崔華閣，閆曉曉，江克峰

(1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司， 天津 300300; 2.上海知豆電動汽車有限公司, 上海 201800)

目前，新能源汽車已成為全球汽車工業(yè)發(fā)展的重點。新能源汽車的核心是驅(qū)動力的新能源化。我國新能源汽車發(fā)展的技術(shù)路線以“純電驅(qū)動”為戰(zhàn)略取向，與全球汽車動力系統(tǒng)電動化技術(shù)變革趨勢相適應(yīng)[1-2]。

永磁同步電機(jī)由于具有轉(zhuǎn)矩密度較高、調(diào)速范圍較寬等優(yōu)勢，被作為動力驅(qū)動電機(jī)廣泛應(yīng)用于純電動汽車[3-4]。與傳統(tǒng)燃油汽車動力傳動系統(tǒng)相比，由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出軸直接與減速器通過花鍵相連接，缺少液力變矩器等阻尼裝置，且在起步加速階段電機(jī)輸出扭矩為大扭矩輸出，因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動對整車的影響較為明顯，往往會引起整車低速行駛時的抖動現(xiàn)象，降低駕乘舒適性。

國內(nèi)外研究人員對永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動產(chǎn)生的機(jī)理和控制方法進(jìn)行了廣泛的研究，何呂昌[5]、伍先俊等[6]對電動汽車用電機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和降噪方案進(jìn)行了研究。李耀華等[7]、 韓建群等[8]、Jung W P等[9]對汽車用永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動控制策略進(jìn)行了研究，提出可以通過優(yōu)化控制策略降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動。

本文以某純電動汽車在起步全油門加速工況(WOT)下車內(nèi)轟鳴聲的解決過程為例，考慮引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動的影響因素，并對電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動控制策略進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而達(dá)到消除車內(nèi)異常噪聲的效果，旨在為汽車研發(fā)人員解決類似問題時提供一定的參考。

1 問題描述

該車搭載的電驅(qū)動總成采用前置前驅(qū)布置型式，電機(jī)采用永磁同步無刷電機(jī)，減速器與差速器采用整體式結(jié)構(gòu)。在WOT工況時，車內(nèi)駕駛位置在電機(jī)轉(zhuǎn)速350 r/min附近出現(xiàn)轟鳴噪聲，主觀感覺車內(nèi)聲壓級較大且存在整車振動沖擊現(xiàn)象。通過測試得到駕駛位置在該工況下噪聲聲壓級及頻譜圖，如圖1～ 2所示。

圖1 WOT工況車內(nèi)噪聲聲壓級

由圖1可以看出：在電機(jī)轉(zhuǎn)速350 r/min附近，車內(nèi)出現(xiàn)較高的噪聲峰值，產(chǎn)生強(qiáng)烈的轟鳴聲，這與主觀感受相同，并伴隨有較大的整車振動沖擊。

結(jié)合圖1產(chǎn)生異常噪聲的電機(jī)轉(zhuǎn)速并根據(jù)圖2車內(nèi)噪聲頻譜圖可知：該異常轟鳴噪聲頻率主要在120 Hz附近，且存在撞擊現(xiàn)象。通過對該噪聲頻譜進(jìn)行階次分析，發(fā)現(xiàn)該問題發(fā)生的階次頻率與減速器輸入軸齒輪階次(19階)頻率一致，故基本可以判斷該峰值問題由電驅(qū)動總成引起。

圖2 WOT工況車內(nèi)噪聲頻譜圖

2 問題診斷

為進(jìn)一步確認(rèn)該峰值問題發(fā)生的根源，對電驅(qū)動總成殼體進(jìn)行振動測試分析及基于CAN總線的故障診斷數(shù)據(jù)分析。

2.1 WOT工況下電驅(qū)動總成殼體表面振動特性

在整車安裝狀態(tài)下，對WOT工況下電驅(qū)動總成殼體表面進(jìn)行振動測試，測點位置見圖3。

電驅(qū)動總成表面振動加速度測試結(jié)果見圖4。從圖4可以看出：在WOT工況下減速器各齒輪軸端、主減速器及電機(jī)殼體表面振動加速度在350 r/min附近均出現(xiàn)不同程度的峰值，其中整車坐標(biāo)系下X、Z向振動峰值較為明顯，Y向振動峰值相對較低，且與驅(qū)動電機(jī)直接通過花鍵連接的減速器輸入軸端振動峰值最大，同時在電機(jī)殼體的端部也檢測到較明顯的振動峰值。由于產(chǎn)生轟鳴噪聲的頻率主要在120 Hz附近，而電驅(qū)動總成的彈性體模態(tài)頻率(347 Hz)要遠(yuǎn)高于該頻率，且存在撞擊現(xiàn)象。因此，可以判斷出因電機(jī)輸入到減速器的轉(zhuǎn)矩存在較大波動導(dǎo)致電驅(qū)動總成產(chǎn)生強(qiáng)迫振動，通過結(jié)構(gòu)傳遞到車身，產(chǎn)生轟鳴噪聲。

圖3 電驅(qū)動總成表面振動測點位置示意

圖4 電驅(qū)動總成殼體表面振動加速度

2.2 基于CAN總線的故障診斷數(shù)據(jù)提取分析

通過上述振動測試分析，基本上確定了問題發(fā)生的根源為電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動較大。為證實電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動，在整車狀態(tài)下，提取CAN總線協(xié)議中的電機(jī)轉(zhuǎn)速、VCU指示轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩信息進(jìn)行分析，提取信號見圖5。由圖5可知：在起步急加速工況，在電機(jī)轉(zhuǎn)速200～500 r/min時，VCU輸出轉(zhuǎn)矩指令為最大恒定轉(zhuǎn)矩，而電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩則產(chǎn)生較大波動，轉(zhuǎn)矩波動達(dá)到±6 N·m，超出一般波動水平。結(jié)合振動分析結(jié)果，確定峰值噪聲問題產(chǎn)生的原因為電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動異常，導(dǎo)致電驅(qū)總成產(chǎn)生強(qiáng)迫振動并傳遞至車身引起。

3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動影響因素及控制

3.1 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動影響因素

具有空間正弦分布繞組的永磁同步電機(jī)在理想情況下，三相電流通過后，電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定，不存在轉(zhuǎn)矩波動。但實際情況是反電勢諧波及電流時間諧波會導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動。另外，永磁同步電機(jī)永磁體轉(zhuǎn)子和定子齒槽相互作用會產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，這部分轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而周期變化，也是轉(zhuǎn)矩波動的組成成分[10]。一般來說，引起永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動的主要因素為以下幾點[11]：

1) 氣隙磁場諧波的影響；

2) 齒槽力矩的影響；

3) 定子電流時間諧波的影響；

4) 電機(jī)磁路飽和的影響；

5) 制造工藝的影響，如定子的動不平衡、偏心等。

圖5 CAN總線提取電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩相關(guān)信號

電動汽車用永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)普遍采用矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。矢量控制通過轉(zhuǎn)子磁場定向，實現(xiàn)了電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦[12]，將交流電機(jī)控制等效于直流電機(jī)調(diào)速控制。為提高轉(zhuǎn)矩輸出能力，降低損耗，在低速行駛工況時基本采用MTPA矢量控制技術(shù)，通過增加id電流來提高磁阻轉(zhuǎn)矩。在轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)矩可以表示為

ψfiq+(Ld-Lq)idiq]

(1)

式中:Te為電機(jī)轉(zhuǎn)矩;p為電機(jī)極對數(shù);ψf為永磁體磁鏈;Ld、Lq分別為d軸和q軸電感;id、iq分別為d軸和q軸電流分量。由式(1)可知，如果d軸勵磁電流分量恒定，則永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩與q軸轉(zhuǎn)矩電流分量成正比。

電機(jī)調(diào)速控制實際是對電磁轉(zhuǎn)矩的控制，為取得恒定電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的反電動勢和定子電流就需為正弦波，以產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。實際上由于調(diào)制原理和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在，反電勢波形便會產(chǎn)生畸變，輸出電流帶有高次諧波[11]，反電動勢諧波和電流波形的非正弦性引發(fā)電磁轉(zhuǎn)矩波動。另外，定子齒槽與轉(zhuǎn)子相對離散結(jié)構(gòu)也會導(dǎo)致電壓電流的畸變，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動。

3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動的控制優(yōu)化

為改善因轉(zhuǎn)矩波動導(dǎo)致的起步急加速工況車內(nèi)異常噪聲問題，在排除了電機(jī)制造工藝的影響的情況下，對電機(jī)控制程序?qū)嵤┝藘?yōu)化，主要優(yōu)化方案為：

方案1 在整車上標(biāo)定電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化梯度；

方案2 增加轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，對力矩給定進(jìn)行補償，主動抑制轉(zhuǎn)矩波動；

方案3 優(yōu)化電流波形。

優(yōu)化方案1中，在整車狀態(tài)下標(biāo)定電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化梯度，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩以最大轉(zhuǎn)矩 max[Te]輸出時轉(zhuǎn)矩波動量控制在±2% max[Te]的范圍內(nèi)。方案2中對電機(jī)控制策略進(jìn)行優(yōu)化，增加了轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，在設(shè)定的周期內(nèi)計算給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值，并將其轉(zhuǎn)化為母線電壓值以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速值，起到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和抗負(fù)載擾動的作用。方案3對電機(jī)相電流進(jìn)行優(yōu)化，改善了電流波形，優(yōu)化前后通過示波器對電流波形進(jìn)行觀察，電機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r/min、輸出轉(zhuǎn)矩為60 N·m時波形對比見圖6。從圖6中可以看出：優(yōu)化后電流波形更平滑且削頂現(xiàn)象已消除。

在整車工況狀態(tài)下，提取CAN總線協(xié)議中的電機(jī)轉(zhuǎn)速、VCU指示轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)反饋轉(zhuǎn)矩信息進(jìn)行分析，結(jié)果見圖7。從圖7可以看出：對電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動進(jìn)行控制優(yōu)化后，急加速過程中，電機(jī)反饋轉(zhuǎn)矩波動減小，曲線平滑。

電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動優(yōu)化后，在整車安裝狀態(tài)下針對WOT工況對關(guān)注位置(減速器各齒輪軸端、主減速器及電機(jī)殼體表面)進(jìn)行振動測試，同時測出駕駛員右耳位置噪聲，優(yōu)化前后對比見圖8～10。

圖6 優(yōu)化前后電流波形對比

圖7 CAN總線提取優(yōu)化后電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩相關(guān)信號

圖8 優(yōu)化前后WOT工況車內(nèi)噪聲聲壓級對比

通過對比減速器各齒輪軸端部、主減速器及電機(jī)殼體表面的振動可以看出：減速器輸入軸、減速器中間軸位置各方向振動在優(yōu)化前后無明顯變化；主減速器殼體X向、Z向振動優(yōu)化后350 r/min附近峰值基本消除，非主要受力方向Y向基本無變化；電機(jī)殼體X向振動優(yōu)化后350 r/min附近峰值基本消除，Y向、Z向無明顯變化且在問題轉(zhuǎn)速附近無顯著峰值。這表明在對電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動進(jìn)行控制優(yōu)化后，在350 r/min附近電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出變得平順，對傳動軸的沖擊消除。

圖9 駕駛員右耳位置噪聲-Colormap

圖10 駕駛員右耳位置噪聲聲壓級-Overall

由同步測試出的車內(nèi)噪聲Colormap圖可知：優(yōu)化后350 r/min附近對應(yīng)的120 Hz區(qū)域噪聲明顯降低，這與噪聲聲壓級Overall曲線異常峰值消失相吻合。結(jié)合電機(jī)、主減速器殼體振動來看，正是由于在急加速過程中電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動較大，通過齒輪傳動結(jié)構(gòu)將振動沖擊傳遞到主減速器并通過半軸傳遞至車身，進(jìn)而引起車內(nèi)轟鳴聲。

4 結(jié)束語

電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的平順性取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動大小，事實上，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動是無法消除的。如何在整車上抑制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動，降低車內(nèi)振動噪聲是目前各整車生產(chǎn)企業(yè)必須解決的問題。本文通過對驅(qū)動電機(jī)控制策略及程序進(jìn)行優(yōu)化，使其轉(zhuǎn)矩波動控制在合理水平，進(jìn)而消除加速車內(nèi)異常峰值噪聲。旨在為汽車開發(fā)過程中解決類似的問題時提供思路和方向。