甄子健 陳瀟凱 夏超英* 林 逸

(* 科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心 北京 100044)(**北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院 北京 100081)(***天津大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 天津 300072)(****北京汽車(chē)研究總院 北京 100176)

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電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)工況下縱向沖擊問(wèn)題研究①

甄子健②*陳瀟凱**夏超英***林 逸****

(*科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心 北京 100044)(**北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院 北京 100081)(***天津大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 天津 300072)(****北京汽車(chē)研究總院 北京 100176)

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)在驅(qū)動(dòng)加速工況下存在縱向沖擊的問(wèn)題，進(jìn)行了整車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)特性分析和電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性分析，找出了引起電動(dòng)汽車(chē)在驅(qū)動(dòng)工況下的縱向沖擊的主要因素，并結(jié)合整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制進(jìn)行機(jī)電耦合仿真，開(kāi)展了電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)在起步階段和加速過(guò)程控制策略轉(zhuǎn)換階段的縱向沖擊研究，提出了抑制電動(dòng)汽車(chē)縱向沖擊的方法。該方法能在保證整車(chē)驅(qū)動(dòng)性能的前提下，減小了縱向沖擊度，提高了平順性和舒適性。

電動(dòng)汽車(chē)， 驅(qū)動(dòng)， 縱向沖擊， 電機(jī)控制， 機(jī)電耦合仿真

0 引 言

車(chē)輛動(dòng)態(tài)特性的研究有多個(gè)方面，例如起步、換檔等過(guò)程的平穩(wěn)性，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振問(wèn)題，以及轉(zhuǎn)向過(guò)程等。為了能夠?qū)Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制軟件開(kāi)發(fā)提供理論及試驗(yàn)依據(jù)，人們一直致力于車(chē)輛動(dòng)態(tài)特性研究，并對(duì)影響動(dòng)態(tài)工況的因素不斷進(jìn)行深入分析[1]。車(chē)輛在過(guò)渡工況下，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)除有正常行駛工況的激勵(lì)(發(fā)動(dòng)機(jī)周期性激勵(lì)、路面隨機(jī)激勵(lì)、傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部激勵(lì)等)作用外，還有離合器、換檔同步器(離合器)和制動(dòng)器的激勵(lì)[2]。過(guò)渡工況工作時(shí)間雖短，但由于行駛過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)，引起了各國(guó)工程技術(shù)人員的重視[3,4]。車(chē)輛縱向振動(dòng)對(duì)乘坐舒適性影響較大，路面早期損壞主要由車(chē)輛路面間的行車(chē)縱向剪力造成[5]。部分研究人員曾通過(guò)建立簡(jiǎn)單的車(chē)輛縱向振動(dòng)模型對(duì)由于路面不平度激勵(lì)造成的縱向振動(dòng)進(jìn)行了研究[6]。

本文選題來(lái)源于作者對(duì)國(guó)內(nèi)外各種電動(dòng)汽車(chē)樣車(chē)的駕乘感覺(jué)和對(duì)比分析。幾年前還處于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段的電動(dòng)汽車(chē)，在駕駛舒適性上與常規(guī)汽車(chē)(自動(dòng)變速箱)相比有較大差距，特別是在與驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)的車(chē)輛縱向上，在低速起步階段，不同程度地存在縱向“攛動(dòng)”和瞬時(shí)振動(dòng)現(xiàn)象，有時(shí)甚至有振動(dòng)不斷加劇、呈現(xiàn)發(fā)散的趨勢(shì)，駕車(chē)者對(duì)此只能采取猛踩油門(mén)跨越“攛動(dòng)”區(qū)，當(dāng)共振發(fā)散時(shí)只能緊急停車(chē)。目前，國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)主要精力放在了新型動(dòng)力系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)上，動(dòng)力系統(tǒng)與整車(chē)縱向平順性的匹配尚未太多涉及，縱向動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的研究和知識(shí)積累較少。本文的目的是將車(chē)輛縱向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性與電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)控制策略?xún)?yōu)化具體結(jié)合，與參數(shù)匹配和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合，在保證整車(chē)驅(qū)動(dòng)性能的前提下，減少縱向沖擊度，保證平順性和舒適性。

1 縱向沖擊因素分析及評(píng)價(jià)方法

電動(dòng)汽車(chē)在驅(qū)動(dòng)工況下產(chǎn)生縱向往復(fù)沖擊的現(xiàn)象主要出現(xiàn)在加速過(guò)程初期，有些出現(xiàn)在低速恒扭矩向高速恒功率轉(zhuǎn)換的加速過(guò)程中。本課題研究的是純電動(dòng)轎車(chē)樣車(chē)，在其新型動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，就曾碰到過(guò)在加速驅(qū)動(dòng)過(guò)程的起步期和40km/h左右時(shí)速區(qū)的縱向沖擊現(xiàn)象。

1.1 電動(dòng)汽車(chē)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電動(dòng)汽車(chē)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與常規(guī)汽車(chē)有很大差別，電動(dòng)車(chē)輛機(jī)械驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，之后經(jīng)由減速箱、差速器、萬(wàn)向節(jié)、驅(qū)動(dòng)半軸傳到車(chē)輪，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)。圖1為所研究純電動(dòng)轎車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)布置圖。

圖1 某純電動(dòng)轎車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)布置

由于電機(jī)在驅(qū)動(dòng)性能上較內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有效率高、易控制、調(diào)速范圍廣、低速大扭矩等優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速箱一體化設(shè)計(jì)制造已成為趨勢(shì)。本課題研究的純電動(dòng)汽車(chē)異步電機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用固定速比的減速箱來(lái)替代原車(chē)的變速器，由電機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器，直接與減速箱輸入軸相連,而取消了離合器。雖然這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并具有良好驅(qū)動(dòng)性能，但由于不能借助傳統(tǒng)汽車(chē)自動(dòng)變速箱動(dòng)力系統(tǒng)已有的驅(qū)動(dòng)平順性研究成果，也不能像傳統(tǒng)手動(dòng)變速動(dòng)力系統(tǒng)那樣利用人的主觀(guān)控制來(lái)使接合與變換更加平順，在開(kāi)發(fā)初期碰到了驅(qū)動(dòng)工況下的縱向沖擊問(wèn)題。因此，需要針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)特性開(kāi)展動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及電機(jī)控制策略的深入研究。

1.2 縱向沖擊影響因素分析

在研究對(duì)象樣車(chē)碰到驅(qū)動(dòng)工況縱向沖擊問(wèn)題后，繪制了圖2所示的電動(dòng)汽車(chē)縱向沖擊影響因素分析圖，對(duì)可能造成縱向沖擊的原因進(jìn)行了全面分析和研究，認(rèn)為出現(xiàn)縱向沖擊的原因主要有電機(jī)及其力矩波動(dòng)、電傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其振動(dòng)沖擊、驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)控制策略不合理、整車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性及與驅(qū)動(dòng)的協(xié)調(diào)研究不夠等。同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)駕乘縱向舒適性評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)不健全，在一定程度上也影響到了縱向沖擊問(wèn)題的綜合解決。

圖2 電動(dòng)汽車(chē)縱向沖擊影響因素分析圖

經(jīng)過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)工況縱向沖擊問(wèn)題的逐步深入研究，結(jié)合對(duì)出現(xiàn)沖擊車(chē)輛的實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果分析，初步可以判定這種沖擊與電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輛整車(chē)結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)和主驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩波動(dòng)有關(guān)。

1.3 縱向沖擊特性評(píng)價(jià)方法

電動(dòng)汽車(chē)縱向沖擊特性評(píng)價(jià)一般有兩個(gè)途徑[7]：根據(jù)駕駛員的操縱感覺(jué)進(jìn)行主觀(guān)評(píng)價(jià)；根據(jù)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行客觀(guān)評(píng)價(jià)。單靠主觀(guān)評(píng)價(jià)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，需進(jìn)行大量實(shí)車(chē)試驗(yàn)，并存在不夠準(zhǔn)確和評(píng)價(jià)者的個(gè)體差異等問(wèn)題[8]。

1.3.1 沖擊度評(píng)價(jià)法

到目前為止，針對(duì)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)參數(shù)，業(yè)內(nèi)提出了沖擊度的概念[1]。沖擊度是指車(chē)輛縱向加速度的變化率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中，j為沖擊度；v為汽車(chē)行駛速度；a為汽車(chē)行駛加速度。沖擊度的概念的提出是與起步、換擋的主觀(guān)評(píng)價(jià)方法相對(duì)應(yīng)的。乘員滿(mǎn)意的沖擊特性評(píng)價(jià)指標(biāo)為：低頻時(shí)f<3Hz，j<(2.5～2.6)g/s；當(dāng)f>3Hz時(shí)，用j′=j[1-0.1(f-3)]修正。乘員不滿(mǎn)意的沖擊特性評(píng)價(jià)指標(biāo)為j>(3.2～3.8)g/s。

隨著車(chē)輛動(dòng)力學(xué)與縱向沖擊控制研究的發(fā)展，單純采取沖擊過(guò)程中最大沖擊度進(jìn)行沖擊特性的評(píng)價(jià)，難以對(duì)其縱向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行全面、有效地評(píng)價(jià)。

1.3.2 縱向沖擊度時(shí)域特性評(píng)價(jià)法初探

為更加細(xì)致、全面、有效地評(píng)價(jià)車(chē)輛縱向沖擊特性，本文在時(shí)域及頻域兩個(gè)方面探討縱向沖擊特性的評(píng)價(jià)方法。

為了綜合利用幅值和響應(yīng)時(shí)間對(duì)縱向沖擊度進(jìn)行評(píng)價(jià)，可采用下面的評(píng)價(jià)記分系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)：

(2)

式中，F(xiàn)max為最大振幅值，F(xiàn)min為最小振幅值，M為評(píng)價(jià)得分值。M稱(chēng)為滿(mǎn)意度，M值越大說(shuō)明人對(duì)縱向沖擊度的主觀(guān)感覺(jué)越好。

1.3.3 縱向沖擊度頻域特性評(píng)價(jià)法初探

機(jī)械振動(dòng)對(duì)人體的影響，取決于振動(dòng)的頻率、強(qiáng)度、作用方向和持續(xù)時(shí)間，而且每個(gè)人的心理與身體素質(zhì)不同，故對(duì)振動(dòng)的敏感程度有很大差異。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)1997年公布了ISO2631-1：1997(E)《人體承受全身振動(dòng)評(píng)價(jià)——第一部分：一般要求》。此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于評(píng)價(jià)長(zhǎng)時(shí)間作用的隨機(jī)振動(dòng)和多輸入點(diǎn)多軸向振動(dòng)環(huán)境對(duì)人體的影響時(shí)，能更好地符合主觀(guān)感覺(jué)。

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)縱向沖擊而言，由于電動(dòng)機(jī)選用不同的控制策略，比較復(fù)雜，使得其在運(yùn)行過(guò)程中的縱向沖擊也非常復(fù)雜，各個(gè)時(shí)間歷程中的縱向沖擊不能保證毫無(wú)干擾，僅僅從縱向沖擊度的振幅和作用時(shí)間很難客觀(guān)地對(duì)縱向沖擊度給出評(píng)價(jià)，因此，本文進(jìn)一步探討采用隨機(jī)振動(dòng)和能量的觀(guān)點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)。

設(shè)振動(dòng)系統(tǒng)的方程為

(3)

如果系統(tǒng)所受激勵(lì)為

(4)

則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為

x=Re[z]

(5)

定義

(6)

為系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)，它的模

(7)

稱(chēng)為放大因子，體現(xiàn)了激勵(lì)頻率與響應(yīng)幅值的影響，以頻率為橫坐標(biāo)，以放大因子H為縱坐標(biāo)做出曲線(xiàn)圖，可以得到系統(tǒng)的幅頻特性圖。它直觀(guān)反映了放大因子與頻率的關(guān)系，描述了振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

對(duì)幅頻特性進(jìn)行處理。幅頻特性曲線(xiàn)與水平軸圍成的面積可以定量地反映縱向沖擊度的能量信息，因此可以用來(lái)評(píng)價(jià)縱向沖擊度，構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)系式為

(8)

式中，A0為常數(shù)，根據(jù)實(shí)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提煉并參考有關(guān)文獻(xiàn)，在此取A0=3.4m2，N值為滿(mǎn)意度，N越大，對(duì)縱向沖擊度的主觀(guān)評(píng)價(jià)越好。

以上評(píng)價(jià)方法從不同的角度對(duì)縱向沖擊度給出了評(píng)價(jià)，其中頻率域的評(píng)價(jià)基于縱向沖擊度作用于人體的能量，能夠更真實(shí)地反映縱向沖擊度對(duì)人體的作用，實(shí)車(chē)試驗(yàn)也證明了該評(píng)價(jià)方法與駕乘人員的主觀(guān)評(píng)價(jià)具有很好的一致性。

2 機(jī)電耦合建模及仿真

汽車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)研究分為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)和制動(dòng)動(dòng)力學(xué)兩部分。本文主要研究動(dòng)力突變時(shí)車(chē)輛的瞬態(tài)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，即在電動(dòng)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)分析建模的基礎(chǔ)上，進(jìn)行各種假設(shè)邊界條件和激勵(lì)條件下的整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，重點(diǎn)研究建立不同車(chē)輛縱向激勵(lì)與整車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)特性，解決車(chē)輛驅(qū)動(dòng)工況下的縱向沖擊問(wèn)題，進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制優(yōu)化。

異步電機(jī)的低速特性控制一直是技術(shù)難點(diǎn)，此外，還需要考慮效率、可靠性、穩(wěn)定性以及噪音等方面的問(wèn)題。隨著磁場(chǎng)定向控制(field oriented control, FOC)，直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control, DTC)以及空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation, SVPWM)等技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)定可靠的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)將在電動(dòng)汽車(chē)中得到很好的應(yīng)用和發(fā)展[9]。

本文將建立電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型和電機(jī)控制模型的耦合仿真模型，進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模，主要目的是分析電機(jī)參數(shù)變化引起矢量解耦不完全，導(dǎo)致電機(jī)輸出扭矩波動(dòng)而影響乘坐舒適性的電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性的原因，從而制定適宜的電機(jī)控制策略，降低在起動(dòng)、加速、制動(dòng)過(guò)程中由于電機(jī)扭矩波動(dòng)帶來(lái)的縱向沖擊[10，11]，保證行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性。

2.1 電機(jī)控制模型

電機(jī)開(kāi)發(fā)研究中控制系統(tǒng)常用的Simulink模型如圖3所示。在該模型中，負(fù)載往往只包括電機(jī)一側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將整車(chē)簡(jiǎn)化為一個(gè)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加到負(fù)載中。圖中輸入為力矩信號(hào)N，輸出為根據(jù)力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算得出的車(chē)速。因此，該仿真模型只能作為進(jìn)行常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)匹配的參考依據(jù)，并不能用對(duì)于分析驅(qū)動(dòng)過(guò)程中瞬態(tài)的縱向沖擊問(wèn)題。

圖3 電機(jī)控制Simulink仿真模型

2.2 用于縱向沖擊研究的機(jī)電耦合仿真模型

本文同時(shí)應(yīng)用SIMPACK的MATSIM/SIMAT模塊和MATLAB/Simulink對(duì)包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的整車(chē)進(jìn)行仿真分析。在SIMPACK中建立整車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；在MATLAB執(zhí)行電機(jī)控制。這兩個(gè)軟件以耦合的方式同時(shí)工作。解決了多體動(dòng)力學(xué)(整車(chē)模型)自由度過(guò)多和控制運(yùn)算法則(電機(jī)控制系統(tǒng))過(guò)于復(fù)雜的兩者共處問(wèn)題。所建立的電動(dòng)汽車(chē)SIMPACK-Simulink耦合仿真分析模型如圖4所示。

圖4 用于縱向沖擊研究的電動(dòng)汽車(chē)機(jī)電耦合仿真模型

耦合模型在聯(lián)合仿真過(guò)程中，SIMPACK所建立的多體動(dòng)力學(xué)模型輸出三個(gè)信號(hào)至Simulink所建立的電機(jī)模型：踏板作用、電機(jī)定子繞車(chē)身的轉(zhuǎn)動(dòng)和電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；電機(jī)模型為SIMPACK模型返回一個(gè)輸入信號(hào)：電機(jī)扭矩。踏板作用是通過(guò)一個(gè)等效力矩考慮的，模擬駕駛員踩下踏板的作用。SIMPACK輸出的踏板作用、定子繞車(chē)身的轉(zhuǎn)動(dòng)和電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)Simulink的計(jì)算，返回電機(jī)扭矩信號(hào)，輸入至SIMPACK的電機(jī)模型，從而驅(qū)動(dòng)整車(chē)的行駛。

2.3 耦合仿真模型的計(jì)算驗(yàn)證

耦合仿真模建型立后，對(duì)電動(dòng)車(chē)未出現(xiàn)縱向沖擊的原地起步工況(0～30km/h全力加速)進(jìn)行仿真計(jì)算并驗(yàn)證模型。

采用一個(gè)階躍函數(shù)描述踏板踩下的過(guò)程，圖5為電機(jī)定子相對(duì)車(chē)身轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，該值對(duì)電機(jī)的控制精度有一定的影響。圖6是該工況下電機(jī)力矩輸出的響應(yīng)。

圖5 電機(jī)定子相對(duì)于車(chē)身的角速度

圖6 電機(jī)的力矩輸出

圖7是實(shí)車(chē)縱向加速度試驗(yàn)與仿真結(jié)果的比較。從頻率和阻尼兩個(gè)角度進(jìn)行考察?？梢钥闯龆哳l率較為接近，而阻尼有較大的差別，試驗(yàn)結(jié)果顯示阻尼較小，其原因可能是試驗(yàn)中人對(duì)踏板的操作不能像仿真中那樣以理想的階躍函數(shù)出現(xiàn)，而是有輕微的抖動(dòng)，這導(dǎo)致了振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的試驗(yàn)結(jié)果。

圖7 整車(chē)的縱向加速度

2.4 整車(chē)縱向沖擊研究與仿真

利用所建立的電動(dòng)汽車(chē)耦合分析模型，分別就導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制性能變差的各因素進(jìn)行仿真研究。電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)縱向沖擊問(wèn)題分為兩種情況，第一種情況為原地起步加速工況，第二種情況為車(chē)輛行駛至40m/h左右時(shí)電機(jī)輸出扭矩從恒扭矩區(qū)過(guò)渡至恒功率區(qū)。兩種情況下的現(xiàn)象相似，均為振動(dòng)逐步增至最大然后衰減。通過(guò)仿真分析可以得知，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制的性能是引起電動(dòng)汽車(chē)縱向沖擊的主要誘因。因此需要通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制特性的研究來(lái)分析解決上述縱向沖擊問(wèn)題。

分析和實(shí)踐表明，對(duì)于異步電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，引起電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制性能變差的主要因素有低速時(shí)由于轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差引起的轉(zhuǎn)矩控制性能的惡化；轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的變化引起的轉(zhuǎn)矩控制動(dòng)靜態(tài)特性的變化；弱磁控制時(shí)，由于磁路飽和非線(xiàn)性特性的影響，引起的轉(zhuǎn)矩控制性能的變化。

通過(guò)分析研究，給出相應(yīng)的技術(shù)解決方案如下:

(1)通過(guò)對(duì)M法測(cè)速(通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)測(cè)速)低速性能差對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)控制性能影響的仿真研究，提出了采用T法測(cè)速(通過(guò)測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間測(cè)速)或M-T法混合測(cè)速可以有效地提高車(chē)輛起步起步時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的性能，防止起步工況時(shí)縱向沖擊現(xiàn)象的發(fā)生。

(2)通過(guò)考慮勵(lì)磁特性非線(xiàn)性補(bǔ)償和未考慮補(bǔ)償時(shí)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出特性影響的仿真研究，提出必須根據(jù)勵(lì)磁情況，將勵(lì)磁電感非線(xiàn)性變化的因素考慮進(jìn)來(lái)，對(duì)矢量控制算法中的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)做必要的非線(xiàn)性校正，并對(duì)勵(lì)磁電流做必要的補(bǔ)償，使電機(jī)在急加速工況下，經(jīng)過(guò)由低速恒扭矩向高速恒功率控制策略轉(zhuǎn)換階段時(shí)的轉(zhuǎn)矩控制效果得到改善。

(3)分析了工程實(shí)踐中導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)縱向振動(dòng)的因素，認(rèn)為起步時(shí)為堵轉(zhuǎn)工況，電機(jī)電流很大且是低頻，產(chǎn)生的干擾容易耦合到速度傳感器上，導(dǎo)致了速度檢測(cè)錯(cuò)誤。速度錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)導(dǎo)致了磁場(chǎng)定向的偏差，導(dǎo)致系統(tǒng)失控，從而產(chǎn)生了電動(dòng)汽車(chē)容易起步抖動(dòng)。為此提出了幾項(xiàng)解決措施：在整車(chē)布線(xiàn)時(shí)注意不要將速度傳感器的線(xiàn)與電機(jī)線(xiàn)平行走線(xiàn)；電機(jī)三相線(xiàn)采用屏蔽線(xiàn)；加強(qiáng)速度的容錯(cuò)處理。

另外，課題組還對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)懸置以及電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)縱向沖擊的影響進(jìn)行了探索性仿真研究，初步認(rèn)定影響確實(shí)存在，但機(jī)理和抑制方法有待進(jìn)一步深入研究。

3 縱向沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

本論文研究試驗(yàn)對(duì)象是某國(guó)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)，其外形尺寸為L(zhǎng)3640×W1660×H1520，軸距2370mm，原車(chē)整車(chē)質(zhì)量1030 kg(空載)，改裝為電動(dòng)汽車(chē)(電機(jī)及其控制器代替發(fā)動(dòng)機(jī)置于前艙、動(dòng)力蓄電池分前后兩組置于底盤(pán)附近)后整車(chē)質(zhì)量1105kg(空載)。在課題研究過(guò)程中，進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)和大量數(shù)據(jù)的采集分析處理工作，記錄分析電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)的縱向沖擊現(xiàn)象，分別驗(yàn)證本文建立的電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模型的正確性，并對(duì)結(jié)合兩者耦合仿真對(duì)整車(chē)驅(qū)動(dòng)工況下縱向沖擊抑制方法有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)采集

整車(chē)的測(cè)試系統(tǒng)包括車(chē)體運(yùn)動(dòng)測(cè)試和電機(jī)特性記錄兩大部分。

試驗(yàn)中要測(cè)量車(chē)身質(zhì)心處三個(gè)方向的加速度、角加速度和姿態(tài)角，同時(shí)，對(duì)踏板位置、整車(chē)控制器輸出扭矩、電機(jī)輸出扭矩、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速等電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集記錄。進(jìn)行所選電動(dòng)車(chē)輛縱向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性實(shí)車(chē)試驗(yàn)，與仿真計(jì)算得出的車(chē)輛加速度-時(shí)間曲線(xiàn)、整車(chē)系統(tǒng)縱向振動(dòng)的固有頻率、激勵(lì)-響應(yīng)曲線(xiàn)等結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

車(chē)體運(yùn)動(dòng)測(cè)試采用Crossbow Technology Inc.公司出品的VG400CC100六軸加速度角速度測(cè)量陀螺儀，用于測(cè)量車(chē)輛垂向、縱向、橫向加速度，以及繞三個(gè)軸向的車(chē)身姿態(tài)角和角速度等，安裝于車(chē)輛質(zhì)心處，見(jiàn)圖8。

圖8 陀螺儀安裝圖

電機(jī)特性由電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)車(chē)載記錄儀進(jìn)行測(cè)試記錄，車(chē)載記錄儀是通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)CAN總線(xiàn)能監(jiān)控動(dòng)力總成各主要參數(shù)的，車(chē)載記錄儀通過(guò)CAN總線(xiàn)與電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。

圖10、11、12分別顯示了由陀螺儀和車(chē)載記錄儀記錄的某次30～70km/h急加速試驗(yàn)中，產(chǎn)生較強(qiáng)縱向沖擊時(shí)，車(chē)輛沿三個(gè)坐標(biāo)軸的加速度、車(chē)身俯仰等繞三個(gè)軸向的角速度、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速等的變化情況。可以看出，在40km/h時(shí)速左右發(fā)生縱向沖擊時(shí)各參數(shù)變化是關(guān)聯(lián)的。

圖9 車(chē)載記錄儀CAN總線(xiàn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖10 三軸向加速度記錄數(shù)據(jù)(30～70km/h加速-強(qiáng)沖擊)

圖11 繞三軸角速度記錄數(shù)據(jù)(30～70km/h加速-強(qiáng)沖擊)

圖12 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速記錄數(shù)據(jù)(30～70km/h加速-強(qiáng)沖擊)

3.2 縱向沖擊抑制措施試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)本文研究的目的和試驗(yàn)條件的約束，選擇的試驗(yàn)工況為：①電動(dòng)汽車(chē)從靜止?fàn)顟B(tài)到30km/h時(shí)速的起步工況；②電動(dòng)汽車(chē)從30km/h時(shí)速到70km/h的急加速工況。在這兩種試驗(yàn)條件下，分別對(duì)比分析采取縱向沖擊抑制措施前后的整車(chē)縱向沖擊度特性。

(1)電動(dòng)汽車(chē)0～30km/h起步工況下的縱向沖擊抑制

采取電機(jī)控制策略調(diào)整等縱向沖擊抑制措施后，整車(chē)0～30km/h的起步工況時(shí)間由調(diào)整前的13.5s縮短到7.1s，起步時(shí)間減少了近一半，如圖13所示。可以理解為，抑制措施采取前電動(dòng)汽車(chē)的縱向平順性較差，駕駛員在起步過(guò)程中有意放緩了對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的力矩需求，加速踏板深度和強(qiáng)度在起始階段均不是很大。

圖13 采取抑制措施前后縱向沖擊度對(duì)比(0～30km/h起步)

采取電機(jī)控制策略調(diào)整等縱向沖擊抑制措施后，整車(chē)0～30km/h的起步過(guò)程中的整車(chē)最大縱向沖擊度由6.5g/s降低到1.2g/s，約為原來(lái)的1/5。進(jìn)一步的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明：采取抑制措施前，由于是采用M法測(cè)速，在起步過(guò)程這樣的低速工況時(shí)測(cè)速誤差、波動(dòng)大，引起驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致了整車(chē)的縱向沖擊；采取電機(jī)控制策略調(diào)整等縱向沖擊抑制措施后，采用M-T法混合測(cè)速，改善了低速時(shí)的測(cè)速誤差和波動(dòng)，降低了整車(chē)的縱向沖擊。

對(duì)采取沖擊抑制措施前后的電動(dòng)汽車(chē)縱向沖擊度響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行傅立葉變換，得到其幅頻特性曲線(xiàn)，如圖14所示。

從圖14可以看出，采取抑制措施前，該電動(dòng)轎車(chē)起步加速過(guò)程的縱向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)在某一時(shí)刻附近出現(xiàn)較強(qiáng)烈的振蕩，表現(xiàn)為出現(xiàn)整車(chē)具有較強(qiáng)烈的縱向沖擊現(xiàn)象；采取抑制措施后，電動(dòng)轎車(chē)起步加速過(guò)程較平穩(wěn)。

從實(shí)際的角度來(lái)看，不能只單單從最大值的角度來(lái)評(píng)價(jià)振動(dòng)沖擊的大小。因?yàn)槠?chē)在運(yùn)行工程中振動(dòng)情況非常復(fù)雜，不能保證毫無(wú)干擾，單一的大小很難具有說(shuō)服力。為此，本文采用從能量的角度來(lái)評(píng)價(jià)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)整個(gè)工況區(qū)間的沖擊能量分布，以振動(dòng)沖擊能量的大小分布來(lái)評(píng)價(jià)沖擊度水平的高低。

圖14 采取抑制措施前后整車(chē)縱向沖擊度幅頻特性(0～30km/h)

經(jīng)過(guò)對(duì)幅頻特性進(jìn)行處理，幅頻特性曲線(xiàn)與水平軸圍成的面積可以定量地反映縱向沖擊度的能量信息。根據(jù)所構(gòu)建的滿(mǎn)意度評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)系式，對(duì)0～30km/h起步過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，得出采取縱向沖擊抑制措施前，滿(mǎn)意度N為26.9%；采取抑制措施后，滿(mǎn)意度N達(dá)到88.7%。

(2)電動(dòng)汽車(chē)30～70km/h急加速工況下的縱向沖擊抑制

采取電機(jī)控制策略調(diào)整等縱向沖擊抑制措施后，整車(chē)30～70km/h的加速時(shí)間由調(diào)整前的21.6s縮短到10.5s，加速時(shí)間減少一半，如圖15所示?？梢岳斫鉃?，抑制措施采取前電動(dòng)汽車(chē)的縱向平順性較差，駕駛員在加速過(guò)程中有意放緩了對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的力矩需求，加速踏板深度和強(qiáng)度在起始階段均不是很大。

圖15 采取抑制措施前后縱向沖擊度對(duì)比(30～70km/h急加速工況)

采取電機(jī)控制策略調(diào)整等縱向沖擊抑制措施后，急加速過(guò)程中的整車(chē)最大縱向沖擊度由11.6g/s降低到1.4g/s，約為原來(lái)的1/8。進(jìn)一步的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明：采取抑制措施前，急加速工況的整車(chē)縱向沖擊度特性惡化出現(xiàn)在車(chē)速40km/h處，此時(shí)對(duì)應(yīng)的縱向沖擊度數(shù)值達(dá)到3.6g/s，開(kāi)始為人體主觀(guān)感受所感知。對(duì)應(yīng)于該車(chē)速左右，驅(qū)動(dòng)電機(jī)由恒功率模式轉(zhuǎn)變?yōu)楹闩ぞ啬Ｊ剑瑸槿醮趴刂品绞?，在弱磁控制開(kāi)始時(shí)，勵(lì)磁電感發(fā)生了比較快的變化，勵(lì)磁電感的變化同時(shí)引起轉(zhuǎn)矩控制精度和動(dòng)態(tài)特性的惡化，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出力矩波動(dòng)劇烈，導(dǎo)致了整車(chē)的縱向沖擊問(wèn)題。采取電機(jī)控制策略調(diào)整等縱向沖擊抑制措施后，對(duì)勵(lì)磁特性進(jìn)行了非線(xiàn)性補(bǔ)償，有效改善了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高了整車(chē)的縱向沖擊特性。

對(duì)采取沖擊抑制措施前后的電動(dòng)汽車(chē)縱向沖擊度響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行傅立葉變換，得到其幅頻特性曲線(xiàn)，如圖16所示。

從圖16可以看出，采取抑制措施前，該電動(dòng)轎車(chē)加速過(guò)程的縱向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)在某一時(shí)刻附近出現(xiàn)較強(qiáng)烈的振蕩，表現(xiàn)為出現(xiàn)整車(chē)具有較強(qiáng)烈的縱向沖擊現(xiàn)象；采取抑制措施后，電動(dòng)轎車(chē)起步加速過(guò)程較平穩(wěn)。

根據(jù)構(gòu)建的滿(mǎn)意度評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)系式，對(duì)30～70km/h加速過(guò)程分別進(jìn)行計(jì)算。得出采取縱向沖擊抑制措施前，滿(mǎn)意度N僅為39.3%；采取抑制措施后，滿(mǎn)意度N達(dá)到90.9%。

圖16 采取抑制措施前后整車(chē)縱向沖擊度幅頻特性(30～70km/h)

對(duì)于0～30km/h起步及30～70km/h急加速兩種典型工況條件，采取抑制措施前后的縱向沖擊特性對(duì)比結(jié)果如表1所示，抑制效果顯著。

表1 采取抑制措施前后幅頻特性評(píng)價(jià)對(duì)照表

4 結(jié) 論

本文在整車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)特性分析建模及電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性分析建模的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了機(jī)電耦合建模仿真，結(jié)合試驗(yàn)開(kāi)展了電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)在起步階段和加速過(guò)程控制策略轉(zhuǎn)換階段(恒功率-恒轉(zhuǎn)矩)的縱向沖擊研究，提出了抑制縱向沖擊的方法和電驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的匹配優(yōu)化方法:(1)采用T法測(cè)速或M-T法混合測(cè)速可以有效地提高車(chē)輛起步時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的性能，防止驅(qū)動(dòng)工況下縱向沖擊現(xiàn)象的發(fā)生；(2)應(yīng)根據(jù)勵(lì)磁情況，對(duì)矢量控制算法的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)做必要的非線(xiàn)性校正，并對(duì)勵(lì)磁電流做必要的補(bǔ)償，使電機(jī)在急加速工況下的轉(zhuǎn)矩控制效果得到改善；(3)電動(dòng)汽車(chē)起步時(shí)，應(yīng)充分考慮電磁干擾對(duì)電機(jī)控制轉(zhuǎn)速檢測(cè)的影響?？刹扇‰姍C(jī)三相線(xiàn)屏蔽、避免速度傳感器線(xiàn)與電機(jī)線(xiàn)平行走線(xiàn)、加強(qiáng)電機(jī)控制中速度信號(hào)的容錯(cuò)處理等措施。

本文提出的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)工況下縱向沖擊抑制措施取得了預(yù)期效果，研究工作較好地解決了所研究純電動(dòng)轎車(chē)的縱向沖擊問(wèn)題，并能對(duì)其他類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供有效方法和有益借鑒。本文對(duì)電動(dòng)汽車(chē)縱向沖擊問(wèn)題的研究還需結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)工況、制動(dòng)能量回收等問(wèn)題開(kāi)展更進(jìn)一步的研究工作。

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Study on electric vehicles’ longitudinal impact Characteristics under driving condition

Zhen Zijian*, Chen Xiaokai**, Xia Chaoying***, Lin Yi****

(*The High Technology Research and Development Center, Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China, Beijing 100044)(**School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081)(***School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072)(****Beijing Automotive Technology Center, Beijing 100176)

To solve the longitudinal impact problem of electric vehicles under the drive accelerating condition, the analyses of whole vehicle’s longitudinal dynamics and motor’s driving characteristics were conducted, and the major factors leading to the longitudinal impact problem of electric vehicles under the driving condition were found out. Then, the longitudinal impacts suffered by electric vehicles at the starting stage and the fast accelerating stage were studied by the electromechanical coupling simulations for integrative multi-body dynamics and motor control, and the method for suppressing longitudinal impacts of electric vehicles was presented. The method can reduce the longitudinal impacts and improve vehicles’ riding comfortableness.

electric vehicle, driving, longitudinal impact, motor control, electromechanical coupling simulation

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.03.009

①863計(jì)劃(2006AA04Z119)資助項(xiàng)目。

2014-05-09)

②男，1962年出生，博士，汽車(chē)行業(yè)資深工程師；研究方向：車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及電動(dòng)汽車(chē)項(xiàng)目管理研究；聯(lián)系人，E-mail: ev863zzj@vip.sina.com(