某电动汽车起步冲击和抖动测试分析

摘 要：某电动汽车（以下简称“某车型”）D档起步时先有冲击现象后伴随整车抖动，严重影响车辆的驾乘舒适性。文章基于某主机厂在研车型存在的该问题进行测试分析，通过对振动信号的colormap进行分析，分析出传动系齿间间隙是导致冲击的原因，电机的阶次振动是导致起步抖动的主要原因；通过对比该车型与标杆车的扭矩变化曲线，提出后续优化标定方案。文章研究为电动汽车起步抖动优化设计提供依据，对整车NVH性能提升有重要意义。

文章通过对驱动电机本体、方向盘及座椅导轨振动进行测试，通过试验手段分析起步抖动产生的原因，对整车NVH性能开发过程中VCU、MCU程序设计及驱动电机结构设计具有指导意义。

1 起步抖动测试

1.1 测试设备

本次试验借助LMS Test.lab数采前端及分析软件、CAN线、三向振动加速度传感器等附件完成。依据汽车行业针对整车振动问题的常规测试方法对驱动电机本体、方向盘、座椅导轨位置进行振动测试。

1.2 测试方案

通过对该车起步冲击和抖动问题进行主观评价，结合振动产生机理及现有的试验设备情况，制定如下测试方案：

（1）原状态车辆N档，踩住刹车，挂D档，松开刹车起步测试；

（2）控制扭矩：电机施加2Nm预扭矩起步测试；

（3）标杆车起步测试；

（4）优化后驱动电机样机测试。

1.3 数据记录与振动分析软件

测量时，振动信号通过三向振动加速度传感器采集，扭矩信号、车速、转速等信号通过 CAN线读取，采集到的信号传输到数采前端，借助其完成振动信号与数字信号之间的转换；采集到的振动和扭矩、转速等数据使用LMS Test.lab分析软件进行处理，通过该软件分析，最终获取振动colormap图、扭矩变化曲线、转速曲线等。

2 测试数据分析

2.1 原状态D档起步测试数据分析

图1， D挡起步时先有冲击现象后伴随整车抖动现象。图2，电机刚刚输出扭矩时，电机转速、车速会产生两个较大峰值波动，对应图1中的第一次冲击。可能的原因：（1）悬置限位不足；（2）传动系齿间间隙影响，传动系正转消除间隙后碰撞回弹，然后再次正转啮合，所以是两个波峰，4.16s瞬时有负转速，证明是回弹。

针对可能原因（1），Tip in/Tip out 工况，主观评价无动总冲击现象，判断非悬置刚度问题；针对可能原因（2），施加2Nm的预扭矩进行验证，以消除传动系齿间间隙影响。


图1 原状态座椅导轨振动colormap图


图2 电机输出扭矩、电机转速、车速变曲线

从图2可以看出，达到蠕行最大扭矩25Nm后，电机转速、车速有明显波动，对应colormap图上约13Hz的振动。抖动时电机转速为20～80r/min ，对应传动轴万向节3阶频率0.13～0.52Hz，可以排除传动轴模态影响。可能的原因：（1）悬架模态影响；（2）动总刚体模态影响，恒扭矩输出时，初步判定为负载的变化导致反作用于电机扭矩变化，激励起刚体模态。

针对可能原因（1），起步时车速较低，路面激励不足以激励悬架振动，排除悬架模态影响；针对可能原因（2），测试动力总成刚体模态，存在12.9Hz模态。

2.2 电机施加2Nm预扭矩起步测试分析

图3，电机施加2Nm的预扭矩后，针对第一次冲击现象，冲击幅值有明显降低（图3左边第一个框中区域），且主观感受上有明显改善。但，车内抖动问题依然存在，且频率约在13Hz（图3左边第二个框中区域）。


图3 施加2Nm预扭矩座椅电机本体振动colormop图


图4 施加2Nm预扭矩电机输出扭矩、电机转速、座椅导轨振动曲线

图4，上图为施加2Nm预扭矩测试数据，下图为施加2Nm预扭矩测试数据，对比可知施加 2NM 预扭矩后，转速波动的第一个峰值消失，证明转速波动是由传动系齿间间隙导致的。

2.3 标杆车起步测试分析

图5为标杆车D挡起步工况电机本体振动测试数据，从图中可以看出标杆车电机本体振动无明显阶次，且主观感受上标杆车也不存在起步抖动现象。


图5 标杆车起步工况电机本体振动colormap图

2.4 优化后驱动电机样机起步测试分析

将优化后样机搭载在同一辆车上进行验证。测试过程中除电机施加2Nm预扭矩外，VCU和MCU程序标定版本同2.1测试工况，测试结果见图6所示。


图6 更换优化后电机座椅导轨、电机、减速器本体振动colormap图

测试结果表明，电机本体无24阶振动，主观感受起步过程车内无抖动现象。

3 优化方案

3.1 扭矩标定优化

3.1.1 起步冲击优化

电机施加预扭矩对起步冲击有明显改善，建议后期标定增加预扭矩。

3.1.2 起步抖动优化

图7上图为标杆车相电流曲线，下图为某车型电机输出扭矩。起步时大的扭矩变化会造成抖动现象，由于标杆车无起步抖动现象，故，后续建议参考标杆车的起步标定策略。


图7 标杆车相电流及某车型扭矩变化曲线

目前，抑制纯电动汽车起步抖动，主要增加力矩平滑环节，使电机输出力矩以一定的步长逼近期望力矩，通过限制电机输出扭矩瞬间跳变的步长，减小电机输出力矩对传动系统的冲击，将电机输出阶跃状态的扭矩转换成斜坡状态的扭矩，使起步抖动现象得到改善。

在前期调试MCU控制程序的基础上，通过增大电流环增益PI系数及转矩指令滤波时间，亦可提高整车的平顺性。

3.2 电机结构优化

针对起步抖动问题，供应商对电机结构进行优化：（1）定、转子轴向长度缩短；（2）减小轴向气隙不均匀度；（3）绕组改为短距，减小气隙谐波磁密。验证结果表明本次对电机结构的优化改进对起步抖动有明显改善效果。

4 结论

文章依托某车型起步冲击和抖动问题，依据汽车行业针对整车振动问题的常规测试方法进行测试分析，结合振动传递路径、电机输出扭矩控制策略、排除关联部件影响、对比分析法设计试验程序。然后通过对测试数据进行分析，确定产生冲击的原因为传动系齿间间隙过大；产生整车抖动的原因为电机24阶激励，激发起约13Hz的动力总成刚体模态。文章对解决纯电动汽车起步冲击和抖动问题有重要借鉴意义。