基于電動汽車零速換擋抖動控制策略優化分析

0   引言

隨著石油資源日趨緊張及環境問題日益嚴重，電動汽車的普及率越來越高，并隨著技術的發展及人們認知的提升，消費者不僅僅追求電動汽車的動力性和經濟性，對整車的舒適性要求越來越高。整車起步抖動的原因有很多，如整車懸置支架強度、懸置軟墊強度、減速器內部齒輪間隙結構，傳動半軸剛度、電機、發動機扭矩波動、底盤防震能力等原因。針對電動車換擋以及其他形式的抖動，歷來有很多文獻對此進行了研究。王朝建等根據蠕行抖動分析為電機階次震動原因引起，通過對蠕行扭矩進行標定優化^[1]。唐柏強針對換擋時整車抖動特性，提出了了一種基于改進電機驅動扭矩濾波算法改善換擋抖動的方法^[2]。曾晰等通過對新型純電動汽車急加速松踏板工況的聲振測試及測試數分析，提出了依靠優化整車結構件如懸置、副車架等連接方式來改善振動^[3]。高潔等通過對電動汽車換擋抖動現象研究，提出一種換擋能量回收策略，對電機施加負扭矩實現快速調節轉速以達到換擋整車不抖動的目的^[4]。

本文通過對某純電動汽車零速換擋抖動工況現象分析，提出一種優化控制扭矩請求和響應精度策略以改善換擋抖動現象。

圖1 整車網絡數據-原始方法

1   抖動工況介紹

本文所分析的零速換擋是指電動車在靜止條件下進行換擋操作，換擋是指R（倒擋）、N（空擋）、D（前進擋）擋位之間切換；零速換擋抖動是在車速靜止下換擋出現的抖動。圖1是在零速換擋時采集的整車網絡數據，由圖可知，整車換擋時的確出現了抖動現象，且由D擋切換R擋時，整車抖動程度比由R擋切換成D擋時要劇烈，從數據曲線可以看出每次換擋時電機轉速均會持續波動一段時間，然后車速再趨于零速，零速換擋抖動對電動汽車的駕駛感受、舒適性等均有影響。

圖2 電動汽車基本架構

2   換擋抖動原因分析

2．1 換擋抖動原因分析

本文所分析的電動汽車為純電動汽車，電動汽車工作原理是通過電池系統提供電池能量給到MCU（電機控制器），通過MCU進行交直流逆變轉換，再通過減速器進行降速提扭，最后通過傳動桿進行機械傳遞將驅動電機輸出扭矩傳遞到輪邊以驅使整車驅動。圖 2為電動汽車基本架構，可見其傳動系統主要包含驅動電機、減速器、球籠及傳動桿等。

驅動電機與減速器、減速器與球籠、球籠與傳動桿之間均為純機械連接，主要通過花鍵聯結，花鍵結構如圖3所示。整車在零速換擋時不論是由D擋和R之間的相互切換，還是起步時N擋和D擋、N擋和R擋之間的切換都會改變傳動系統的傳動力方向，導致不同部件花鍵齒之間來回切換，引起整車抖動現象；同時，多部件花鍵聯合傳動也會加劇換擋抖動。

動力由驅動電機輸出時，不論是換擋到R擋還是D擋，電機的花鍵首先會帶動減速器花鍵轉動。根據整車策略，此時剎車踏板并未松開，整車有蠕行扭矩，蠕行扭矩加載梯度較大，在電機花鍵帶動減速器花鍵轉動的一瞬間齒與齒嚙合，會出現打齒、咬齒等現象，經過多級放大整車抖動加劇、電機轉速波動幅度大。

圖3 齒輪嚙合示意圖

2．2 換擋抖動原策略分析

圖4為零速換擋策略流程圖，換擋時整車需求蠕行扭矩并將命令發給VCU（整車控制器），VCU按需求向MCU發送扭矩請求，MCU實時響應扭矩，MCU接收扭矩命令后對電機分配電流、電壓以驅動整車行駛，本文為了驗證零速換擋抖動效果，蠕行扭矩設置在±1NM以內。

原車MCU扭矩響應精度和VCU請求描述如下：

1)  MCU扭矩響應：

①扭矩響應|＜|1Nm不響應；

②扭矩響應|≥|1Nm，響應精度±0.1nm；

2）VCU扭矩請求：

①VCU扭矩請求|＜|1Nm時按1Nm或-1Nm請求；

②VCU扭矩請求|≥|1Nm，響應精度±0.1nm；

圖4 零速換擋策略

3   換擋抖動控制策略優化分析

3．1 換擋抖動策略優化分析

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

方法一：

1）MCU扭矩響應：

|＜|1Nm時，扭矩響應精度為0.1Nm；

2）VCU扭矩請求：

如圖4，執行D擋時，以0扭矩加載到0.5Nm，維持100ms后再加載到1Nm；

執行R擋時，到-1Nm時降到-0.5Nm，之后維持100ms再下降至0Nm； 

通過方法一優化后采集整車數據可知，整車在零速換擋時抖動明顯改善，相比較原方法時電機轉速不管是D擋還是R擋，轉速波動明顯下降，降幅約20%，通過數據分析，R擋抖動比D擋抖動要劇烈。

圖4 扭矩加載梯度方法一

圖5 整車網絡數據-方法一

方法二：

1）MCU扭矩響應精度：

|＜|1Nm時，扭矩響應為0.1Nm；

2）VCU扭矩請求精度：

如圖4，執行D擋時，從0扭矩以每30ms加載0.2Nm至0.4Nm，維持50ms后再加載到1Nm；

 執行R擋時，從-1Nm降至到-0.5Nm，維持50ms后再以每30ms下降0.1Nm直至0Nm； 

通過方法二優化后采集整車數據可知，整車在零速換擋時抖動比方法一還要有改善，不管是D擋還是R擋，轉速波動明顯下降，降幅也在20%，通過數據分析，電機轉速在R擋和D擋之前改善幅度基本相同，方法二對整車換擋抖動改善效果明顯。

3．2 換擋抖動策略優化后工況分析

圖6  扭矩加載梯度方法二

4   結論

經過驗證，本文提出的更改扭矩階梯加載方法，經實車驗證電機轉速波動降低，降幅約40%，整車抖動現象明顯減弱，也為整車換擋抖動問題提出了一種解決方法。

圖3 VCU扭矩請求精度優化。

參考文獻：

[1] 王朝建，曾海軍，肖揚.某電動汽車蠕行抖動測試分析[J]. 汽車實用技術.2019 (23)；

[2] 唐柏強.某款純電汽車換擋抖動分析及對策[C].中國會議.2016.

[3] 曾晰，申秀敏，李利明.新型純電動汽車抖動現象測試及分析[J]

[4] 高潔，王金橋，倪紹勇,一種純電動手動檔汽車換擋抖動問題優化研究[J].汽車零部件.2019（03）40-42；

作者簡介：陳士剛，男，（1987.9-）天津理工大學 機械工程專業，碩士研究生，工程師，主要研究方向為新能源汽車電驅動系統。

（注：本文刊登于《電子產品世界》雜志2020年11期）