某電動汽車起步沖擊和抖動測試分析

王朝建　肖揚

摘 要：某電動汽車（以下簡稱“某車型”）D檔起步時先有沖擊現象后伴隨整車抖動，嚴重影響車輛的駕乘舒適性。文章基于某主機廠在研車型存在的該問題進行測試分析，通過對振動信號的colormap進行分析，分析出傳動系齒間間隙是導致沖擊的原因，電機的階次振動是導致起步抖動的主要原因;通過對比該車型與標桿車的扭矩變化曲線，提出后續優化標定方案。文章研究為電動汽車起步抖動優化設計提供依據，對整車NVH性能提升有重要意義。關鍵詞：電動汽車;起步;抖動;測試分析中圖分類號：U469.72? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）01-03-03

Abstract： The electric vehicle， D， starting， accompanied by vehicle impact and shake， which seriously affects the driving comfort of the vehicle. The article is based on the test and analysis of this problem in the research and development model of a host factory. By analyzing the colormap of the vibration signal， it is recognized that the clearance between teeth of transmission system is the cause of impact and the order vibration of the motor is the main cause of starting shake; by comparing the electric vehicle to the benchmark car， the torque variation curve is proposed， and the subsequent calibration optimization scheme is proposed. This paper provides a basis for the optimization design of creeping shake of electric vehicles， which is great significance to the improvement of NVH performance of the vehicle.Keywords： Electric vehicle; Starting; Shake; Test analysisCLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）01-03-03

前言

車輛起步不僅要求平穩、快捷、而且要滿足駕駛員的起步意圖，同時要求能適應外部行駛環境的變化以及車輛自身參數的變化。從純電動汽車起步平順性考慮，起步時應避免產生使乘員感到不舒適的抖動、沖擊和在傳動系中產生過大的動載荷^[1]。文章通過對驅動電機本體、方向盤及座椅導軌振動進行測試，通過試驗手段分析起步抖動產生的原因，對整車NVH性能開發過程中VCU、MCU程序設計及驅動電機結構設計具有指導意義。

1 起步抖動測試

1.1 測試設備

本次試驗借助LMS Test.lab數采前端及分析軟件、CAN線、三向振動加速度傳感器等附件完成。依據汽車行業針對整車振動問題的常規測試方法對驅動電機本體、方向盤、座椅導軌位置進行振動測試。

1.2 測試方案

通過對該車起步沖擊和抖動問題進行主觀評價，結合振動產生機理及現有的試驗設備情況，制定如下測試方案：

（1）原狀態車輛N檔，踩住剎車，掛D檔，松開剎車起步測試;

（2）控制扭矩：電機施加2Nm預扭矩起步測試;

（3）標桿車起步測試;

（4）優化后驅動電機樣機測試。

1.3 數據記錄與振動分析軟件

測量時，振動信號通過三向振動加速度傳感器采集，扭矩信號、車速、轉速等信號通過CAN線讀取，采集到的信號傳輸到數采前端，借助其完成振動信號與數字信號之間的轉換;采集到的振動和扭矩、轉速等數據使用LMS Test.lab分析軟件進行處理，通過該軟件分析，最終獲取振動colormap圖、扭矩變化曲線、轉速曲線等 ^[2]。

2 測試數據分析

2.1 原狀態D檔起步測試數據分析

圖1， D擋起步時先有沖擊現象后伴隨整車抖動現象。圖2，電機剛剛輸出扭矩時，電機轉速、車速會產生兩個較大峰值波動，對應圖1中的第一次沖擊。可能的原因：（1）懸置限位不足;（2）傳動系齒間間隙影響，傳動系正轉消除間隙后碰撞回彈，然后再次正轉嚙合，所以是兩個波峰，4.16s瞬時有負轉速，證明是回彈。

針對可能原因（1），Tip in/Tip out 工況，主觀評價無動總沖擊現象，判斷非懸置剛度問題;針對可能原因（2），施加2Nm的預扭矩進行驗證，以消除傳動系齒間間隙影響。

從圖2可以看出，達到蠕行最大扭矩25Nm后，電機轉速、車速有明顯波動，對應colormap圖上約13Hz的振動。抖動時電機轉速為20～80r/min ，對應傳動軸萬向節3階頻率0.13～0.52Hz，可以排除傳動軸模態影響?？赡艿脑颍海?）懸架模態影響;（2）動總剛體模態影響，恒扭矩輸出時，初步判定為負載的變化導致反作用于電機扭矩變化，激勵起剛體模態。

針對可能原因（1），起步時車速較低，路面激勵不足以激勵懸架振動，排除懸架模態影響;針對可能原因（2），測試動力總成剛體模態，存在12.9Hz模態。

2.2 電機施加2Nm預扭矩起步測試分析

圖3，電機施加2Nm的預扭矩后，針對第一次沖擊現象，沖擊幅值有明顯降低（圖3左邊第一個框中區域），且主觀感受上有明顯改善。但，車內抖動問題依然存在，且頻率約在13Hz（圖3左邊第二個框中區域）。

圖4，上圖為施加2Nm預扭矩測試數據，下圖為施加2Nm預扭矩測試數據，對比可知施加2NM預扭矩后，轉速波動的第一個峰值消失，證明轉速波動是由傳動系齒間間隙導致的。

2.3 標桿車起步測試分析

圖5為標桿車D擋起步工況電機本體振動測試數據，從圖中可以看出標桿車電機本體振動無明顯階次，且主觀感受上標桿車也不存在起步抖動現象。

2.4 優化后驅動電機樣機起步測試分析

將優化后樣機搭載在同一輛車上進行驗證。測試過程中除電機施加2Nm預扭矩外，VCU和MCU程序標定版本同2.1測試工況，測試結果見圖6所示。

測試結果表明，電機本體無24階振動，主觀感受起步過程車內無抖動現象。

3 優化方案

3.1 扭矩標定優化

3.1.1 起步沖擊優化

電機施加預扭矩對起步沖擊有明顯改善，建議后期標定增加預扭矩。

3.1.2 起步抖動優化

圖7上圖為標桿車相電流曲線，下圖為某車型電機輸出扭矩。起步時大的扭矩變化會造成抖動現象，由于標桿車無起步抖動現象，故，后續建議參考標桿車的起步標定策略。

目前，抑制純電動汽車起步抖動，主要增加力矩平滑環節，使電機輸出力矩以一定的步長逼近期望力矩，通過限制電機輸出扭矩瞬間跳變的步長，減小電機輸出力矩對傳動系統的沖擊，將電機輸出階躍狀態的扭矩轉換成斜坡狀態的扭矩，使起步抖動現象得到改善。

在前期調試MCU控制程序的基礎上，通過增大電流環增益PI系數及轉矩指令濾波時間，亦可提高整車的平順性。

3.2 電機結構優化

針對起步抖動問題，供應商對電機結構進行優化：（1）定、轉子軸向長度縮短;（2）減小軸向氣隙不均勻度;（3）繞組改為短距，減小氣隙諧波磁密。驗證結果表明本次對電機結構的優化改進對起步抖動有明顯改善效果。

4 結論

文章依托某車型起步沖擊和抖動問題，依據汽車行業針對整車振動問題的常規測試方法進行測試分析，結合振動傳遞路徑、電機輸出扭矩控制策略、排除關聯部件影響、對比分析法設計試驗程序。然后通過對測試數據進行分析，確定產生沖擊的原因為傳動系齒間間隙過大;產生整車抖動的原因為電機24階激勵，激發起約13Hz的動力總成剛體模態。文章對解決純電動汽車起步沖擊和抖動問題有重要借鑒意義。

參考文獻

[1] 杜瑞.純電動汽車起步控制策略研究[D].重慶：重慶大學，2012.

[2] 陳昕，王朝建，等.汽車發電機通風噪聲階次分析方法研究[J].微特電機.2013， （41）： 37-39.