摘 要

由于電驅(qū)傳動系統(tǒng)剛性連接，使其呈現(xiàn)出“弱阻尼”狀態(tài)，這會讓純電動汽車在某些特定工況下容易發(fā)生傳動系統(tǒng)轟鳴問題。文章以某純電動汽車蠕行工況轟鳴問題為例，系統(tǒng)地闡述電驅(qū)傳動系統(tǒng)轟鳴問題的分析排查過程，分析轉(zhuǎn)矩波動抑制失穩(wěn)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動過大是引起蠕行轟鳴的原因，提出電機轉(zhuǎn)矩波動抑制失穩(wěn)潛在機理及改進的主動阻尼控制策略。結(jié)合改進的主動阻尼控制邏輯，在不改變車輛傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，通過限制主動阻尼上限的方法，電機轉(zhuǎn)矩波動抑制的失穩(wěn)現(xiàn)象得到有效控制。并通過實車驗證針對轟鳴問題的新主動阻尼控制方法的有效性，這對解決此類問題具有借鑒和參考價值。

關(guān)鍵詞：振動與波；純電動汽車；傳動系統(tǒng)；主動阻尼控制；轉(zhuǎn)矩波動；轉(zhuǎn)矩控制；轟鳴

作者：沈龍1，張軍2，趙明斌2，秦賓1，方陣2

（ 1. 浙江智馬達智能科技有限公司，浙江寧波315000;

2. 吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江寧波315000 ）

相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機車，純電動汽車動力傳動鏈缺少離合器、扭轉(zhuǎn)減振器、液力變矩器或撓性聯(lián)軸器等柔性減振零件，純電動汽車傳動系統(tǒng)屬于高剛度超低阻尼系統(tǒng)。在純電動汽車低速、低負荷行駛工況下，由于路面狀況的隨機性、電驅(qū)傳動系統(tǒng)間隙存在的必然性、控制電機電流的畸變、失真和復(fù)雜的動力傳動耦合等因素，導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速波動，從而容易引起整車轟鳴問題，甚至會導(dǎo)致整車抖動問題，嚴重地影響了整車的舒適性。

沙偉等[1]通過對純電動汽車電機轉(zhuǎn)速的主動阻尼控制策略開發(fā)和實車標定，消除了整車抖動問題。趙治國等[2]通過前饋校正和主動阻尼防抖手段，有效抑制純電動汽車Tip-In/Out 工況下的齒圈轉(zhuǎn)速波動，減小整車沖擊。張劍鋒等[3]通過仿真和實車驗證表明，主動阻尼控制策略比駕駛性轉(zhuǎn)矩濾波策略能夠更好地適應(yīng)快速的動力響應(yīng)，并有效解決起步抖動問題。魏敦烈[4]提出了在主動阻尼控制器中加Smith預(yù)估器的控制方法，以解決主動阻尼對控制系統(tǒng)固有延時敏感的問題。張軍等[5]通過電機轉(zhuǎn)矩過零濾波策略優(yōu)化和主動阻尼控制改進，解決了純電動汽車在減速過程中的減速器異響問題。王文楷[6]通過仿真的方法研究了電機轉(zhuǎn)矩波動抑制策略對降低穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的效果。但國內(nèi)外學(xué)者對純電動汽車蠕行過程中的噪聲問題研究較少，缺少系統(tǒng)性的問題分析和工程解決方法。

本文以某電動汽車蠕行工況下車內(nèi)轟鳴問題為案例，介紹轟鳴問題的測試分析與排查過程，結(jié)合主動阻尼控制邏輯，通過電機轉(zhuǎn)矩波動主動阻尼控制策略優(yōu)化，在不改變車輛傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下解決轟鳴問題。該案例問題的分析和經(jīng)驗總結(jié)對于解決純電動汽車蠕行轟鳴問題具有較重要的工程參考意義。

1.問題描述

某后驅(qū)純電動SUV蠕行工況車速為7 km/h，當車輛在平直公路蠕行時，主觀評價能夠聽到明顯的低頻轟鳴聲，但車輛未出現(xiàn)抖動或者聳動情況。當車輛蠕行至有上坡或下坡路段時，轟鳴聲消失。

純電動汽車在低速行駛時背景噪聲低，路噪和風噪都很小，不能形成掩蔽效應(yīng)。因此，蠕行時的轟鳴聲就很容易被察覺，嚴重降低車輛的乘坐舒適性。通常，引起車輛轟鳴問題的原因與動力傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)和車身結(jié)構(gòu)相關(guān)，問題排查與分析過程較為復(fù)雜。

1.1 整車蠕行轟鳴問題路試測試方案

根據(jù)主觀評價結(jié)果，車輛在坡度路面行駛與平直路面行駛出現(xiàn)明顯的轟鳴差異，說明轟鳴與車輛負載和動力傳動系統(tǒng)相關(guān)。為了進一步分析蠕行轟鳴特征與轟鳴發(fā)生時的工況特征，明確轟鳴與電驅(qū)傳動結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)矩輸出的關(guān)聯(lián)性，分別在電驅(qū)總成本體、左懸置(旋變側(cè))和前懸置主動端、右懸置(齒輪側(cè))主動端、轉(zhuǎn)向節(jié)上布置三向加速度振動傳感器，如圖1所示。

圖1 電驅(qū)動總成振動傳感器布置意圖

在駕駛員位置布置拾音器，并通過CAN(多主方式的串行通訊總線)總線同步采集電驅(qū)總成的轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩等信號。測試工況為在平直光滑路面上以7 km/h 車速勻速行駛，同步采集噪聲、振動與總線信號。

1.2 整車路試測試結(jié)果分析

車內(nèi)噪聲及各位置振動結(jié)果如圖2 所示。通過回放及濾波分析測試數(shù)據(jù)可以得出：

(1) 蠕行時車內(nèi)的轟鳴問題是以36 Hz為中心頻率的噪聲，噪聲峰值達到42 dB(A)；

(2) 電驅(qū)本體、3 個懸置主動端及轉(zhuǎn)向節(jié)均出現(xiàn)以36 Hz為中心頻率的振動峰值；

(3) 振動峰值量級以電驅(qū)本體和左懸置主動端最大，右懸置主動端居中，轉(zhuǎn)向節(jié)最小。根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，初步推斷轟鳴噪聲是電驅(qū)本體產(chǎn)生并主要通過懸置傳遞。

圖2 車內(nèi)噪聲與電驅(qū)各點振動的頻域特征分析

進一步對測試數(shù)據(jù)的電驅(qū)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、輪端轉(zhuǎn)矩、車速信號等進行時域分析，如圖3所示。

圖3 電機轉(zhuǎn)速、車速、輪端轉(zhuǎn)矩時域波形

可以得出：

(1) 轟鳴問題發(fā)生時，車速穩(wěn)定，無明顯波動，電機出現(xiàn)10 r/min以內(nèi)的波動，波動量較??；

(2) 需求的輪端轉(zhuǎn)矩曲線出現(xiàn)2 N?m以內(nèi)的波動，需求轉(zhuǎn)矩波動量較??；

(3) 實際的輪端轉(zhuǎn)矩波動量為70 N?m左右，實際的輪端輸出轉(zhuǎn)矩波動量遠大于需求目標，初步推斷電驅(qū)動總成振動是由驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩波動產(chǎn)生。

任意截取圖3 中1 s 左右時域信號進行放大分析，分析結(jié)果如圖4 所示，車速、需求輪端轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定且波動量小。實際輪端轉(zhuǎn)矩波動峰值之間的時間間隔Δt 為0.027 8 s，根據(jù)f=1/T可以計算出實際輪端轉(zhuǎn)矩以36 Hz 為基頻波動。根據(jù)以上的測試分析結(jié)果，可以推測此轟鳴問題與電機轉(zhuǎn)矩波動密切相關(guān)，其潛在原因是在車輛蠕行過程中，電機轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)劇烈波動現(xiàn)象，由于電驅(qū)傳動系統(tǒng)“弱阻尼”特性，轉(zhuǎn)矩波動不能被有效衰減，從而引發(fā)電驅(qū)總成持續(xù)振動，振動通過懸置、副車架及懸架系統(tǒng)傳遞至車內(nèi)引起轟鳴。

圖4 電機轉(zhuǎn)速、車速、輪端轉(zhuǎn)矩時域放大波形

電驅(qū)系統(tǒng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動的影響因素較多，電磁設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)精度、傳動間隙、轉(zhuǎn)子剛度等硬件因素和電流畸變、濾波設(shè)定、阻尼參數(shù)等軟件因素均會影響電機轉(zhuǎn)矩的波動。轟鳴問題發(fā)生在車輛負載較低的蠕行工況，此時電機轉(zhuǎn)速較低，而對機械精度、轉(zhuǎn)子剛度等硬件要求更為苛刻的急加速、急減速及高速工況并無轟鳴問題，進一步推測引起電機轉(zhuǎn)矩波動的因素與轉(zhuǎn)矩控制軟件強相關(guān)。

2.轉(zhuǎn)矩波動控制失穩(wěn)潛在機理驗證及改進策略

該純電動汽車搭載了“三合一”集成式電驅(qū)系統(tǒng)，采用8 極48 槽永磁同步電機，轉(zhuǎn)子磁極與定子齒槽如圖5所示。

該驅(qū)動電機具有4 對極對數(shù)，電機轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，會出現(xiàn)4 個振動峰值，即跟蹤電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的振動為4 階，如圖6 所示。結(jié)合該純電動汽車蠕行工況電機以550 r/min 運行，可以計算得到蠕行時電機4 階振動頻率為36 Hz，這與測試得到的振動分析結(jié)果吻合。

圖5 電機極對數(shù)示意圖

圖6 電機4 階振動示意圖

為了抑制電機運行過程中的磁力激勵導(dǎo)致的噪聲或抖動問題，工程上解決思路一般有以下兩種，一種是傳遞路徑優(yōu)化，比如降低懸置剛度，設(shè)計二級隔振等；另一種是降低激勵源激勵，比如優(yōu)化齒槽極數(shù)、使用短距分布繞組、優(yōu)化永磁鐵勵磁磁場分布和使用主動阻尼控制策略等。

2.1 主動阻尼控制機理

電機的轉(zhuǎn)矩是由電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩的變化速率與定子里面電流的變化速率同步。定子電流響應(yīng)為毫秒級，所以電機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間大約為幾毫秒，因此可以利用電機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快的特性，將其作為阻尼產(chǎn)生的執(zhí)行器。如圖7 所示，當電機開始出現(xiàn)非期望轉(zhuǎn)矩波動時，為了降低轉(zhuǎn)矩波動，通過對電機輸出轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，來阻斷電機轉(zhuǎn)矩波動的延續(xù)，以達到利用轉(zhuǎn)矩輸出控制來抑制轉(zhuǎn)矩波動的目的。

圖7 理想主動阻尼抑制轉(zhuǎn)矩波動示意圖

如圖8 所示，受到電機參數(shù)變化的影響，電機轉(zhuǎn)矩波動的抑制效果可能會下降，加上行駛路況瞬時變化，傳動間隙的滯回特征，導(dǎo)致抑制轉(zhuǎn)矩波動的轉(zhuǎn)矩不能精確補償轉(zhuǎn)矩波動，反而加劇了轉(zhuǎn)矩的波動,出現(xiàn)主動阻尼控制轉(zhuǎn)矩波動失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖8 主動阻尼控制轉(zhuǎn)矩波動失穩(wěn)示意圖

圖9 關(guān)閉主動阻尼的測試結(jié)果

2.2 主動阻尼失穩(wěn)驗證

為了抑制轉(zhuǎn)矩波動，開發(fā)過程中在電機控制軟件中嵌入了一套主動阻尼控制系統(tǒng)，為進一步驗證主動阻尼控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩及車內(nèi)轟鳴噪聲的影響關(guān)系，關(guān)閉主動阻尼系統(tǒng)后，相同條件下進行重復(fù)測試，測試結(jié)果如圖9所示。

關(guān)閉主動阻尼過后，相同工況下動力總成本體36 Hz 振動峰值降低至0.1 m?s-2，車內(nèi)36 Hz 低頻噪聲峰值降低至35 dB(A)，實際輪端轉(zhuǎn)矩波動降低至20 N?m，通過主動阻尼關(guān)閉對比驗證，可以得出：

(1) 關(guān)閉主動阻尼后，電驅(qū)動總成仍然存在36Hz振動峰值，車內(nèi)也有36 Hz低頻噪聲峰值，振動與噪聲峰值呈現(xiàn)正相關(guān)下降；

(2) 該驅(qū)動系統(tǒng)本身存在扭矩波動現(xiàn)象，且引起車內(nèi)低頻轟鳴噪聲；

(3) 開啟主動阻尼后，不但沒有降低轉(zhuǎn)矩波動，反而加劇了轉(zhuǎn)矩波動，轉(zhuǎn)矩波動量與車內(nèi)低頻噪聲峰值呈現(xiàn)出正相關(guān)性，說明主動阻尼系統(tǒng)是引起車內(nèi)低頻轟鳴噪聲的重要原因，推測主動阻尼系統(tǒng)出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.3 主動阻尼控制策略改進

對于電機轉(zhuǎn)矩波動的控制，目前廣泛采用閉環(huán)的主動阻尼控制策略，即利用電機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間只有幾毫秒，且轉(zhuǎn)矩響應(yīng)不存在明顯的超調(diào)量或滯后量的特性，直接將電機作為轉(zhuǎn)矩波動控制的執(zhí)行機構(gòu)。對獲取得到的電機實際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，進行濾波處理，得到增強的波動分量，計算出參考轉(zhuǎn)速，并根據(jù)實際轉(zhuǎn)速與參考轉(zhuǎn)速提取出波動轉(zhuǎn)速，基于波動轉(zhuǎn)速來確定補償轉(zhuǎn)矩，根據(jù)補償轉(zhuǎn)矩和實際轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)主動阻尼控制。從而降低電機轉(zhuǎn)矩波動，典型主動阻尼控制邏輯圖如圖10所示[7－9]。

然而，純電動汽車蠕行工況下，由于路面狀況的隨機性、電驅(qū)傳動系統(tǒng)間隙存在的必然性、控制電機電流的畸變、失真和復(fù)雜的動力傳動耦合等因素，會導(dǎo)致主動阻尼控制的失穩(wěn)，不但不能抑制轉(zhuǎn)矩波動，反而會造成轉(zhuǎn)矩振蕩的加劇?；诖诉壿?，對主動阻尼的上限加以限制，防止已經(jīng)有轉(zhuǎn)矩波動的系統(tǒng)進一步擴大轉(zhuǎn)矩的波動，進行實車標定評價，確保新的主動阻尼方案能實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩波動的快速收斂。

圖10 主動阻尼控制邏輯示意圖

3.主動阻尼優(yōu)化與驗證

首先，主動阻尼關(guān)閉后車內(nèi)36 Hz 轟鳴峰值降低7 dB(A)，實際輪端轉(zhuǎn)矩波動值降低50 N?m左右，對現(xiàn)有主動阻尼參數(shù)采用插值法，得到多組試驗參數(shù)。

其次，將各組試驗參數(shù)再迭代進入新的主動阻尼系統(tǒng)，以降低轉(zhuǎn)矩波動量為目標進行多輪次實車標定最終鎖定新的主動阻尼控制參數(shù)為：

(1) 將蠕行時對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩輸出的主動阻尼增益降低60 %；

(2) 當檢測到車輛蠕行時，電機抗波動阻尼轉(zhuǎn)矩上限輸出降低80 %，以上參數(shù)需要隨不同車型進行車型適應(yīng)性開發(fā)和標定確定。

圖11 主動阻尼標定策略優(yōu)化前后轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速時域?qū)Ρ?

通過主動阻尼參數(shù)優(yōu)化后，進行蠕行工況采集數(shù)據(jù)進行分析。任意截取采集數(shù)據(jù)中1 s 左右時域信號進行放大并與主動阻尼參數(shù)優(yōu)化前進行對比分析，分析結(jié)果如圖11 所示。電機轉(zhuǎn)速優(yōu)化前后穩(wěn)定且無明顯變化，實際輪端轉(zhuǎn)矩波動值由優(yōu)化前的70N?m降低至2 N?m，波動幅值降幅達到68 N?m，且主動阻尼參數(shù)優(yōu)化后，實際輪端轉(zhuǎn)矩波動不再明顯。

經(jīng)過對主動阻尼優(yōu)化后的車輛進行主觀評價與客觀測試分析，主觀評價車輛蠕行時車內(nèi)轟鳴噪聲消失，客觀測試結(jié)果顯示：

(1) 車內(nèi)36 Hz 轟鳴噪聲峰值降低20 dB(A)，車內(nèi)噪聲頻譜圖中36 Hz 峰值現(xiàn)象消失，蠕行轟鳴問題得到解決；

(2) 電驅(qū)動本體、左/右懸置主動端、轉(zhuǎn)向節(jié)的36Hz振動峰值消失，測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 主動阻尼改進后噪聲振動客觀測試結(jié)果

4.結(jié)語

電驅(qū)傳動系統(tǒng)是純電動汽車的核心，由于電機轉(zhuǎn)矩特性與傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，往往在一些特定工況下會引起轟鳴問題，行業(yè)內(nèi)還缺少系統(tǒng)深入的分析研究。本文以某純電動汽車蠕行工況下電驅(qū)轉(zhuǎn)矩波動引起車內(nèi)低頻轟鳴噪聲的問題為案例背景，系統(tǒng)性地進行了轟鳴噪聲問題的快速識別與排查，提出了潛在的電驅(qū)轉(zhuǎn)矩波動抑制失穩(wěn)機理與應(yīng)對控制策略，并通過實車驗證了方案的有效性。這對于解決電驅(qū)系統(tǒng)引起的車內(nèi)轟鳴噪聲問題具有較為重要的工程參考意義。

此外，由于電驅(qū)轉(zhuǎn)矩控制影響因素眾多，轉(zhuǎn)矩控制算法較為復(fù)雜，需要從轉(zhuǎn)矩波動理論方法、轉(zhuǎn)矩控制底層算法和實車試驗標定等方面，開展進一步的理論試驗研究，在項目開發(fā)前期合理設(shè)計電驅(qū)轉(zhuǎn)矩控制策略與參數(shù)，避免產(chǎn)生電驅(qū)系統(tǒng)引起的車內(nèi)低頻轟鳴噪聲問題。

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第一作者

沈龍

主任工程師

浙江智馬達智能科技有限公司

浙江智馬達智能科技有限公司,負責smart全球項目整車NVH性能開發(fā)。

E-mail:sl wjstx@126.com

通訊作者

張軍

博士，正高級工程師

吉利汽車研究院

上海交通大學(xué)博士，正高級工程師，吉利汽車研究院（寧波）有限公司，主要研究方向：汽車NVH性能開發(fā)。

E-mail：zj_zmkm@126.com

本文原載于《噪聲與振動控制》2024年12月, 

受作者授權(quán)發(fā)布。