混动汽车启动抖动问题分析及优化

摘要

针对启动抖动会严重影响整车ＮＶＨ 性能的问题，研究了某ＳＵＶ 混动车型启动工况下的整车抖动问题，确定了启动抖动产生的根本原因。通过制定一系列的试验方案进行对比分析，并结合ＬＭＳ 测试数据进行时域分析，明确导致整车启动抖动的根本原因是启动电机拖动发动机过程中扭矩波动导致。根据“源－路径－响应”思路制定优化方案，对悬置与电机进行优化。实车测试表明：优化后整车抖动量级明显减小，满足开发目标要求，证实了该优化方案可以有效解决启动抖动问题。

车辆ＮＶＨ 即噪声、振动与舒适性，是衡量汽车质量的一个重要指标，也是整车制造企业和零部件企业关注的车辆指标之一［１］。尤其汽车启停工况，更是用户感知最敏感的工况之一，启停时的平顺性和启动噪声是车辆的主要评价指标。目前，市售主流的混合动力系统有以丰田普锐斯为代表的动力分流双电机混联混合动力系统，以比亚迪秦和大众途锐为代表的单电机并联混合动力系统，以本田雅阁和上汽荣威为代表的双电机串并联混合动力系统。

通过查阅相关资料发现，目前国内对混动汽车启停抖动问题的研究较少［２ －５］。王道勇等［６］仅从悬置角度出发对发动机启停时动力总成悬置系统的设计方法进行研究。胡云峰［７］、林歆悠［８］、喻金龙［９］等基本是从标定角度出发对启动冲击问题进行理论控制研究，但对工程应用研究较少。因此，本文从启动抖动现象进行逐步分析，对可能引起启动抖动的原因进行深层次的分析，同时采用不同的试验方案进行排查，最后针对启动抖动现象提出了可行的解决方案，具有较强的参考意义。

1  混动总成结构及启动振动现象

本文研究对象为可插电式混动汽车（ＰＨＥＶ），采用动力分流双电机混联混合动力方案（ＰＳ 方案）。动力配置为１．８ 自然吸气＋ＣＨＳ 动力合成箱，系统的机械结构如图１ 所示，原理如图２ 所示。


图１　动力合成箱机械结构示意图


图２　动力合成箱原理

由图２ 的动力合成箱原理可知，该系统通过行星齿轮机构对发动机进行功率分流，发动机功率一部分通过机械路径传递输出，另一部分通过电功率路径传递到电动机输出。该方案采用双电机调速，可获得更高的燃油经济性，同时可避免多种模式切换带来的转矩中断。
对ＰＨＥＶ 车型的样车进行ＮＶＨ 性能实测时发现，车辆启动（发动机点火）时和行车过程中发动机介入时整车抖动严重，启动过程伴随“哐哐”声。抖动过程中有２ 次以上的抖动冲击，且抖动衰减时间长，收敛速度慢，主观感受极差。启动工况时，座椅导轨处振动测试结果如图３ 所示，频谱分析结果如图４ 所示。测试结果表明：启动过程中座椅导轨处振动峰值为０．０９ｇ，远大于目标值０．０５ｇ，振动峰值频率为１１．２７ Ｈｚ。查阅相关文献可知：人体器官的头部固有频率为８ ～１２ Ｈｚ，肢体为１０ ～１２ Ｈｚ，所以人体对该频率段的振动较敏感［８］，而在这个频率段内集中着动力总成的多个刚体模态，悬架系统模态、整车刚体模态等多个模态，这些系统都无法避开该频率区域，因此应通过找到激励源并减少激励或者通过优化悬置传递等途径来解决此问题。


图３　振动测试结果


图４　振动测试频谱图结果

2  启动过程控制逻辑

传统自动挡燃油车由于有离合器和液力变矩器，在发动机启停时将发动机和传动系统断开，故启动时负载相对较小。该型混动车辆在启动和熄火时，发动机与传动系统处于连接状态，负载相对较大，其启动过程的实现和控制逻辑会更加复杂。因此，对混合动力的汽车来说，发动机启停熄火过程所引起的ＮＶＨ 问题更为复杂。

本款车型启动时，ＨＣＵ 接收到启动信号后发送发动机启动请求及启动模式信号给ＥＭＳ。同时，ＨＣＵ 发送请求信号到Ｅ２ 号电机，使其拖动发动机由静止状态达到目标转速９００ ｒ／ｍｉｎ。ＥＭＳ接收到ＨＣＵ 的命令后，调整喷油系统状态后向ＨＣＵ 发送喷油请求，而后ＨＣＵ 向ＥＭＳ 发送允许喷油指令。ＥＭＳ 接收到允许喷油指令后开始喷油和点火。在此过程中，ＥＭＳ通过曲轴转速传感器接收曲轴转速信号，判断发动机转速是否高于目标转速。若大于目标转速，ＥＭＳ 发出点火成功标志位；若没有该信号，则表示点火失败。点火控制逻辑过程如图５ 所示。


点火过程中，Ｅ２ 号电机扭矩不会中断，并且Ｅ２ 号电机会一直通过行星齿轮机构和发动机的输出轴刚性连接。因此，采用该种启动方案的车型，其启动过程可分成２ 个主要阶段。第１ 阶段是Ｅ２ 号启动电机拖动发动机到目标转速过程，第２ 阶段是发动机在目标转速喷油点火过程。

3  启动抖动的机理分析

根据对启动过程的分析结果可知，本文的启动抖动现象可能发生在拖动阶段，也可能由于发动机喷油点火激励大造成冲击力大引起整车抖动。在拖动阶段，启动频率与动力总成俯仰模态共振或者启动扭矩不足会导致启动抖动，在点火启动瞬间冲击大但悬置缓冲或者隔振不足也会导致启动抖动。

由于启动抖动过程属于瞬态响应过程，难以通过建模进行虚拟分析，本文基于上述机理分析，制定了以下试验方案对上述可能引起启动抖动问题的机理进行排查分析。

３.１　模态共振

电机Ｅ２ 拖动发动机到目标转速９００ ｒ／ｍｉｎ，电机Ｅ２ 的转速由０ 到１ ５００ ｒ／ｍｉｎ，拖动过程中电机的主要激励频率范围为０ ～１５０ Ｈｚ，发动机的激励频率范围０ ～３０ Ｈｚ，该激励可能激起动力总成刚体模态和传动系统的扭转模态。为验证拖动过程中动力总成刚体模态或者传动系统的扭转模态是否被激励起来，制定如下试验，如表１ 所示。通过主观评价和测试数据，发现并无明显改善效果，因此该种可能原因被排除。



３.２　发动机点火激励

拔掉发动机的所有点火线圈，使发动机无法成功点火，并通过ＯＢＤ 接口读取发动机转速，同时在座椅导轨布置振动加速度传感器拾取该处振动信号，测试数据如图６ 所示。


图3 基于电池模组损伤容限的电动汽车动力电池防护设计方法流程图

通过时域对比分析发现，整车抖动最大的时刻发生在电机拖动发动机过程中，且在相同时刻拖动电机的扭矩发生明显波动。由此可以看出：冲击抖动与发动机点火阶段无关；冲击抖动发生在拖动阶段。

３.３　发动机气缸背压

拔掉发动机的所有点火线圈并使节气门完全打开减小气缸背压，与原状态的座椅导轨处振动测试结果对比如图７ 所示。


由图７ 可知：拔掉发动机的点火线圈后，座椅导轨处的振动峰值比原状态有明显降低，且主观感受启动抖动和“哐框”声相对原状态有明显改变。由此可知，发动机背压是影响启动冲击的原因之一。

３.４　启动电机力矩

在原状态基础上，仅将Ｅ２ 电机的启动扭矩由原状态的１４０ Ｎ·ｍ 增大到２００ Ｎ·ｍ，与原状态的座椅导轨处振动测试数据对比如图８ 所示。

图８　测试结果对比

由图８ 可知：电机扭矩加大后，座椅导轨处抖动峰值由原状态的０．０９ｇ 降低到０．０４９ｇ，且通过主观评价发现启动过程中的冲击抖动和“哐框”声主观感受有明显改善，评价结果和客观测试一致，说明电机Ｅ２ 拖动扭矩是影响启动冲击的因素之一。

基于上述测试方案所得结果，可以进一步得知：启动Ｅ２ 电机拖动发动机转速由静止状态冲到目标转速的过程中，节气门始终关闭，导致发动机的被拖过程中倒拖扭矩波动大。同时，Ｅ２ 电机的拖动扭矩相较发动机倒拖扭矩较小，无法避免发动机倒拖扭矩的影响，进而导致动力合成箱输出扭矩波动大，引起启动冲击抖动问题。

4  启动振动问题解决方案

４.１　提升启动电机启动力矩

选择电机Ｅ２ 的拖动扭矩范围为１６０ ～２２０ Ｎ·ｍ，座椅导轨处的振动峰值测试结果如图９ 所示。由图９ 可知，电机拖动扭矩可以有效扰动座椅导轨处振动情况，进而解决启动冲击问题。选择拖动扭矩２００ Ｎ·ｍ 时启动效果最好，基本满足开发目标要求。



４.２　调节发动机节气

门开度电机Ｅ２ 拖动发动机过程中，使节气门由常闭状态打开到３０％开度，以减小气缸背压从而减小倒拖扭矩。通过测试和主观评价发现，该方案对启停抖动有明显改善，说明该优化方案为有效方案。但该方案实施过程需第三方标定介入，周期较长。

综合以上优化方案，考虑动力电池的峰值放电功率以及悬置耐久等多项指标，制定最终的优化方案：电机Ｅ２ 拖动扭矩加大到１９０ Ｎ·ｍ，与此同时后悬置Ｘ 向刚度加大到２４０ Ｎ ／ｍｍ，该方案的座椅导轨处振动测试结果如图１０ 所示。由图１０可知：连续１０ 次启动峰值均低于０．０５ｇ，满足开发目标要求。



5  结束语

本文以国产某混动车型为研究对象进行机理分析，并制定一系列试验方案寻找启动过程中的整车抖动原因，最终确定整车抖动的原因为电机Ｅ２ 拖动发动机过程中扭矩波动导致。通过“源－路径－响应”的分析思路，分别制定了不同的优化方案，综合考虑各种因素，选择了一种组合方案解决启动抖动问题，验证了该优化方案的有效性。该启动抖动问题的排查方法和解决方法可为类似工程问题提供借鉴。


参考文献
［１］　余志生．汽车理论［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００５．
［２］　靳晓雄，张立军，江浩．汽车振动分析［Ｍ］．上海：同济大学出版社，２００２．
［３］　周长城，周金宝，任传波，等．汽车振动分析和测试［Ｍ］．北京：北京大学出版社，２０１０．
［４］　王望予．汽车设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２．
［５］　李勇，顾彦，靳春梅．汽车动力吸振器优化设计［Ｊ］．噪声振动与控制，２０１１（６）：１２６ －１２９．
［６］　王道勇，赵学智，上官文斌，等．发动机启停时动力总成悬置系统的设计方法研究［Ｊ］．振动与冲击，２０１８（８）：１４６ －１５０．
［７］　胡云峰，顾万里，梁瑜，等．混合动力汽车启停非线性控制器设计［Ｊ］．吉林大学学报（工学版），２０１７（４）：１２０７ －１２１６．
［８］　庞剑，谌刚，何华，等．汽车噪声与振动—理论与应用［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２００６．
［９］　林歆悠，张少博，冯其高．不同续航里程动力辅助系统启停控制优化［Ｊ］．中国机械工程，２０１７，２８（１）：１０７－１１２．
［１０］喻金龙．某车型怠速启停系统原理及其标定［Ｊ］．汽车工程师，２０１８，２５５（７）：５３ －５７．