混合動力汽車多動力源耦合傳動系統的扭轉共振控制方法

金鑫君

摘 要：為減小多動力源耦合傳動系統中存在的扭轉共振危害，保障車輛動力傳動系統安全可靠運行，提高復雜機電系統的可靠性，本文以系統復雜、耦合程度高的混合動力汽車為研究對象，提出了一種多動力源耦合傳動系統的扭轉共振控制方法。其間通過比較傳動系統在不同工作狀態下的扭振是否落入各零部件固有振動頻率范圍來控制動力源轉速和動力源狀態，從而建立扭轉共振回避控制方法。結果表明，在傳動系統扭轉共振控制方法的基礎上，利用采集的振動信號與零部件中的固有頻率進行比較計算，比較有效地減少共振發生的次數。

關鍵詞：扭振;油電混合動力;扭轉共振;控制

中圖分類號：U463.2文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）35-0039-04

Abstract： In order to reduce the torsional resonance hazard in the multi-power source coupling transmission system， ensure the safe and reliable operation of the vehicle power transmission system， and improve the reliability of the complex electromechanical system， this paper took the hybrid electric vehicle with complex system and high coupling as the research object， and proposed a torsional resonance control method for a multi-power source coupling transmission system. In the meantime， by comparing whether the torsional vibration of the transmission system under different working conditions falls into the natural vibration frequency range of each component， the speed of the power source and the state of the power source were controlled， thereby establishing a torsional resonance avoidance control method. The results show that， based on the torsional resonance control method of the transmission system， using the collected vibration signal to compare and calculate with the natural frequency of the parts can effectively reduce the number of resonance occurrences.

Keywords： torsional vibration;hybrid electric vehicle; torsional resonance;control

混合動力汽車搭載至少兩套驅動系統，無論在動力性能上還是續航里程上，都明顯優于單一動力源的純電動汽車和內燃機汽車。混合動力汽車常見的驅動類型為油電混合動力，包括電驅動系統和內燃機驅動系統，兩個不同性質的動力源針對不同的驅動系統，兩個不同的驅動系統則通過機電耦合實現高度集成。混合動力傳動系統為車輛傳遞動力扭矩的關鍵環節，其傳遞路徑、耦合程度以及響應速度等影響著車輛的舒適性、動力性、經濟性和安全性。

混合動力汽車動力耦合通常采用行星機構動力耦合，豐田THS系統采用兩個電機（MG1、MG2）、一個行星齒輪、一個離合器對不同動力源的動力扭矩進行耦合。黃海瑞分析了客車行星混聯式多動力源耦合系統中存在的行星齒輪機構的非線性動力學問題與電機快速響應特性均可能惡化傳動系統的扭振狀況[1];于福康研究某P2構型并帶有CVT變速器的混合動力SUV的CVT變速器動力學特性[2];鐘必清等人針對某混聯式客車動力傳動系統，在典型工況下進行臺架試驗，使用動力學參數識別和發動機激勵轉矩修正的方法仿真和分析混合動力傳動系統扭振的力學性能[3]。孟德建等人針對發動機、電動機和行星齒輪系等子系統組成的混聯式混合動力傳動系統，建立了混合動力驅傳動系統扭轉動力學模型，研究在純電動、混合動力和停車充電工作模式下系統的固有特性和瞬態響應，結果發現，整車加速度瞬態響應與激勵源干擾力矩的頻率成分相同，在啟動電機工作階段和停機階段低轉速運行時，轉矩波動引起的整車縱向振動較大，模式切換造成激勵源轉矩突變，行星齒輪系統的角加速度波動幅值明顯增大[4]。韓清振在并聯混合動力傳動系統模型的基礎上，通過拉格朗日方法建立了對應的當量化模型，嘗試在并聯模式下探究傳動系統平衡點的穩定性[5]。有研究針對小型2缸內燃機并聯式混合動力汽車的動力系統，提出了一種模型預測控制器（Model Predictive Controller，MPC）對傳動系統進行主動減振[6-8]。還有研究分析了傳動系統扭轉振動過程中共振固有頻率的特性[9-10]。其目的是減小多動力源耦合傳動系統中存在的扭轉共振，保障車輛傳動系統安全可靠運行。由于混合動力汽車傳動系統集成了變速器、行星齒輪機構、驅動電機等復雜機構，工作狀態更為復雜，振動和噪聲問題更為突出，因此，研究多動力源耦合傳動系統扭轉共振控制方法具有重要的意義。

本文以某混合動力汽車多動力源耦合傳動系統（豐田THS系統，采用兩個電機，即MG1、MG2）作為研究對象，在不同工況（低速啟動、勻速行駛、急加速和減速制動）下，建立傳動系統中組件的共振固有頻率模型和動力學模型架構，提出針對扭轉振動引起的共振控制方法。

1 混合動力汽車傳動系統的動力學模型

混合動力汽車傳動系統動力源包括內燃機和驅動電機，從內燃機輸出的扭矩經過扭轉減振器，再進入行星組件，發電機MG1與行星組件中太陽輪相連，驅動電機MG2與固定速比的變速器輸入軸連接。行星組件作為動力耦合裝置，各傳動路徑上的扭矩進行耦合，其中，發電機MG1和驅動電機MG2都可對車輛進行驅動，發動機可以驅動車輛或帶動發電機MG1進行發電，同時發電機MG1進行發電能夠啟動內燃機。根據混合動力車輛部件連接關系，建立混聯式混合動力扭矩傳遞構型，如圖1所示。

整車動力部件參數均進行參數匹配設計，驅動電機MG2與動力電池的逆變器連接，車輛純電動模式工況進行工作時，由驅動電機MG2帶動固定速比變速箱，在驅動行星組件中，由行星架直接輸出動力至車輛驅動半軸。

綜合考慮傳動部件的質量、布置形式等，根據集中質量法建立系統動力學方程，假設傳動系統中各轉動慣量均為剛性圓盤，各剛性圓盤之間由無質量扭簧阻尼器連接，剛度和阻尼均設置為扭轉剛度和扭轉阻尼。

以系統能量保持不變為原則，將傳動部件簡化為多自由度集中質量模型，建立相應動力學方程：

式中，[I]、[C]、[K]分別為傳動系統中轉動慣量矩陣、阻尼系數矩陣、剛度系數矩陣;[θ¨]、[θ]、[θ]分別為傳動系統扭轉角加速度向量、扭轉角速度向量、扭轉角位移向量;[M]為激勵力矩向量。

建立傳動系統無阻尼自由振動方程，忽略激勵力矩矩陣向量與阻尼系數，即自由振動方程為：

假設傳動系統自由振動第[i]階固有頻率為[ωi]，其模態振型為[φi]，那么扭振的角位移為：

經進一步計算，系數矩陣行列式為0，即

計算行列式，即可求解。

2 行星耦合器的動力學模型

根據驅動電機MG2-變速器-行星組件、內燃機-發電機MG1-行星組件不同傳動路徑上的連接關系和運動關系，建立整車傳動系統各組件的無阻尼自由振動動力學方程，再建立整車傳動系統的無阻尼自由振動矩陣。

由于動力耦合在行星組件，建立行星組件的拉格朗日算子，即

式中，[L]為拉格朗日算子;[I'c]為等效行星架轉動慣量;[Ia]、[Is]、[Ir]分別為行星輪、太陽輪、齒圈的轉動慣量;[θc]、[θs]、[θr]分別為行星架、太陽輪、齒圈的轉速;[θacj]為第[j]個行星輪相對行星架轉速，共有[n]個行星輪;[kar]、[ksa]分別為行星輪與齒圈齒輪副、太陽輪與行星齒輪齒輪副的平均嚙合剛度;[Ra]、[Rs]、[Rr]為行星輪、太陽輪、齒圈的半徑;[θacj]為第[j]個行星輪相對行星架的轉角;[Rac]、[Rca]為行星輪和齒圈的平均半徑;[θc]、[θs]、[θr]為行星架、太陽輪、齒圈的轉角。

針對拉格朗日算子微分，即可計算各部件無阻尼動力學方程。

3 扭轉共振控制方法

混合動力汽車動力性強，大功率、高轉速車輛通常采用多個動力源的混合動力，且配備大功率柴油機、電動機和復雜的動力傳動系統，在這一類車輛上，不同傳動軸在傳遞扭矩時通常會出現頻繁的共振頻率點，而依靠回避“共振點”的方法通常難度大。

改變車輛行駛過程中動力源的工作狀態，回避部件扭轉耦合過程中扭振帶來的共振問題，能夠有效減少噪聲和系統間的不穩定性，而扭轉共振控制方法包括三步驟。

首先，建立不同擋位下不同傳動路徑下各零部件固有振動頻率[f]的矩陣[A]，其中，[n]為第[n]個擋位，[m]為第[m]個傳動零部件。

然后，建立不同動力模式驅動下不同階數扭振的諧振激勵頻率[ff]的矩陣[B]，其中，[p]為第[p]種動力模式驅動，[k]為第[k]階諧振激勵頻率。

最后，在第[x]種擋位，第[i]種動力模式驅動下的第[j]階扭振的諧振激勵頻率[ffij]，若滿足式（8）條件，[[fx-δ，fx+δ]]為能夠引起共振的上下邊界頻率，且[ffij]處于該區間，時間達到[Δt]，則改變動力源工作狀態;若滿足式（9）條件，[[fx-δ，fx+δ]]為能夠引起共振的上下邊界頻率，且[ffij]處于該區間，時間達到[Δt]，則維持動力源工作狀態。

由于車輛在不同擋位下的動力輸出至不同傳動路徑，而為了更好地識別不同擋位針對不同傳動路徑的固有頻率，先統計不同傳動路徑的固有頻率數值，后針對該傳動路徑下的固有頻率進行分解。

在油電混合兩種動力源驅動的車輛中，在電機單獨驅動下，當扭轉振動的1、2、3、4次諧振激勵頻率范圍接近傳動系統固有頻率時，[δ]取值介于1～100 Hz，當接近1～5 Hz時，啟動內燃機，從而改變工作模式，有效避開共振點。若油電混合動力同時驅動車輛，則當扭轉振動的1、2、3、4次諧振激勵頻率范圍接近傳動系統固有頻率時，停止其中之一動力源的輸出，從而改變振動頻率，有效避開共振點。

4 結論

通過分析混合動力汽車動力傳遞構型，本文研究了如何減小多動力源耦合傳動系統中存在的扭轉共振，保障車輛動力傳動系統安全可靠運行。混合動力汽車傳動系統集成了變速器、行星齒輪機構、驅動電機等復雜機構，工作狀態更為復雜，振動和噪聲更為突出。基于此，筆者提出了一種針對混合動力汽車的扭轉共振控制方法，通過比較工作狀態下扭振是否落入各零部件固有振動頻率范圍來控制動力源轉速和動力源狀態，其比較有效地降低傳動系統扭轉共振發生的次數，未來要進一步在更多數據情況下研究模型預測的準確性。總之，如何測量和分解混合動力系統不同部件引起的共振固有頻率，構建扭轉共振檢測模型和系統，是進一步研究的方向。

參考文獻：

[1]黃海瑞.行星混聯式混合動力客車傳動系扭振特性分析與仿真研究[D].長春：吉林大學，2019：22-24.

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