基于電動(dòng)汽車(chē)零速換擋抖動(dòng)控制策略?xún)?yōu)化分析

0   引言

隨著石油資源日趨緊張及環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，電動(dòng)汽車(chē)的普及率越來(lái)越高，并隨著技術(shù)的發(fā)展及人們認(rèn)知的提升，消費(fèi)者不僅僅追求電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)整車(chē)的舒適性要求越來(lái)越高。整車(chē)起步抖動(dòng)的原因有很多，如整車(chē)懸置支架強(qiáng)度、懸置軟墊強(qiáng)度、減速器內(nèi)部齒輪間隙結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)半軸剛度、電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩波動(dòng)、底盤(pán)防震能力等原因。針對(duì)電動(dòng)車(chē)換擋以及其他形式的抖動(dòng)，歷來(lái)有很多文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行了研究。王朝建等根據(jù)蠕行抖動(dòng)分析為電機(jī)階次震動(dòng)原因引起，通過(guò)對(duì)蠕行扭矩進(jìn)行標(biāo)定優(yōu)化^[1]。唐柏強(qiáng)針對(duì)換擋時(shí)整車(chē)抖動(dòng)特性，提出了了一種基于改進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩濾波算法改善換擋抖動(dòng)的方法^[2]。曾晰等通過(guò)對(duì)新型純電動(dòng)汽車(chē)急加速松踏板工況的聲振測(cè)試及測(cè)試數(shù)分析，提出了依靠?jī)?yōu)化整車(chē)結(jié)構(gòu)件如懸置、副車(chē)架等連接方式來(lái)改善振動(dòng)^[3]。高潔等通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)換擋抖動(dòng)現(xiàn)象研究，提出一種換擋能量回收策略，對(duì)電機(jī)施加負(fù)扭矩實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以達(dá)到換擋整車(chē)不抖動(dòng)的目的^[4]。

本文通過(guò)對(duì)某純電動(dòng)汽車(chē)零速換擋抖動(dòng)工況現(xiàn)象分析，提出一種優(yōu)化控制扭矩請(qǐng)求和響應(yīng)精度策略以改善換擋抖動(dòng)現(xiàn)象。

圖1 整車(chē)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)-原始方法

1   抖動(dòng)工況介紹

本文所分析的零速換擋是指電動(dòng)車(chē)在靜止條件下進(jìn)行換擋操作，換擋是指R（倒擋）、N（空擋）、D（前進(jìn)擋）擋位之間切換；零速換擋抖動(dòng)是在車(chē)速靜止下?lián)Q擋出現(xiàn)的抖動(dòng)。圖1是在零速換擋時(shí)采集的整車(chē)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，由圖可知，整車(chē)換擋時(shí)的確出現(xiàn)了抖動(dòng)現(xiàn)象，且由D擋切換R擋時(shí)，整車(chē)抖動(dòng)程度比由R擋切換成D擋時(shí)要?jiǎng)×?，從?shù)據(jù)曲線(xiàn)可以看出每次換擋時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速均會(huì)持續(xù)波動(dòng)一段時(shí)間，然后車(chē)速再趨于零速，零速換擋抖動(dòng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的駕駛感受、舒適性等均有影響。

圖2 電動(dòng)汽車(chē)基本架構(gòu)

2   換擋抖動(dòng)原因分析

2．1 換擋抖動(dòng)原因分析

本文所分析的電動(dòng)汽車(chē)為純電動(dòng)汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)工作原理是通過(guò)電池系統(tǒng)提供電池能量給到MCU（電機(jī)控制器），通過(guò)MCU進(jìn)行交直流逆變轉(zhuǎn)換，再通過(guò)減速器進(jìn)行降速提扭，最后通過(guò)傳動(dòng)桿進(jìn)行機(jī)械傳遞將驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩傳遞到輪邊以驅(qū)使整車(chē)驅(qū)動(dòng)。圖 2為電動(dòng)汽車(chē)基本架構(gòu)，可見(jiàn)其傳動(dòng)系統(tǒng)主要包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、球籠及傳動(dòng)桿等。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器、減速器與球籠、球籠與傳動(dòng)桿之間均為純機(jī)械連接，主要通過(guò)花鍵聯(lián)結(jié)，花鍵結(jié)構(gòu)如圖3所示。整車(chē)在零速換擋時(shí)不論是由D擋和R之間的相互切換，還是起步時(shí)N擋和D擋、N擋和R擋之間的切換都會(huì)改變傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)力方向，導(dǎo)致不同部件花鍵齒之間來(lái)回切換，引起整車(chē)抖動(dòng)現(xiàn)象；同時(shí)，多部件花鍵聯(lián)合傳動(dòng)也會(huì)加劇換擋抖動(dòng)。

動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出時(shí)，不論是換擋到R擋還是D擋，電機(jī)的花鍵首先會(huì)帶動(dòng)減速器花鍵轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)整車(chē)策略，此時(shí)剎車(chē)踏板并未松開(kāi)，整車(chē)有蠕行扭矩，蠕行扭矩加載梯度較大，在電機(jī)花鍵帶動(dòng)減速器花鍵轉(zhuǎn)動(dòng)的一瞬間齒與齒嚙合，會(huì)出現(xiàn)打齒、咬齒等現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)多級(jí)放大整車(chē)抖動(dòng)加劇、電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度大。

圖3 齒輪嚙合示意圖

2．2 換擋抖動(dòng)原策略分析

圖4為零速換擋策略流程圖，換擋時(shí)整車(chē)需求蠕行扭矩并將命令發(fā)給VCU（整車(chē)控制器），VCU按需求向MCU發(fā)送扭矩請(qǐng)求，MCU實(shí)時(shí)響應(yīng)扭矩，MCU接收扭矩命令后對(duì)電機(jī)分配電流、電壓以驅(qū)動(dòng)整車(chē)行駛，本文為了驗(yàn)證零速換擋抖動(dòng)效果，蠕行扭矩設(shè)置在±1NM以?xún)?nèi)。

原車(chē)MCU扭矩響應(yīng)精度和VCU請(qǐng)求描述如下：

1)  MCU扭矩響應(yīng)：

①扭矩響應(yīng)|＜|1Nm不響應(yīng)；

②扭矩響應(yīng)|≥|1Nm，響應(yīng)精度±0.1nm；

2）VCU扭矩請(qǐng)求：

①VCU扭矩請(qǐng)求|＜|1Nm時(shí)按1Nm或-1Nm請(qǐng)求；

②VCU扭矩請(qǐng)求|≥|1Nm，響應(yīng)精度±0.1nm；

圖4 零速換擋策略

3   換擋抖動(dòng)控制策略?xún)?yōu)化分析

3．1 換擋抖動(dòng)策略?xún)?yōu)化分析

為解決零速換擋抖動(dòng)問(wèn)題，提出了一種更改扭矩加載梯度方法，為充分驗(yàn)證更改扭矩梯度是否有效，本文驗(yàn)證了兩種梯度加載方法，描述如下。

方法一：

1）MCU扭矩響應(yīng)：

|＜|1Nm時(shí)，扭矩響應(yīng)精度為0.1Nm；

2）VCU扭矩請(qǐng)求：

如圖4，執(zhí)行D擋時(shí)，以0扭矩加載到0.5Nm，維持100ms后再加載到1Nm；

執(zhí)行R擋時(shí)，到-1Nm時(shí)降到-0.5Nm，之后維持100ms再下降至0Nm； 

通過(guò)方法一優(yōu)化后采集整車(chē)數(shù)據(jù)可知，整車(chē)在零速換擋時(shí)抖動(dòng)明顯改善，相比較原方法時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速不管是D擋還是R擋，轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯下降，降幅約20%，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，R擋抖動(dòng)比D擋抖動(dòng)要?jiǎng)×摇?/p>

圖4 扭矩加載梯度方法一

圖5 整車(chē)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)-方法一

方法二：

1）MCU扭矩響應(yīng)精度：

|＜|1Nm時(shí)，扭矩響應(yīng)為0.1Nm；

2）VCU扭矩請(qǐng)求精度：

如圖4，執(zhí)行D擋時(shí)，從0扭矩以每30ms加載0.2Nm至0.4Nm，維持50ms后再加載到1Nm；

 執(zhí)行R擋時(shí)，從-1Nm降至到-0.5Nm，維持50ms后再以每30ms下降0.1Nm直至0Nm； 

通過(guò)方法二優(yōu)化后采集整車(chē)數(shù)據(jù)可知，整車(chē)在零速換擋時(shí)抖動(dòng)比方法一還要有改善，不管是D擋還是R擋，轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯下降，降幅也在20%，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，電機(jī)轉(zhuǎn)速在R擋和D擋之前改善幅度基本相同，方法二對(duì)整車(chē)換擋抖動(dòng)改善效果明顯。

3．2 換擋抖動(dòng)策略?xún)?yōu)化后工況分析

圖6  扭矩加載梯度方法二

4   結(jié)論

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，本文提出的更改扭矩階梯加載方法，經(jīng)實(shí)車(chē)驗(yàn)證電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)降低，降幅約40%，整車(chē)抖動(dòng)現(xiàn)象明顯減弱，也為整車(chē)換擋抖動(dòng)問(wèn)題提出了一種解決方法。

圖3 VCU扭矩請(qǐng)求精度優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 曾晰，申秀敏，李利明.新型純電動(dòng)汽車(chē)抖動(dòng)現(xiàn)象測(cè)試及分析[J]

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作者簡(jiǎn)介：陳士剛，男，（1987.9-）天津理工大學(xué) 機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

（注：本文刊登于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年11期）