总成改造较小的情况下实现微混[1]，达到降低油耗与排放[2，3]的效果，是当前主流的低成本实现混动的前瞻技术[4，5]。48V微混系统在发动机原有12V电池的基础上，增加了48V电池与电机[6]。微混系统的核心部件48V电机，除具备传统12V电机发电功能外，还具有自动启停（Auto Start）[7，8]、加速助力[9]（boost）与制动能量回收（regen）的功能，即既可以在起动及加速工况下对发动机曲轴提供驱动力，又可以作为曲轴负载提供车内用电并在车辆滑行过程中实现制动能量回收（regen）。为实现48V电机主动驱动与被动负载的切换，48V MicroBAS发动机前端轮系张紧器需采用双向张紧器，前端附件系统较之传统发动机有了较大改变。

某车型48V MicroBAS发动机前端皮带驱动轮系采用了双摇臂式张紧器，前端轮系示意图如图1所示，包括双摇臂式双向张紧器，曲轴皮带轮与48V电机。双摇臂式双向张紧器有左右两个摇臂，两摇臂中间弹簧连接，为左右两个张紧轮提供张紧力，在曲轴驱动与电机驱动模式下实现双向皮带张紧。全新的48V系统硬件结构与发动机动力系统集成匹配造成新的NVH挑战[10]，在钥匙起动过程中，双摇臂式双向张紧器产生严重的起动敲击，冲击能量较大，可能造成硬件的破坏，并伴随强烈的振动与噪声。

本文针对某48V微混车辆钥匙起动过程中出现的严重的起动敲击问题，进行了基于整车的振动与噪声试验，在深入分析48V前端轮系起动敲击产生机理的基础上，进行了发动机本体起动策略与48V前端轮系新结构匹配集成开发，提出了“点火提前角梯度优化”的起动控制策略，很好的解决了起动敲击问题。

1  48V系统起动敲击NVH试验与产生机理分析

某48V微混车辆钥匙起动过程产生严重的起动敲击声，而由48V电机完成的autostart自动起动过程没有敲击异响。针对钥匙起动与自动起动的显著差异，进行基于整车的振动与噪声测试试验，查找锁定声源并进行敲击异响机理分析。

1.1 基于整车的起动敲击振动与噪声试验介绍

1.1.1 试验对象

试验对象为某MicroBAS48V微混车辆，发动机为1.3T 48V Micro BAS 三缸发动机。经听诊器初步判断，认为声源为48V前端轮系双摇臂式双向张紧器。

1.1.2 测点布置

为全面测量起动过程中双向张紧器的敲击表现以及发动机对前端轮系的起动冲击激励，测点布置如下：

①振动加速度：双向张紧器摇臂;

②近场敲击声：距双向张紧器10mm的近场麦克风;

③发动机转速：为精确测量起动过程中发动机对前端轮系的转速冲击激励，测量发动机曲轴位置信号，转换成发动机转速，测试精度为6°。

1.1.3 试验工况

该车型在钥匙起动（发动机起动）工况产生严重敲击异响，而在48V电机自动启动工况起动平顺，没有敲击，故分别对钥匙起动（发动机起动）工况与自动起动（48V电机起动）工况进行NVH测试，对比分析起动敲击产生的原因。

1.1.4 评价指标

以双向張紧器摇臂振动加速与张紧器近场敲击声音为评价指标，全面分析起动敲击现象。

1.2 双摇臂式双向张紧器起动敲击机理分析

钥匙起动工况（发动机起动）双向张紧器敲击的NVH测试数据如图2所示。

图2中红色曲线为摇臂振动加速度曲线，绿色曲线为张紧器近场敲击声数据，黑色曲线为发动机转速。由图2可知，张紧器摇臂在起动过程中发生严重敲击，红色曲线所示的摇臂加速度敲击峰值达到236g，且敲击时刻与绿色曲线所示的近场敲击声峰值时刻完全对应，说明敲击源为双向张紧器摇臂。

由于48V电机自动起动工况没有敲击异响，故测量自动起动工况的NVH数据，通过与钥匙起动工况NVH数据进行对比，分析张紧器起动敲击的产生机理。48V电机自动起动工况NVH测试数据如图3所示。

深入对比图2、图3中发动机转速曲线（黑色曲线）可知，钥匙起动Key on start（发动机起动）的起动策略为：钥匙起动过程中12V电池为起动机供电，起动机拖动发动机曲轴转动至crank转速，发动机喷油点火，完成起动;钥匙起动过程中发动机第一次点火后曲轴转速由crank转速400rpm迅速上升至930rpm，转速上冲剧烈，起动激励较大。而自动起动Autostart（48V电机起动）策略为：自动起动过程中48V电池为48V电机供电，48V电机驱动发动机曲轴转动，曲轴转速稳定上升至怠速转速后，发动机喷油点火完成起动;自动起动发动机点火时刻曲轴转速较高，点火后不会出现转速剧烈上冲，整个起动过程转速上升平缓，起动冲击较小。

对比图2、图3中摇臂加速度曲线与近场敲击声曲线（红色与绿色曲线）可知，自动起动工况双向张紧器摇臂振动加速度（红色曲线）与近场敲击声（绿色曲线）明显小于钥匙起动工况，与主观感受一致。通过对比分析钥匙起动工况与自动起动工况NVH数据，张紧器起动敲击的产生机理为：钥匙起动过程发动机转速上冲剧烈，转速波动大，第一次点火时发动机转速迅速上升至930rpm，较大的起动冲击通过曲轴皮带轮传递给皮带，使皮带迅速拉紧，皮带推动张紧器滚轮，从而导致张紧器摇臂猛烈撞击限位止点，产生剧烈敲击声，张紧器敲击结构如图4所示。

2  面向起动敲击控制的发动机起动标定匹配优化

从产生机理上讲，该严重的钥匙起动工况下张紧器摇臂敲击属于发动机本体起动策略与48V前端轮系新结构匹配不当导致的集成问题[9-11]。本文从面向48V前端轮系匹配的角度，深入研究了降低点火冲击激励的发动机本体起动标定优化[12，13]，目标是通过起动燃烧控制[14，15]，降低起动过程中第一次点火的上冲转速，使起动过程更为平稳，降低起动冲击，解决严重的钥匙起动敲击问题。

2.1 “点火提前角梯度优化”的起动控制策略开发

针对原起动策略在起动第一次点火时转速上冲过高问题，通过退点火提前角降低点火上冲转速。点火提前角的优化需要兼顾以下几点：

①起动控制策略主要针对起动第一次点火：开发基于发动机转速的退角策略，主要针对起动机crank转速至第一次点火转速之间的转速范围退角，即400-600rpm转速范围;

②起动控制策略要兼顾低温起动性能：在低温工况下，如环境温度<-20℃，退点火提前角可能导致起动困难，甚至起动失败，故点火提前角需设置温度梯度，温度降低，点火提前角增加。

基于以上两点，开发“点火提前角梯度优化”的起动控制策略。原钥匙起动起动策略如表1所示，“点火提前角梯度优化”的起动策略如表2所示。

对比表1、表2可知，“点火提前角梯度优化”的起动控制策略主要退角区域为起动机crank转速至第一次点火之间的转速区域，有效减小了第一次点火的点火能量，从而降低第一次点火的上冲转速，优化起动冲击。同时考虑起动能力随着温度的降低而衰减，点火提前角设置温度梯度，随温度的降低，点火提前角升高，保证发动机的低温起动性能。

2.2 “点火提前角梯度优化”的起动控制策略实车NVH验证

采用“点火提前角梯度优化”的起动控制策略后钥匙起动工况转速波动优化效果如图5所示。

图5中红色曲线为原车钥匙起动过程转速波动，绿色曲线为采用“点火提前角梯度优化”的起动策略后起动转速波动曲线。由红、绿曲线对比明显可知，采用“点火提前角梯度优化”的起动策略后，起动过程更为平稳，发动机转速逐渐平缓上升，第一次点火后的上冲转速由原车的940rpm降低至700rpm，有效缓解了起动冲击，主观评估起动过程平顺，且未出现起动敲击声。进行NVH客观数据采集，“点火提前角梯度优化”策略起动敲击声与张紧器摇臂敲击加速度优化效果分别如图6、图7所示。

图6、图7中，黑色曲线为发动机转速，左图图（a）为原车起动策略，右图图（b）为“点火提前角梯度优化”起动策略。由图6起动敲击声对比数据可以看出，“点火提前角梯度优化”策略解决了起动敲击问题，图（b）近场麦克风信号几乎没有敲击成分，与主观评估起动无敲击结论一致。进一步分析敲击源头的振动加速度（图7）可知，采用“点火提前角梯度优化”策略后，张紧器敲击明显改善，加速度减小50%，敲击能量大大降低，保护硬件的同时改善了起动振动与噪声性能。

3  结论

本文针对某车型48V微混应用中出现的钥匙起动工况严重的起动敲击问题进行了深入的研究。开展了基于整车的振动与噪声测试试验，通过对比剧烈敲击的钥匙起动工况与无敲击异响的自动起动工况，识别出起动敲击的根本原因为原发动机起动策略下钥匙起动过程中发动机点火时刻转速的剧烈上冲与48V新结构双向张紧器匹配不当所致。针对敲击产生机理，开发了与48V前端轮系相匹配的“点火提前角梯度优化”起动策略。采用该策略后，钥匙起动过程中第一次点火后发动机上冲转速由940rpm降低至700rpm，起动过程更加平顺，敲击声音显著降低，张紧器敲击加速度减小50%，有效解决了该48V车型起动敲击问题。

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