趙榮國 洪 海 戴曉磊 程立勇 易世雄 竇紅印

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

目前國內(nèi)外新能源汽車得到了廣泛開發(fā)，由于電池技術(shù)制約純電動轎車的充電時間和續(xù)駛里程，因此，混合動力汽車成為了現(xiàn)階段新能源汽車發(fā)展的主要方向。雖然混合動力系統(tǒng)很好地彌補了傳統(tǒng)動力系統(tǒng)低速大扭矩的高油耗工況，具有制動能量回收的優(yōu)勢，但是傳統(tǒng)發(fā)動機系統(tǒng)和電驅(qū)動系統(tǒng)動力結(jié)合過程卻帶來了新的挑戰(zhàn)，尤其是系統(tǒng)的動力匹配帶來的抖動及NVH 問題，對于汽車工程師而言，實現(xiàn)兩者動力的集成匹配，滿足消費者對汽車動力性、經(jīng)濟性、舒適性和安全性的指標(biāo)，成為了工作上新的機遇與挑戰(zhàn)。NVH 作為影響汽車行駛舒適性和安全性最重要的因素，也是混合動力系統(tǒng)的技術(shù)難題，通常傳動動力系統(tǒng)主要從結(jié)構(gòu)的角度對NVH 進(jìn)行仿真，通過仿真完善結(jié)構(gòu)缺陷。而由于整車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜，改善效果卻不明顯。本文從電驅(qū)動控制的角度，另辟蹊徑在電機矢量控制基礎(chǔ)之上開發(fā)了主動防抖模塊，很好地解決了混合動力總成系統(tǒng)發(fā)動機與電驅(qū)動動力耦合過程中的NVH問題，并且具有低成本，可標(biāo)定等一系列優(yōu)點。通過MATLAB/Simulink 仿真搭建動力系統(tǒng)模型進(jìn)行驗證，證實該系統(tǒng)對PS 型混合動力系統(tǒng)減少抖動效果良好。

1 新能源混合動力系統(tǒng)抖動分析

1.1 發(fā)動機系統(tǒng)振動分析

目前市場上大部分混動系統(tǒng)的發(fā)動機都存在怠速抖動及換擋抖動頓挫問題，本文先對傳統(tǒng)發(fā)動機系統(tǒng)的抖動機理進(jìn)行分析。

發(fā)動機系統(tǒng)正常振動由不平衡激振力和對應(yīng)的力矩導(dǎo)致，根據(jù)基礎(chǔ)內(nèi)燃機動力學(xué)原理可知，汽車發(fā)動機在運行過程中主要存在3 類激振源[1]:包含本體離心力以及力矩，活塞往復(fù)慣性力與其力矩，不可避免的翻倒力矩。目前的設(shè)計過程中，工程師對于第一種激振源傳統(tǒng)方法是在曲軸上設(shè)計配置平衡重即可予以平衡，試驗及仿真效果明顯。對于活塞往復(fù)運動造成的激振一般通過發(fā)動機自有的多缸結(jié)構(gòu)將不平衡振動諧次提高，其幅值減小，使其影響力下降。對于翻倒力矩造成的激振一般也是通過多氣缸的相互作用抵消來緩解。故傳統(tǒng)的發(fā)動機系統(tǒng)不能完全消除工作過程中的抖動，原理上汽油機的不平衡最低諧次是與沖程數(shù)及氣缸數(shù)目直接相關(guān)，即為Z/τ，其中Z 為氣缸數(shù)；τ 為沖程系數(shù)，本文以1.5L 三缸四沖程發(fā)動機為例，諧次為1.5，3，…諧為正常工況中的主諧次。

對于多缸汽油機在曲軸上產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩為所有曲柄上的轉(zhuǎn)矩總和，表示為[2]：

式中：PQY為外力PQ在曲軸銷Y 軸分力；r 為曲柄半徑。

公式中的上標(biāo)是表示對應(yīng)氣缸的標(biāo)號，例如發(fā)動機將第j 缸相對于一缸點火時提前了θj的曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)，由此類推當(dāng)?shù)谝桓椎那S為χ 轉(zhuǎn)角，這時對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為Mχ時，第j 缸曲柄的轉(zhuǎn)矩M（j）=M（χ+θj），另外，假設(shè)發(fā)動機的各氣缸工作中點火間隔角、活塞做功行程中燃燒氣體作用力都相同，將其中一缸的M 隨χ 變化的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生過程依據(jù)點火順序中的間隔角度分成不同的段，分析中將每一段的轉(zhuǎn)矩變化都集成在第一段的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，這樣綜合之后即為第一段運行過程中總轉(zhuǎn)矩MΣ與χ 的變化關(guān)系，由此可知，不考慮其他因素，發(fā)動機氣缸數(shù)量越多，曲軸總轉(zhuǎn)矩的波動周期越短，總體的不均勻性越小。

發(fā)動機運行過程中曲軸總轉(zhuǎn)矩的周期性變化既是曲軸以及被曲軸帶動的軸系發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動的激振源，同時也會引起曲軸角速度的波動。過程中發(fā)生的扭轉(zhuǎn)振動使部件中產(chǎn)生額外的應(yīng)力與應(yīng)變，總體機械部件的噪聲增加，發(fā)動機振動幅度加劇。

1.2 電驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩紋波分析

在永磁同步電機運行過程中，產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩，要求PMSM 的電動勢和電流均為正弦波。但真實的永磁勵磁磁場在空間的分布不可能是完全正弦的，由永磁體所感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢的波形必定發(fā)生畸變[3]，另一方面，由電機控制器輸入的定子相電流，經(jīng)過調(diào)制雖然可以逼近正弦波，但其中還含有許多高次諧波。對于次數(shù)相同的感應(yīng)電動勢和電流諧波作用后會產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，然而不同次數(shù)諧波電動勢和電流將會產(chǎn)生脈動頻率為基波頻率6 倍次的諧波轉(zhuǎn)矩，對于電機系統(tǒng)各諧波轉(zhuǎn)矩的幅值與感應(yīng)電動勢和電流波形的畸變程度有關(guān)。定子繞組中感應(yīng)電動勢中的諧波是由永磁勵磁磁場感生的，它與勵磁磁場和定子槽型繞組的空間分布方式有關(guān)。此外，定子中基波分量和各次諧波電流，除了產(chǎn)生基波磁動勢外，還會產(chǎn)生不必要的諧波磁動勢。

設(shè)ε 為PMSM 電機永磁勵磁磁場的諧波次數(shù)，γ為磁動勢諧波次數(shù)，k 定子電流諧波次數(shù)，當(dāng)ε=1，3，5…，可見，只有當(dāng)γ=ε 時，才會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，當(dāng)轉(zhuǎn)子速度為ωr 時，轉(zhuǎn)矩的脈動頻率為：

轉(zhuǎn)矩諧波的次數(shù)為γ±k，應(yīng)為6 的整數(shù)倍，整個轉(zhuǎn)矩表示為：

式中：Tγk為諧波轉(zhuǎn)矩的幅值，當(dāng)γ=k 時，電機可以產(chǎn)生正常平均轉(zhuǎn)矩，當(dāng)γ-k 是6 的整數(shù)倍時，取正值，當(dāng)γ+k 是6 的整數(shù)倍時，取負(fù)值，由此可見當(dāng)γ ≠k 時，會產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩，諧波轉(zhuǎn)矩的脈動頻率等于定子電流頻率的6 的整數(shù)倍，通過分析可知，電驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩紋波頻率較高，幅值較小，如果是同軸的發(fā)動機和電驅(qū)動系統(tǒng)，電驅(qū)動系統(tǒng)對于轉(zhuǎn)矩控制精度完全可以用來對發(fā)動機系統(tǒng)抖動進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補償?shù)目刂啤?/p>

2 主動防抖控制系統(tǒng)

2.1 永磁同步電機數(shù)學(xué)模型

為了對電機進(jìn)行矢量控制需要對電機建立數(shù)學(xué)模型，本文主要對混動系統(tǒng)中常見的永磁同步電機進(jìn)行分析，需要對電機做如下假設(shè)：

1）永磁材料的電導(dǎo)率為零。

2）忽略鐵芯飽和，不計渦流和磁滯損耗。

3）轉(zhuǎn)子沒有阻尼繞組。

在三相靜止坐標(biāo)系下[4]，定子電壓電流空間矢量為：

通過坐標(biāo)變換，兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系表示為：

磁鏈方程為：

式中：Rs為定子繞組電阻；ωγ為轉(zhuǎn)子角速度。

整理得：

根據(jù)電機原理，電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

在DQ 坐標(biāo)系下，表示為：

整理得：

2.2 基礎(chǔ)矢量控制

矢量控制模仿直流電機的控制，以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的方法，實現(xiàn)了對交流電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制的完全解耦，實現(xiàn)了對交流電機電磁轉(zhuǎn)矩的獨立控制，它促使交流調(diào)速系統(tǒng)逐步取代直流調(diào)速。

圖1 為電機矢量控制過程框圖，以轉(zhuǎn)子定向的矢量控制系統(tǒng)是通過同軸安裝的旋轉(zhuǎn)變壓器來測量轉(zhuǎn)子角度，來滿足轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。在基于磁場定向矢量控制中，電機控制的仍然是電樞磁場，電樞磁場由電流產(chǎn)生，實際控制的仍然是定子電流is，實際的控制策略中，控制是在兩相旋轉(zhuǎn)DQ 軸系內(nèi)進(jìn)行的，is矢量分解成為id和iq。其中，id是控制定子磁場幅值的勵磁電流分量，通過控制id可以控制定子磁場勵磁分量的大小；iq是控制電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，通過控制iq可以控制電機轉(zhuǎn)矩大小。

圖1 矢量變換控制過程框圖

轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，主要控制電樞磁場，由于永磁磁鏈幅值恒定，如圖2 所示，電樞磁鏈的幅值和相位主要取決于定子電流is，在恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)，需要控制定子電流相位使得電樞磁場與永磁磁場正交，達(dá)到電流對轉(zhuǎn)矩的最大利用率。

圖2 磁鏈分布

2.3 電機防抖轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)針對的是新能源汽車普遍采用內(nèi)嵌式永磁同步電機使用矢量控制方式進(jìn)行磁場定向控制，轉(zhuǎn)矩控制精度可以達(dá)到±2 N·m，轉(zhuǎn)速控制精度可以達(dá)到±5 r/min。由于目前混動系統(tǒng)中發(fā)動機怠速過程及換擋過程出現(xiàn)的抖動、頓挫，基于電機的矢量控制基礎(chǔ)開發(fā)了主動防抖模塊，如圖3 所示。

圖3 主動防抖模塊示意圖

該模塊基于旋轉(zhuǎn)變壓器對電機轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測，通過PID 調(diào)節(jié)確定波動過程中轉(zhuǎn)矩波動量ΔT，最終通過結(jié)合需求轉(zhuǎn)矩確定最終反饋給電機的轉(zhuǎn)矩請求，通過削峰填谷的方法將特殊工況的抖動進(jìn)行消除。圖4 為抖動紋波抑制示意圖。

圖4 抖動紋波抑制示意圖

本系統(tǒng)極大地減少了混合動力系統(tǒng)尤其是PS結(jié)構(gòu)的動力總成系統(tǒng)的NVH 問題，從最原始的振動源入手，提高了整車舒適性，節(jié)省了硬件設(shè)計變更成本，而且具有通用性強的特點，各個系統(tǒng)只需進(jìn)行軟件的標(biāo)定即能達(dá)到減小抖動的效果。圖5 所示為轉(zhuǎn)矩生成過程示意圖。

圖5 轉(zhuǎn)矩生成過程示意圖

系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)變壓器檢測永磁同步電機轉(zhuǎn)子的實時位置角度，通過SMOPOS 模塊根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓和電流估算轉(zhuǎn)角實時位置，通過比較轉(zhuǎn)角的實時位置和估算位置來判斷系統(tǒng)是否處于抖動狀態(tài)，如果進(jìn)行抖動，將激活轉(zhuǎn)矩補償模塊，進(jìn)行對實際請求轉(zhuǎn)矩的補償，從而達(dá)到防抖動的目的，圖6 所示為電驅(qū)動主動防抖控制系統(tǒng)示意圖。目前該程序已經(jīng)對現(xiàn)有PS 類型混合動力變速箱進(jìn)行了調(diào)試驗證，通過調(diào)整標(biāo)定量去適應(yīng)不同發(fā)動機與變速箱的組合，防抖動效果顯著。

圖6 電驅(qū)動主動防抖控制系統(tǒng)示意圖

3 仿真結(jié)果分析

3.1 怠速發(fā)電工況

圖7 為正常怠速發(fā)電轉(zhuǎn)矩抖動紋波圖。由圖7所知，發(fā)動機怠速發(fā)電轉(zhuǎn)速為900 r/min 時，發(fā)電轉(zhuǎn)矩為-8.5 N·m 抖動明顯，紋波可以達(dá)到20%。

圖8 為怠速工況防抖效果紋波圖。由圖8 所知，發(fā)動機怠速發(fā)電轉(zhuǎn)矩紋波被削弱至11%左右，防抖動效果明顯。

圖7 正常怠速發(fā)電轉(zhuǎn)矩抖動紋波圖

圖8 怠速工況防抖效果紋波圖

3.2 制動能量回收工況

圖9 為正常制動能量回收轉(zhuǎn)矩抖動紋波圖。由圖9 所知，在制動能量回收開始瞬間會出現(xiàn)20 N·m以上的轉(zhuǎn)矩波動，該抖動隨著轉(zhuǎn)速的增加愈加明顯，雖然持續(xù)時間短，但對于整車的舒適性造成很大影響，是電驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用于整車的典型問題，普遍存在于純電動及混動系統(tǒng)中。

圖9 正常制動能量回收轉(zhuǎn)矩抖動紋波圖

圖10 為制動能量回收工況防抖效果紋波圖。由圖10 所知，制動能量回收轉(zhuǎn)矩紋波跳變被削弱至11 N·m 左右，防抖動效果明顯。

圖10 制動能量回收工況防抖效果紋波圖

3.3 換擋工況

圖11 為正常換擋工況抖動紋波圖。由圖11 所知，混合動力總成系統(tǒng)換擋過程中頓挫和抖動幅度大，低轉(zhuǎn)速尤為明顯，轉(zhuǎn)矩抖動紋波可達(dá)40%以上。

圖11 正常換擋工況抖動紋波圖

圖12 為換擋工況防抖效果紋波圖。由圖12 所知，由于各擋位換擋轉(zhuǎn)速具有一定的范圍，抖動具有一定規(guī)律性，主動防抖模塊對于換擋過程中的防抖效果最為顯著，典型換擋抖動可以降低至11%左右。

圖12 換擋工況防抖效果紋波圖

3.4 仿真數(shù)據(jù)分析

表1 為仿真數(shù)據(jù)分析。由表1 中統(tǒng)計結(jié)果可知，混動系統(tǒng)抖動工況集中在低速過程，尤其是制動能量回收和換擋工況，隨著轉(zhuǎn)速的提升抖動幅值自然降低，這主要由系統(tǒng)中發(fā)動機部分本身特性決定，加入防抖動模塊后在怠速發(fā)電工況，電驅(qū)動發(fā)電負(fù)轉(zhuǎn)矩為-6 N·m 時，抖動轉(zhuǎn)矩減少8.6%左右，制動能量回收和換擋過程中瞬間抖動較大，平均維持在30%。加入主動防抖模塊，總成系統(tǒng)抖動普遍控制至20%以下。

表1 仿真數(shù)據(jù)分析

4 結(jié)論

1）根據(jù)分析目前市場上大多數(shù)混合動力系統(tǒng)都存在NVH 問題，從根本上解決新能源汽車動力系統(tǒng)抖動問題勢在必行。

2）通過分析發(fā)動機振動機理，結(jié)合PMSM 電機的矢量控制理論，提出使用精確控制的電機系統(tǒng)補償傳統(tǒng)發(fā)動機系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩波動的方案。

3）采用電機內(nèi)部旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角信號變化率對同軸的總成系統(tǒng)抖動進(jìn)行識別，根據(jù)標(biāo)定量決定主動防抖模塊的激活工況，由此根據(jù)不同混動系統(tǒng)特性進(jìn)行防抖動的效果標(biāo)定。

4）根據(jù)仿真數(shù)據(jù)分析，混動系統(tǒng)常用怠速發(fā)電工況，制動能量回收工況，換擋工況，對應(yīng)電驅(qū)動系統(tǒng)正轉(zhuǎn)矩，負(fù)轉(zhuǎn)矩補償效果良好。

5）隨著總成系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的升高，頻率加大，抖動效果減弱，電機系統(tǒng)防抖模塊功能自動休眠，提升整車高速性能。