魏敦烈

(東風汽車有限公司東風日產(chǎn)乘用車公司，廣東廣州 510800)

0 引言

純電動乘用車(pure electric vehicle，PEV)主要靠電力驅(qū)動車輛，而電能屬于可再生能源，用車的成本要遠遠低于傳統(tǒng)燃油車，隨著政府的補貼以及新能源汽車在很多方面具有的優(yōu)勢，對于日常有剛需城市通勤的人來說，這些都非常有吸引力。電動車相對燃油車在動力響應上要快，但是其在提高動力性能的同時會增加明顯的沖擊抖動感，導致乘坐舒適性降低。因此減少其加減速過程中的沖擊抖動是PEV研究的核心之一，其中PEV加減速過程中的電機轉(zhuǎn)速變化是影響其沖擊抖動的關(guān)鍵因素之一。

PEV城市運行過程中，與勻速過程相比，變加速過程扭矩存在突變，其加速度變化也更大。由于在實際道路行駛時，PEV經(jīng)常需要加減速，在整個加減速過程中較大的加速度變化也會導致沖擊抖動。國內(nèi)外學者多通過傳動機構(gòu)優(yōu)化和整車控制策略及扭矩控制的方法，來改變車輛的工作點。

為此，文中以某款PEV為研究對象，提出了基于電機轉(zhuǎn)速波動補償?shù)碾妱榆嚪蓝犊刂品椒?。目的是在整車傳動機構(gòu)以及整車控制器扭矩控制策略確定的條件下，通過該方法來考慮轉(zhuǎn)速波動與沖擊抖動之間的關(guān)系，對轉(zhuǎn)速進行濾波和電機控制的輸出扭矩進行補償優(yōu)化設(shè)計，降低加減速過程中的沖擊抖動。該方法不需要調(diào)整車輛傳動結(jié)構(gòu)以及明確整車模態(tài)和振動模型，從而減少了開發(fā)難度。

1 PEV加減速沖擊抖動原理

1.1 PEV加減速過程分析

根據(jù)PEV運行特點可知，在車輛加減速過程中由于傳動系統(tǒng)并非是純剛性且無間隙的，在這種工作狀態(tài)下，它所需轉(zhuǎn)矩隨著加減速過程變化時，存在明顯的沖擊抖動，這個過程主要與其轉(zhuǎn)速波動有關(guān)。文中以某款純電動車為例，圖1是其動力傳動系統(tǒng)基本原理。由圖可知，該系統(tǒng)主要由動力電池、驅(qū)動電機、變速器(減速器)、差速器及車輪組成，同時還包括固定驅(qū)動電機和減速器的懸置等固定機構(gòu)。

圖1 PEV動力傳動系統(tǒng)基本原理

當在水平良好的路面加速行駛時，不計坡度阻力，根據(jù)行駛動力學方程，PEV加速過程中所需外力可表示為：

=--，

(1)

式中：為車輛加速所需外力；為車輛的驅(qū)動力；為車輛滾動阻力；為車輛空氣阻力。

將式(1)展開可得PEV加速過程的加速度表達式為：

(2)

式中：為車輛行駛加速度；

為電機輸出轉(zhuǎn)矩；

、分別為變速箱、主減速器傳動比；

為整車質(zhì)量；

為滾動阻力系數(shù)；

為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；

為車速；

為空氣阻力系數(shù)；

為車輛前部迎風面積；

為傳動系統(tǒng)機械效率。

由式(2)可知，在其他因素不變時，電機輸出不同的轉(zhuǎn)矩，將使PEV具有不同的加速度，從而產(chǎn)生不同的加速過程。不同的轉(zhuǎn)矩變化導致的加速度變化也不同，從而影響了電機轉(zhuǎn)速波動以及整車的沖擊抖動。

系統(tǒng)運行時，電機轉(zhuǎn)矩響應靈敏，在驅(qū)動轉(zhuǎn)矩及擾動的快速、大幅激勵下極易發(fā)生傳動系扭轉(zhuǎn)振動。同時，電機低速轉(zhuǎn)矩紋波也會加劇抖振幅度，嚴重影響整車駕乘舒適性。不同加速過程加速度隨時間變化曲線如圖2所示。

圖2 不同加速過程加速度隨時間變化曲線

由圖2可知，在第一次急踩加速踏板時，加速度突變很大，然后有一個明顯的突降，導致明顯的沖擊抖動，影響舒適性；除了第一次抖動，后續(xù)的急加速也有加速度變化，雖然比第一次抖動不明顯，但是同樣會影響舒適性。

1.2 PEV加減速轉(zhuǎn)速波動與整車沖擊抖動的關(guān)系

整車系統(tǒng)抖動是一個比較復雜的課題，在很多情況下屬于電機、減速器以及整車整個傳動系統(tǒng)方面等的內(nèi)容。因此根據(jù)電動汽車概論，其第時刻的整車需求驅(qū)動力(,)可表示為：

(3)

式中：為路面傾斜角。

在已知傳動比的情況下，可得車速與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

=0377。

(4)

結(jié)合式(2)至式(4)可以看出，加速度的變化除了與驅(qū)動力有關(guān)之外，還與轉(zhuǎn)速有關(guān)，同時加速度的變化又會導致沖擊抖動的變化。若能夠減少轉(zhuǎn)速波動，可以減少加速度，進而減少沖擊抖動。

因此，為解決加減速過程中動力響應快與轉(zhuǎn)速波動之間的矛盾，應對其加減速過程中的扭矩進行優(yōu)化設(shè)計。

2 基于電機轉(zhuǎn)速波動補償?shù)碾妱榆嚪蓝犊刂?/h2>

為了實現(xiàn)PEV在滿足動力學條件下降低轉(zhuǎn)速波動，根據(jù)扭矩和加速度的關(guān)系，提出基于電機轉(zhuǎn)速波動補償?shù)碾妱榆嚪蓝犊刂苾?yōu)化設(shè)計方法。其基本思路是：以最小的轉(zhuǎn)速波動作為目標對象，對轉(zhuǎn)速進行監(jiān)控，采用濾波算法，以轉(zhuǎn)速波動大小進行扭矩補充。該方法不需要考慮整車模態(tài)和振動模型，只需要對轉(zhuǎn)速波動進行分析。

優(yōu)化的目標是使轉(zhuǎn)速波動最小，由電動汽車基本原理可推出防抖模型。防抖控制示意如圖3所示。

圖3 防抖控制示意

該模型不需要對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，也不需要考慮整車模態(tài)和振動模型，只需要對轉(zhuǎn)速波動進行分析。由于不同轉(zhuǎn)速段的RC低通濾波截止頻率不同，因此需要根據(jù)轉(zhuǎn)速分段，優(yōu)化不同轉(zhuǎn)速段的截止頻率。

3 優(yōu)化仿真設(shè)計與分析

以某款PEV為研究對象，運用基于電機轉(zhuǎn)速波動補償?shù)碾妱榆嚪蓝犊刂苾?yōu)化設(shè)計方法，對其加減速過程中轉(zhuǎn)速波動進行優(yōu)化設(shè)計，得到優(yōu)化后的濾波系數(shù)和扭矩補償。

在整車起步運行過程當中，電機和減速器之間的間隙、電機安裝、共振等機械問題都有可能產(chǎn)生扭矩振動，通過逆變器的控制，在請求扭矩的基礎(chǔ)上主動疊加一個反向力矩，減少整車系統(tǒng)在傳動過程中引起的扭矩脈動。

按照基于電機轉(zhuǎn)速波動補償?shù)碾妱榆嚪蓝犊刂圃O(shè)計方法，結(jié)合研究對象，利用MATLAB軟件，建立PEV防抖控制仿真模型。其基本框架結(jié)構(gòu)主要由整車扭矩、電機轉(zhuǎn)速和防抖使能等輸入模塊以及防抖扭矩計算模塊組成。其工作原理是：以轉(zhuǎn)速濾波前后的轉(zhuǎn)波動量為目標輸入量，再由防抖扭矩計算模塊按轉(zhuǎn)速波動量通過PID，計算出整車需求防抖扭矩；然后，將防抖扭矩輸入到電機實際輸出扭矩計算模塊，經(jīng)其計算與查表處理，可先后得到電機輸出和。若轉(zhuǎn)速波動大則補償扭矩變大，如此循環(huán)以減少轉(zhuǎn)速波動，從而起到減少抖動的效果。

4 實車測試驗證

根據(jù)PEV防抖控制模型，以不同轉(zhuǎn)速段的波動和濾波為輸入，運用MATLAB軟件對PEV防抖控制優(yōu)化仿真設(shè)計，并通過代碼生成轉(zhuǎn)換為MCU可以編譯的代碼，導入控制器中進行實車標定，該系數(shù)隨著車輛質(zhì)量、傳動系統(tǒng)慣量和轉(zhuǎn)速段不同而需要調(diào)整。

未打開防抖控制之前，電機的請求扭矩、輸出扭矩與轉(zhuǎn)速波動如圖4所示。

圖4 未加防抖控制的電機扭矩與轉(zhuǎn)速的變化曲線

可以看到輸出扭矩由于有采樣延遲，與請求扭矩有10 ms的偏差，但是輸出扭矩完全跟隨請求扭矩，這種情況下電機轉(zhuǎn)速波動明顯。

打開防抖控制之后，電機的請求扭矩、輸出扭矩與轉(zhuǎn)速波動如圖5所示，可以看到加防抖控制后，由于輸出扭矩在請求扭矩的基礎(chǔ)上，加上了根據(jù)轉(zhuǎn)速波動補償?shù)姆蓝杜ぞ?，導致輸出扭矩并不完全跟隨請求扭矩，這種情況下電機轉(zhuǎn)速在剛開始時有波動，但是波動馬上就被抑制，波動明顯減少，達到了降低抖動、提高舒適性的目標。

圖5 加防抖控制的電機扭矩與轉(zhuǎn)速的變化曲線

5 結(jié)論

(1)在加減速過程中，不同的需求扭矩對PEV的沖擊抖動影響規(guī)律不一樣，以轉(zhuǎn)速波動最小為設(shè)計目標，提出基于電機轉(zhuǎn)速波動補償?shù)碾妱榆嚪蓝犊刂苾?yōu)化方法，該方法巧妙地根據(jù)轉(zhuǎn)速波動對需求扭矩進行補償，通過合理地改變電動機輸出扭矩，對PEV加減速過程中的轉(zhuǎn)速波動進行優(yōu)化設(shè)計，來解決加減速過程中在滿足動力響應前提下的舒適性問題，同時不需要對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，不需要考慮整車模態(tài)和振動模型，只需要對轉(zhuǎn)速波動進行分析，降低了成本。

(2)以某型號的PEV為研究對象，建立了基于MATLAB/Simulink的仿真模型，利用MATLAB進行優(yōu)化求解，得到優(yōu)化后的轉(zhuǎn)速濾波系數(shù)。仿真實驗表明，基于電機轉(zhuǎn)速波動補償?shù)碾妱榆嚪蓝犊刂圃跐M足動力響應前提下的舒適性有了很大提高，改善后的轉(zhuǎn)速波動可以減少到60 r/min以下，加速度波動可以減少到0.2 g以下。因此，它為PEV的加減速過程沖擊抖動提供了一種可行的控制方法。