陽鵬 裴赫

（威馬汽車科技集團有限公司成都研究院，成都 610110）

主題詞：四驅(qū)控制 分軸過零 電機轉(zhuǎn)矩換向 轉(zhuǎn)矩濾波 整車控制器

1 引言

對于新能源車尤其是純電動車，如果電機轉(zhuǎn)矩過零控制不好或頻繁轉(zhuǎn)矩過零，在減速與加速切換時，容易發(fā)生車輛抖動，并伴隨敲擊齒的噪聲。主要原因為傳動鏈齒輪間存在間隙、電機轉(zhuǎn)矩換向控制過快導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲。齒輪在設(shè)計、制造、裝配過程中存在不可避免的誤差,導(dǎo)致齒輪傳動系統(tǒng)中存在間隙非線性因素,從而產(chǎn)生嚙合振動[1]，齒輪間隙是輪系正常工作必須有的結(jié)構(gòu)參數(shù)。車輛行駛中電機從驅(qū)動變?yōu)槟芰炕厥?，或從能量回收變?yōu)轵?qū)動時，主動齒輪和被動輪會產(chǎn)生一個短暫的相對加速度，齒輪傳動嚙合面從一側(cè)轉(zhuǎn)移到另外一側(cè)，撞擊到嚙合面，從而產(chǎn)生沖擊。電機轉(zhuǎn)矩發(fā)生正負變化時，轉(zhuǎn)矩過零，電機輸出到減速器的驅(qū)動齒輪貼靠面由一面靠齒變?yōu)榱硪幻婵魁X，即存在傳動間隙，此時若電機轉(zhuǎn)矩仍按原有的斜率變化，轉(zhuǎn)矩方向瞬間改變，驅(qū)動齒輪前后貼靠面瞬間變化，將會導(dǎo)致較大的轉(zhuǎn)速波動，嚴重影響整車的平順性和駕駛的舒適性[2]。

行業(yè)內(nèi)硬件層面研究齒輪加工和制造工藝，軟件層面較多研究變速箱換擋時扭矩過零。本文研究電動四驅(qū)利用電控控制技術(shù)，利用前后兩個電機轉(zhuǎn)矩相互補充控制過零，減小轉(zhuǎn)矩過零換向沖擊。

2 電動四驅(qū)轉(zhuǎn)矩過零研究

2.1 電動四驅(qū)結(jié)構(gòu)

對于一種純電動雙電機四驅(qū)系統(tǒng)（圖1），在行駛過程中前后電機都會連接在動力系統(tǒng)上[3]。電動四驅(qū)有前軸和后軸2個電機，由于電動車有能量回收，轉(zhuǎn)矩換向若控制不好，則對駕駛性和整車性能造成影響。

圖1 某純電動四驅(qū)結(jié)構(gòu)

2.2 電動四驅(qū)過零控制分析

為了優(yōu)化電動四驅(qū)系統(tǒng)的過零問題，設(shè)計了控制策略優(yōu)化方案：

（1）從設(shè)計過零平臺著手，控制轉(zhuǎn)矩換向過程，達到平穩(wěn)過渡；

（2）四驅(qū)雙電機分軸互補過零，減少過零次數(shù)。本文從過零平臺建設(shè)和互補過零這2個角度優(yōu)化控制電動四驅(qū)過零控制。

2.2.1 設(shè)計過零平臺，控制換向過程

為了避免電機換向過快的轉(zhuǎn)矩沖擊，在整車控制器（Vehicle Control Unit,VCU）收到駕駛員的加速踏板對應(yīng)的原始轉(zhuǎn)矩需求時，VCU將轉(zhuǎn)矩需求進行濾波，并在零轉(zhuǎn)矩附近設(shè)計過零平臺（圖2）。在電機實際轉(zhuǎn)矩到達過零平臺時，轉(zhuǎn)矩指令短暫停頓50～150 ms，以避免電機較大的轉(zhuǎn)矩沖擊，減小轉(zhuǎn)矩變化率，讓電機主動齒輪和被動齒輪以較小的相對速度和較小的相對加速度貼合，從而減小沖擊。在不同的車速和加速踏板開度下，可對實車轉(zhuǎn)矩平臺停頓時間進行標定。在駕駛員需求轉(zhuǎn)矩較小時，過零時間標定的較長，因為此時駕駛員需求變化較慢，較長的過零時間有利于齒輪嚙合面緩慢貼合。若加速踏板深度較大，則過零時間標定需較短，因為此時駕駛員有較迫切的加速需求，為了兼顧加速性能和駕駛性能，標定的結(jié)果需要工程師進行主觀評價。

圖2 VCU轉(zhuǎn)矩過零平臺設(shè)計

駕駛員的原始需求轉(zhuǎn)矩經(jīng)過VCU的轉(zhuǎn)矩濾波模塊和轉(zhuǎn)矩過零平臺模塊，轉(zhuǎn)化為濾波后的需求轉(zhuǎn)矩，發(fā)送給電機控制器執(zhí)行，從而可以減緩轉(zhuǎn)矩過零的沖擊（圖3）。

圖3 轉(zhuǎn)矩濾波前后轉(zhuǎn)矩需求對比

2.2.2 四驅(qū)分軸互補過零，減少過零次數(shù)

為了減少電機過零換向次數(shù)，本文提出一種基于電動四驅(qū)分軸過零控制策略，提高四驅(qū)的駕駛性能。在低車速時，駕駛員對聲音較敏感，噪音及抖動容易被駕駛員感知。在高車速時，考慮整車振動易被路面激勵反饋掩蓋，駕駛員對輕微抖動容忍度更高。

本文涉及的永磁同步電機空載損失與轉(zhuǎn)速成正比。如圖4所示，電機轉(zhuǎn)速小于1 500 r/min時，空載損失小于0.2 kW。綜合考慮空載損失和低速抖動優(yōu)先級，基于駕駛員對低車速駕駛性較敏感，以及低車速的空載損失較小的原因，本系統(tǒng)在車速為20 km/h以下實施該轉(zhuǎn)矩分配策略。轉(zhuǎn)速增加至大于和等于1 500 r/min時，空載損失會較大，同時評估駕駛員對工況駕駛性的感知性，不實施分軸過零策略。

圖4 某款電機空載損耗

3 電動四驅(qū)分軸過零策略方案實施

3.1 分軸過零控制策略方案分析

針對以上情況，設(shè)計一種基于純電動四驅(qū)分軸過零轉(zhuǎn)矩控制構(gòu)架（圖5）。該轉(zhuǎn)矩控制架構(gòu)包括轉(zhuǎn)矩需求、轉(zhuǎn)矩濾波、四驅(qū)分配和四驅(qū)分軸過零模塊。該構(gòu)架滿足四驅(qū)控制系統(tǒng)前提下，可以優(yōu)化四驅(qū)過零的駕駛性能。

圖5 四驅(qū)分軸過零轉(zhuǎn)矩架構(gòu)

3.2 工況法研究分軸過零

能量回收工況時，VCU指定常用前電機進行能量回收。在四驅(qū)模式開啟，駕駛員有轉(zhuǎn)向行為時，會啟動整車控制器的橫向穩(wěn)定性分配模塊，在前輪附著力不夠時，將回收轉(zhuǎn)矩從前電機轉(zhuǎn)移至后電機，使整車保持橫向穩(wěn)定性，從而前后電機都可參與能量回收[4]。

驅(qū)動工況時，VCU在駕駛員需求轉(zhuǎn)矩不大時，指定前軸參與驅(qū)動。當加速踏板開度大時，當前軸電機不足以滿足駕駛員需求時，后電機會接入?yún)⑴c驅(qū)動，以及VCU在結(jié)合前后軸時計算電機效率，若同時驅(qū)動前后電機有利于整體效率提高，也會驅(qū)動前后電機協(xié)同參與驅(qū)動。以下基于工況法，舉例5種四驅(qū)分軸互補過零策略應(yīng)用。

3.2.1 雙電機驅(qū)動過渡至單電機能量回收

若前序工況需求轉(zhuǎn)矩較大，在四驅(qū)控制模式下，2個電機都在驅(qū)動時，駕駛員松開加速踏板、意圖減速，此時VCU控制前電機從驅(qū)動狀態(tài)經(jīng)過過零平臺進行能量回收。后電機從正轉(zhuǎn)矩下降至2 N·m，保持在過零轉(zhuǎn)矩以上2 N·m，即實現(xiàn)了只有單電機一次過零（圖6）。

圖6 雙電機驅(qū)動至單電機回收

3.2.2 單電機驅(qū)動過渡至單電機能量回收

若前序駕駛工況需求轉(zhuǎn)矩不大，單電機能滿足駕駛需求，則在單電機驅(qū)動模式，另一個電機在過零轉(zhuǎn)矩以下的-2 N·m待命（圖7）。駕駛員松開加速踏板時，意圖減速，此時VCU控制后電機的正轉(zhuǎn)矩先下降，至2 N·m時，控制前電機從-2 N·m繼續(xù)下降，使前后電機穩(wěn)步交替下降，實現(xiàn)駕駛員的原始轉(zhuǎn)矩需求，本工況無需穿越過零轉(zhuǎn)矩。

圖7 單電機驅(qū)動過渡至單電機回收

3.2.3 雙電機能量回收過渡至單電機驅(qū)動

若前序工況包括帶轉(zhuǎn)向時，四驅(qū)系統(tǒng)會根據(jù)轉(zhuǎn)向側(cè)傾趨勢，動態(tài)地在2軸間轉(zhuǎn)移能量回收過程，因前序工況為雙電機能量回收工況，此時駕駛員踩加速踏板，前電機轉(zhuǎn)矩上升至-2 N·m時就不再上升，在前電機到達-2 N·m后，再由后電機從負轉(zhuǎn)矩繼續(xù)上升，并穿越0轉(zhuǎn)矩到正轉(zhuǎn)矩，由后電機實現(xiàn)驅(qū)動功能，滿足駕駛員的加速預(yù)期，從而使單一電機完成過零過渡（圖8）。

圖8 雙電機能量回收過渡至單電機驅(qū)動

3.2.4 雙電機能量回收過渡至雙電機驅(qū)動

若前序工況為帶轉(zhuǎn)向的四驅(qū)松油門狀態(tài)下的能量回收工況，此時駕駛員大幅度踩加速踏板，一個電機已不能滿足駕駛員的駕駛需求，應(yīng)以驅(qū)動優(yōu)先，雙電機都需要輸出正轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動車輛。為了滿足駕駛員的加速需求，前、后電機交替穿越0轉(zhuǎn)矩并到正轉(zhuǎn)矩[5]，在一個電機過零時，另一個電機補充轉(zhuǎn)矩需求，實現(xiàn)2個電機實際總轉(zhuǎn)矩上升斜率和總轉(zhuǎn)矩需求斜率和大小一致，實現(xiàn)駕駛員的加速需求（圖9）。

圖9 雙電機能量回收過渡至雙電機驅(qū)動

3.2.5 單電機回收過渡至單電機驅(qū)動

若前序工況正常但進入電機的能量回收工況，此時駕駛員輕踩油門踏板，VCU控制在能量回收的電機跟隨原始需求轉(zhuǎn)矩，達到過零平臺轉(zhuǎn)矩以下的-2 N·m，無需穿過過零平臺，此時在過零轉(zhuǎn)矩平臺以上的電機接力跟隨原始需求轉(zhuǎn)矩繼續(xù)上升（圖10），實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩沒有過零的目標。

圖10 單電機能量回收過渡至單電機驅(qū)動

3.3 實施與驗證

基于以上的分析，利用Simulink完成建模后生成代碼，編譯集成后，生成文件導(dǎo)入到控制器中，開展實車驗證。

本次驗證采用主、客觀聯(lián)合驗證方法。

主觀評價上，制定相對合理評分體系來盡量減少各個評價者之間的主觀評價標準不一致的情況[6]，以5位以上不同年齡段工程師，在不知道軟件變更情況下，按照以上工況法提及的5種駕駛工況測試后，并進行實施前后的結(jié)果對比，實施結(jié)果如表1所示。

表1 主觀評價 分

客觀上，通過CAN信號采集設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，以過零時刻電機轉(zhuǎn)速波動幅度作為評價電機過零沖擊標準，該評價方法在工程上便于測量實施，且能有效表征電機過零時的抖動和沖擊，并統(tǒng)計多次試驗平均值。對比軟件實施前后，按照以上工況法提及的5種駕駛工況測試后，分析對比前后電機在過零時電機轉(zhuǎn)速波動的幅度作為參考標準，并對實施前后的結(jié)果進行對比，實施結(jié)果如表2所示。

表2 客觀評價-過零電機轉(zhuǎn)速波動幅度 r/min

4 結(jié)束語

在純電動四驅(qū)中，由于前后雙電機都可以參與能量回收和驅(qū)動，電機換向過零次數(shù)也會增加，給整車駕駛性帶來挑戰(zhàn)。

本文提出了純電動四驅(qū)分軸互補過零策略，經(jīng)過問題分析、策略優(yōu)化和測試驗證，建立了過零平臺，實現(xiàn)過零過程控制，達到了前后電機分軸過零，減少總轉(zhuǎn)矩過零次數(shù)的目標，有效地優(yōu)化了電機過零帶來的車輛抖動。經(jīng)過主、客觀評價，本文提出的分軸互補過零策略滿足了電動四驅(qū)車的駕駛性要求。

未來研究中，為了兼顧急加速的需求，結(jié)合本文過零平臺在急加速時產(chǎn)生的動力遲滯感問題，將研究自適應(yīng)過零平臺時間問題。