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)機械與車輛工程學(xué)院 北京 100081)(***天津大學(xué)自動化學(xué)院 天津 300072)(****北京汽車研究總院 北京 100176)

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電動汽車驅(qū)動工況下縱向沖擊問題研究①

甄子?、?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)機械與車輛工程學(xué)院 北京 100081)(***天津大學(xué)自動化學(xué)院 天津 300072)(****北京汽車研究總院 北京 100176)

針對電動汽車在驅(qū)動加速工況下存在縱向沖擊的問題，進行了整車縱向動力學(xué)特性分析和電機驅(qū)動特性分析，找出了引起電動汽車在驅(qū)動工況下的縱向沖擊的主要因素，并結(jié)合整車多體動力學(xué)和電機驅(qū)動控制進行機電耦合仿真，開展了電動汽車整車在起步階段和加速過程控制策略轉(zhuǎn)換階段的縱向沖擊研究，提出了抑制電動汽車縱向沖擊的方法。該方法能在保證整車驅(qū)動性能的前提下，減小了縱向沖擊度，提高了平順性和舒適性。

電動汽車， 驅(qū)動， 縱向沖擊， 電機控制， 機電耦合仿真

0 引 言

車輛動態(tài)特性的研究有多個方面，例如起步、換檔等過程的平穩(wěn)性，動力傳動系統(tǒng)的扭振問題，以及轉(zhuǎn)向過程等。為了能夠?qū)Y(jié)構(gòu)設(shè)計和控制軟件開發(fā)提供理論及試驗依據(jù)，人們一直致力于車輛動態(tài)特性研究，并對影響動態(tài)工況的因素不斷進行深入分析[1]。車輛在過渡工況下，動力傳動系統(tǒng)除有正常行駛工況的激勵(發(fā)動機周期性激勵、路面隨機激勵、傳動系統(tǒng)內(nèi)部激勵等)作用外，還有離合器、換檔同步器(離合器)和制動器的激勵[2]。過渡工況工作時間雖短，但由于行駛過程中經(jīng)常出現(xiàn)，引起了各國工程技術(shù)人員的重視[3,4]。車輛縱向振動對乘坐舒適性影響較大，路面早期損壞主要由車輛路面間的行車縱向剪力造成[5]。部分研究人員曾通過建立簡單的車輛縱向振動模型對由于路面不平度激勵造成的縱向振動進行了研究[6]。

本文選題來源于作者對國內(nèi)外各種電動汽車樣車的駕乘感覺和對比分析。幾年前還處于產(chǎn)品開發(fā)階段的電動汽車，在駕駛舒適性上與常規(guī)汽車(自動變速箱)相比有較大差距，特別是在與驅(qū)動和制動系統(tǒng)有關(guān)的車輛縱向上，在低速起步階段，不同程度地存在縱向“攛動”和瞬時振動現(xiàn)象，有時甚至有振動不斷加劇、呈現(xiàn)發(fā)散的趨勢，駕車者對此只能采取猛踩油門跨越“攛動”區(qū)，當(dāng)共振發(fā)散時只能緊急停車。目前，國內(nèi)外電動汽車開發(fā)主要精力放在了新型動力系統(tǒng)研究開發(fā)上，動力系統(tǒng)與整車縱向平順性的匹配尚未太多涉及，縱向動力學(xué)動態(tài)響應(yīng)特性的研究和知識積累較少。本文的目的是將車輛縱向動力學(xué)響應(yīng)特性與電動汽車的驅(qū)動控制策略優(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，在保證整車驅(qū)動性能的前提下，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價方法

電動汽車在驅(qū)動工況下產(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)換的加速過程中。本課題研究的是純電動轎車樣車，在其新型動力系統(tǒng)的開發(fā)中，就曾碰到過在加速驅(qū)動過程的起步期和40km/h左右時速區(qū)的縱向沖擊現(xiàn)象。

1.1 電動汽車及其驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點

電動汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)與常規(guī)汽車有很大差別，電動車輛機械驅(qū)動力來源于驅(qū)動電機，之后經(jīng)由減速箱、差速器、萬向節(jié)、驅(qū)動半軸傳到車輪，驅(qū)動車輛前進。圖1為所研究純電動轎車電驅(qū)動系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)布置圖。

圖1 某純電動轎車電驅(qū)動系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)布置

由于電機在驅(qū)動性能上較內(nèi)燃發(fā)動機系統(tǒng)具有效率高、易控制、調(diào)速范圍廣、低速大扭矩等優(yōu)點，電動汽車驅(qū)動電機和減速箱一體化設(shè)計制造已成為趨勢。本課題研究的純電動汽車異步電機電驅(qū)動系統(tǒng)使用固定速比的減速箱來替代原車的變速器，由電機輸出軸通過聯(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)簡單并具有良好驅(qū)動性能，但由于不能借助傳統(tǒng)汽車自動變速箱動力系統(tǒng)已有的驅(qū)動平順性研究成果，也不能像傳統(tǒng)手動變速動力系統(tǒng)那樣利用人的主觀控制來使接合與變換更加平順，在開發(fā)初期碰到了驅(qū)動工況下的縱向沖擊問題。因此，需要針對電動汽車縱向動力學(xué)特性開展動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及電機控制策略的深入研究。

1.2 縱向沖擊影響因素分析

在研究對象樣車碰到驅(qū)動工況縱向沖擊問題后，繪制了圖2所示的電動汽車縱向沖擊影響因素分析圖，對可能造成縱向沖擊的原因進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及其力矩波動、電傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其振動沖擊、驅(qū)動/制動控制策略不合理、整車縱向動力學(xué)響應(yīng)特性及與驅(qū)動的協(xié)調(diào)研究不夠等。同時，電動汽車駕乘縱向舒適性評價方法標(biāo)準(zhǔn)不健全，在一定程度上也影響到了縱向沖擊問題的綜合解決。

圖2 電動汽車縱向沖擊影響因素分析圖

經(jīng)過對電動汽車驅(qū)動工況縱向沖擊問題的逐步深入研究，結(jié)合對出現(xiàn)沖擊車輛的實車試驗結(jié)果分析，初步可以判定這種沖擊與電動汽車車輛整車結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)和主驅(qū)動電機力矩波動有關(guān)。

1.3 縱向沖擊特性評價方法

電動汽車縱向沖擊特性評價一般有兩個途徑[7]：根據(jù)駕駛員的操縱感覺進行主觀評價；根據(jù)汽車動力學(xué)響應(yīng)參數(shù)進行客觀評價。單靠主觀評價費時費力，需進行大量實車試驗，并存在不夠準(zhǔn)確和評價者的個體差異等問題[8]。

1.3.1 沖擊度評價法

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

(1)

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

隨著車輛動力學(xué)與縱向沖擊控制研究的發(fā)展，單純采取沖擊過程中最大沖擊度進行沖擊特性的評價，難以對其縱向動力學(xué)響應(yīng)進行全面、有效地評價。

1.3.2 縱向沖擊度時域特性評價法初探

為更加細(xì)致、全面、有效地評價車輛縱向沖擊特性，本文在時域及頻域兩個方面探討縱向沖擊特性的評價方法。

為了綜合利用幅值和響應(yīng)時間對縱向沖擊度進行評價，可采用下面的評價記分系統(tǒng)進行綜合評價：

(2)

式中，F(xiàn)max為最大振幅值，F(xiàn)min為最小振幅值，M為評價得分值。M稱為滿意度，M值越大說明人對縱向沖擊度的主觀感覺越好。

1.3.3 縱向沖擊度頻域特性評價法初探

機械振動對人體的影響，取決于振動的頻率、強度、作用方向和持續(xù)時間，而且每個人的心理與身體素質(zhì)不同，故對振動的敏感程度有很大差異。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)1997年公布了ISO2631-1：1997(E)《人體承受全身振動評價——第一部分：一般要求》。此標(biāo)準(zhǔn)對于評價長時間作用的隨機振動和多輸入點多軸向振動環(huán)境對人體的影響時，能更好地符合主觀感覺。

對于電動汽車驅(qū)動啟動縱向沖擊而言，由于電動機選用不同的控制策略，比較復(fù)雜，使得其在運行過程中的縱向沖擊也非常復(fù)雜，各個時間歷程中的縱向沖擊不能保證毫無干擾，僅僅從縱向沖擊度的振幅和作用時間很難客觀地對縱向沖擊度給出評價，因此，本文進一步探討采用隨機振動和能量的觀點來評價。

設(shè)振動系統(tǒng)的方程為

(3)

如果系統(tǒng)所受激勵為

(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)

稱為放大因子，體現(xiàn)了激勵頻率與響應(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)做出曲線圖，可以得到系統(tǒng)的幅頻特性圖。它直觀反映了放大因子與頻率的關(guān)系，描述了振動系統(tǒng)的動態(tài)特性。

對幅頻特性進行處理。幅頻特性曲線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，因此可以用來評價縱向沖擊度，構(gòu)建的評價指標(biāo)關(guān)系式為

(8)

式中，A0為常數(shù)，根據(jù)實車試驗數(shù)據(jù)進行提煉并參考有關(guān)文獻，在此取A0=3.4m2，N值為滿意度，N越大，對縱向沖擊度的主觀評價越好。

以上評價方法從不同的角度對縱向沖擊度給出了評價，其中頻率域的評價基于縱向沖擊度作用于人體的能量，能夠更真實地反映縱向沖擊度對人體的作用，實車試驗也證明了該評價方法與駕乘人員的主觀評價具有很好的一致性。

2 機電耦合建模及仿真

汽車縱向動力學(xué)研究分為驅(qū)動動力學(xué)和制動動力學(xué)兩部分。本文主要研究動力突變時車輛的瞬態(tài)驅(qū)動動力學(xué)響應(yīng)特性，即在電動車輛動力學(xué)分析建模的基礎(chǔ)上，進行各種假設(shè)邊界條件和激勵條件下的整車動力學(xué)仿真計算，重點研究建立不同車輛縱向激勵與整車縱向動力學(xué)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)特性，解決車輛驅(qū)動工況下的縱向沖擊問題，進行動力系統(tǒng)驅(qū)動控制優(yōu)化。

異步電機的低速特性控制一直是技術(shù)難點，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題。隨著磁場定向控制(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)定可靠的異步電機驅(qū)動控制技術(shù)將在電動汽車中得到很好的應(yīng)用和發(fā)展[9]。

本文將建立電動汽車整車動力學(xué)模型和電機控制模型的耦合仿真模型，進行電機驅(qū)動系統(tǒng)建模，主要目的是分析電機參數(shù)變化引起矢量解耦不完全，導(dǎo)致電機輸出扭矩波動而影響乘坐舒適性的電機驅(qū)動特性的原因，從而制定適宜的電機控制策略，降低在起動、加速、制動過程中由于電機扭矩波動帶來的縱向沖擊[10，11]，保證行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性。

2.1 電機控制模型

電機開發(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)載往往只包括電機一側(cè)的轉(zhuǎn)動慣量。在電動汽車的開發(fā)過程中，將整車簡化為一個等效轉(zhuǎn)動慣量加到負(fù)載中。圖中輸入為力矩信號N，輸出為根據(jù)力矩和轉(zhuǎn)動慣量計算得出的車速。因此，該仿真模型只能作為進行常規(guī)動力系統(tǒng)匹配的參考依據(jù)，并不能用對于分析驅(qū)動過程中瞬態(tài)的縱向沖擊問題。

圖3 電機控制Simulink仿真模型

2.2 用于縱向沖擊研究的機電耦合仿真模型

本文同時應(yīng)用SIMPACK的MATSIM/SIMAT模塊和MATLAB/Simulink對包含驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的整車進行仿真分析。在SIMPACK中建立整車系統(tǒng)動力學(xué)模型；在MATLAB執(zhí)行電機控制。這兩個軟件以耦合的方式同時工作。解決了多體動力學(xué)(整車模型)自由度過多和控制運算法則(電機控制系統(tǒng))過于復(fù)雜的兩者共處問題。所建立的電動汽車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汽車機電耦合仿真模型

耦合模型在聯(lián)合仿真過程中，SIMPACK所建立的多體動力學(xué)模型輸出三個信號至Simulink所建立的電機模型：踏板作用、電機定子繞車身的轉(zhuǎn)動和電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；電機模型為SIMPACK模型返回一個輸入信號：電機扭矩。踏板作用是通過一個等效力矩考慮的，模擬駕駛員踩下踏板的作用。SIMPACK輸出的踏板作用、定子繞車身的轉(zhuǎn)動和電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速經(jīng)過Simulink的計算，返回電機扭矩信號，輸入至SIMPACK的電機模型，從而驅(qū)動整車的行駛。

2.3 耦合仿真模型的計算驗證

耦合仿真模建型立后，對電動車未出現(xiàn)縱向沖擊的原地起步工況(0～30km/h全力加速)進行仿真計算并驗證模型。

采用一個階躍函數(shù)描述踏板踩下的過程，圖5為電機定子相對車身轉(zhuǎn)動的角速度，該值對電機的控制精度有一定的影響。圖6是該工況下電機力矩輸出的響應(yīng)。

圖5 電機定子相對于車身的角速度

圖6 電機的力矩輸出

圖7是實車縱向加速度試驗與仿真結(jié)果的比較。從頻率和阻尼兩個角度進行考察?？梢钥闯龆哳l率較為接近，而阻尼有較大的差別，試驗結(jié)果顯示阻尼較小，其原因可能是試驗中人對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，這導(dǎo)致了振動持續(xù)時間較長的試驗結(jié)果。

圖7 整車的縱向加速度

2.4 整車縱向沖擊研究與仿真

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

分析和實踐表明，對于異步電機電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)來說，引起電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩控制性能變差的主要因素有低速時由于轉(zhuǎn)速測量誤差引起的轉(zhuǎn)矩控制性能的惡化；轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的變化引起的轉(zhuǎn)矩控制動靜態(tài)特性的變化；弱磁控制時，由于磁路飽和非線性特性的影響，引起的轉(zhuǎn)矩控制性能的變化。

通過分析研究，給出相應(yīng)的技術(shù)解決方案如下:

(1)通過對M法測速(通過測量單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)測速)低速性能差對電機控制系統(tǒng)控制性能影響的仿真研究，提出了采用T法測速(通過測量相鄰兩個脈沖的時間測速)或M-T法混合測速可以有效地提高車輛起步起步時電機轉(zhuǎn)矩控制的性能，防止起步工況時縱向沖擊現(xiàn)象的發(fā)生。

(2)通過考慮勵磁特性非線性補償和未考慮補償時，對電機轉(zhuǎn)矩輸出特性影響的仿真研究，提出必須根據(jù)勵磁情況，將勵磁電感非線性變化的因素考慮進來，對矢量控制算法中的轉(zhuǎn)子時間常數(shù)做必要的非線性校正，并對勵磁電流做必要的補償，使電機在急加速工況下，經(jīng)過由低速恒扭矩向高速恒功率控制策略轉(zhuǎn)換階段時的轉(zhuǎn)矩控制效果得到改善。

(3)分析了工程實踐中導(dǎo)致電動汽車縱向振動的因素，認(rèn)為起步時為堵轉(zhuǎn)工況，電機電流很大且是低頻，產(chǎn)生的干擾容易耦合到速度傳感器上，導(dǎo)致了速度檢測錯誤。速度錯誤發(fā)生時導(dǎo)致了磁場定向的偏差，導(dǎo)致系統(tǒng)失控，從而產(chǎn)生了電動汽車容易起步抖動。為此提出了幾項解決措施：在整車布線時注意不要將速度傳感器的線與電機線平行走線；電機三相線采用屏蔽線；加強速度的容錯處理。

另外，課題組還對電機驅(qū)動系統(tǒng)懸置以及電機轉(zhuǎn)子時間常數(shù)對電動汽車縱向沖擊的影響進行了探索性仿真研究，初步認(rèn)定影響確實存在，但機理和抑制方法有待進一步深入研究。

3 縱向沖擊試驗驗證與結(jié)果分析

本論文研究試驗對象是某國產(chǎn)經(jīng)濟型轎車，其外形尺寸為L3640×W1660×H1520，軸距2370mm，原車整車質(zhì)量1030 kg(空載)，改裝為電動汽車(電機及其控制器代替發(fā)動機置于前艙、動力蓄電池分前后兩組置于底盤附近)后整車質(zhì)量1105kg(空載)。在課題研究過程中，進行了反復(fù)試驗和大量數(shù)據(jù)的采集分析處理工作，記錄分析電動汽車驅(qū)動過程出現(xiàn)的縱向沖擊現(xiàn)象，分別驗證本文建立的電動汽車整車動力學(xué)模型、電機驅(qū)動控制模型的正確性，并對結(jié)合兩者耦合仿真對整車驅(qū)動工況下縱向沖擊抑制方法有效性進行了驗證。

3.1 試驗驗證及數(shù)據(jù)采集

整車的測試系統(tǒng)包括車體運動測試和電機特性記錄兩大部分。

試驗中要測量車身質(zhì)心處三個方向的加速度、角加速度和姿態(tài)角，同時，對踏板位置、整車控制器輸出扭矩、電機輸出扭矩、電機輸出轉(zhuǎn)速等電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)進行現(xiàn)場采集記錄。進行所選電動車輛縱向動力學(xué)響應(yīng)特性實車試驗，與仿真計算得出的車輛加速度-時間曲線、整車系統(tǒng)縱向振動的固有頻率、激勵-響應(yīng)曲線等結(jié)果進行對比驗證。

車體運動測試采用Crossbow Technology Inc.公司出品的VG400CC100六軸加速度角速度測量陀螺儀，用于測量車輛垂向、縱向、橫向加速度，以及繞三個軸向的車身姿態(tài)角和角速度等，安裝于車輛質(zhì)心處，見圖8。

圖8 陀螺儀安裝圖

電機特性由電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)車載記錄儀進行測試記錄，車載記錄儀是通過電動汽車CAN總線能監(jiān)控動力總成各主要參數(shù)的，車載記錄儀通過CAN總線與電驅(qū)動系統(tǒng)連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖9。

圖10、11、12分別顯示了由陀螺儀和車載記錄儀記錄的某次30～70km/h急加速試驗中，產(chǎn)生較強縱向沖擊時，車輛沿三個坐標(biāo)軸的加速度、車身俯仰等繞三個軸向的角速度、驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速等的變化情況。可以看出，在40km/h時速左右發(fā)生縱向沖擊時各參數(shù)變化是關(guān)聯(lián)的。

圖9 車載記錄儀CAN總線系統(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-強沖擊)

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

圖12 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速記錄數(shù)據(jù)(30～70km/h加速-強沖擊)

3.2 縱向沖擊抑制措施試驗驗證

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

(1)電動汽車0～30km/h起步工況下的縱向沖擊抑制

采取電機控制策略調(diào)整等縱向沖擊抑制措施后，整車0～30km/h的起步工況時間由調(diào)整前的13.5s縮短到7.1s，起步時間減少了近一半，如圖13所示?？梢岳斫鉃?，抑制措施采取前電動汽車的縱向平順性較差，駕駛員在起步過程中有意放緩了對驅(qū)動電機的力矩需求，加速踏板深度和強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比(0～30km/h起步)

采取電機控制策略調(diào)整等縱向沖擊抑制措施后，整車0～30km/h的起步過程中的整車最大縱向沖擊度由6.5g/s降低到1.2g/s，約為原來的1/5。進一步的試驗數(shù)據(jù)分析表明：采取抑制措施前，由于是采用M法測速，在起步過程這樣的低速工況時測速誤差、波動大，引起驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩波動，進而導(dǎo)致了整車的縱向沖擊；采取電機控制策略調(diào)整等縱向沖擊抑制措施后，采用M-T法混合測速，改善了低速時的測速誤差和波動，降低了整車的縱向沖擊。

對采取沖擊抑制措施前后的電動汽車縱向沖擊度響應(yīng)曲線進行傅立葉變換，得到其幅頻特性曲線，如圖14所示。

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

從實際的角度來看，不能只單單從最大值的角度來評價振動沖擊的大小。因為汽車在運行工程中振動情況非常復(fù)雜，不能保證毫無干擾，單一的大小很難具有說服力。為此，本文采用從能量的角度來評價。通過統(tǒng)計整個工況區(qū)間的沖擊能量分布，以振動沖擊能量的大小分布來評價沖擊度水平的高低。

圖14 采取抑制措施前后整車縱向沖擊度幅頻特性(0～30km/h)

經(jīng)過對幅頻特性進行處理，幅頻特性曲線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)建的滿意度評價指標(biāo)關(guān)系式，對0～30km/h起步過程進行計算，得出采取縱向沖擊抑制措施前，滿意度N為26.9%；采取抑制措施后，滿意度N達到88.7%。

(2)電動汽車30～70km/h急加速工況下的縱向沖擊抑制

采取電機控制策略調(diào)整等縱向沖擊抑制措施后，整車30～70km/h的加速時間由調(diào)整前的21.6s縮短到10.5s，加速時間減少一半，如圖15所示。可以理解為，抑制措施采取前電動汽車的縱向平順性較差，駕駛員在加速過程中有意放緩了對驅(qū)動電機的力矩需求，加速踏板深度和強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比(30～70km/h急加速工況)

采取電機控制策略調(diào)整等縱向沖擊抑制措施后，急加速過程中的整車最大縱向沖擊度由11.6g/s降低到1.4g/s，約為原來的1/8。進一步的試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明：采取抑制措施前，急加速工況的整車縱向沖擊度特性惡化出現(xiàn)在車速40km/h處，此時對應(yīng)的縱向沖擊度數(shù)值達到3.6g/s，開始為人體主觀感受所感知。對應(yīng)于該車速左右，驅(qū)動電機由恒功率模式轉(zhuǎn)變?yōu)楹闩ぞ啬Ｊ?，為弱磁控制方式，在弱磁控制開始時，勵磁電感發(fā)生了比較快的變化，勵磁電感的變化同時引起轉(zhuǎn)矩控制精度和動態(tài)特性的惡化，驅(qū)動電機輸出力矩波動劇烈，導(dǎo)致了整車的縱向沖擊問題。采取電機控制策略調(diào)整等縱向沖擊抑制措施后，對勵磁特性進行了非線性補償，有效改善了驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩波動，提高了整車的縱向沖擊特性。

對采取沖擊抑制措施前后的電動汽車縱向沖擊度響應(yīng)曲線進行傅立葉變換，得到其幅頻特性曲線，如圖16所示。

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

根據(jù)構(gòu)建的滿意度評價指標(biāo)關(guān)系式，對30～70km/h加速過程分別進行計算。得出采取縱向沖擊抑制措施前，滿意度N僅為39.3%；采取抑制措施后，滿意度N達到90.9%。

圖16 采取抑制措施前后整車縱向沖擊度幅頻特性(30～70km/h)

對于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價對照表

4 結(jié) 論

本文在整車縱向動力學(xué)特性分析建模及電機驅(qū)動特性分析建模的基礎(chǔ)上，進行了機電耦合建模仿真，結(jié)合試驗開展了電動汽車整車在起步階段和加速過程控制策略轉(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)動動力系統(tǒng)的匹配優(yōu)化方法:(1)采用T法測速或M-T法混合測速可以有效地提高車輛起步時電機轉(zhuǎn)矩控制的性能，防止驅(qū)動工況下縱向沖擊現(xiàn)象的發(fā)生；(2)應(yīng)根據(jù)勵磁情況，對矢量控制算法的轉(zhuǎn)子時間常數(shù)做必要的非線性校正，并對勵磁電流做必要的補償，使電機在急加速工況下的轉(zhuǎn)矩控制效果得到改善；(3)電動汽車起步時，應(yīng)充分考慮電磁干擾對電機控制轉(zhuǎn)速檢測的影響?？刹扇‰姍C三相線屏蔽、避免速度傳感器線與電機線平行走線、加強電機控制中速度信號的容錯處理等措施。

本文提出的電動汽車驅(qū)動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轎車的縱向沖擊問題，并能對其他類型電動汽車的開發(fā)設(shè)計提供有效方法和有益借鑒。本文對電動汽車縱向沖擊問題的研究還需結(jié)合電動汽車制動工況、制動能量回收等問題開展更進一步的研究工作。

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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計劃(2006AA04Z119)資助項目。

2014-05-09)

②男，1962年出生，博士，汽車行業(yè)資深工程師；研究方向：車輛系統(tǒng)動力學(xué)、電驅(qū)動系統(tǒng)及電動汽車項目管理研究；聯(lián)系人，E-mail: ev863zzj@vip.sina.com(