CN104908609B - 一种基于整车仿真模型的纯电动车起步抖动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于整车仿真模型的纯电动车起步抖动控制方法，包括步骤：A.建立纯电动车的整车多体动力学模型，得到起步抖动的各条传递路径；B.确定起步抖动激励的传递路径，并利用所建立的整车多体动力学模型仿真起步抖动现象确定各传递路径对起步抖动的贡献量；C.对起步抖动激励的传递路径采用基于前馈反馈控制的扭转振动主动控制，同时对其它传递路径根据贡献量的大小依次采用基于主动控制的悬置悬挂系统被动控制，以减小起步抖动。与现有技术相比，本发明对悬置系统和传动系统综合进行考虑，从整体上反映电动车的整车抖动特性。

Description

一种基于整车仿真模型的纯电动车起步抖动控制方法

技术领域

本发明涉及一种纯电动车控制技术，尤其是涉及一种基于整车仿真模型的纯电动车起步抖动控制方法。

背景技术

电机-减速器/差速器驱动系统是电动汽车的典型集成式驱动系统之一，具有集成高效的特点。电机-减速器/差速器驱动系统的电机和减速器直接耦合，电动车在起步加速时或动力传动系统受到扰动转矩作用时，传动系统存在扭转振动固有频率的抖动现象，表现为整车纵向加速度的低频大幅度波动。这种抖振现象国外学者称之为“surge(喘振)”，且振动频率多为传动系统的第一阶固有扭转共振频率，主要分布在0-20Hz的低频。起步抖振对汽车零部件的耐久性和整车的操纵稳定性、平顺性有很大影响。

现有仿真及主被动控制方法单独对悬置系统或者传动系统进行考虑，无法从整体上反映电动车的整车抖动特性；现有技术不考虑动力总成内部转子-齿轮系统传动关系，过于简化；现有技术的传动系统中，往往只考虑轮胎的弹性，半轴考虑为刚性系统，此类方法适用于传统内燃机车辆，但是对于启动性能迅速的电动车，很难反映电机对传动系统的冲击扭转作用。

在电动汽车逐渐发展起来的今天，有必要提出一种针对纯电动车的能准确反映电机对传动系统的冲击扭转作用的抖动分析及主被动控制方法仿真平台，该仿真平台需要能综合考虑悬置系统和传动系统，从整体上反映电动车的整车抖动特性；要求能反映动力总成内部转子-齿轮系统传动关系；要求将半轴考虑成柔性系统，以反映电机对传动系统的冲击扭转作用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于整车仿真模型的纯电动车起步抖动控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于整车仿真模型的纯电动车起步抖动控制方法，包括步骤：

A.建立纯电动车的整车多体动力学模型，得到起步抖动的各条传递路径；

B.确定起步抖动激励的传递路径，并利用所建立的整车多体动力学模型仿真起步抖动现象确定各传递路径对起步抖动的贡献量；

C.对起步抖动激励的传递路径采用基于前馈反馈控制的扭转振动主动控制，同时对其它传递路径根据贡献量的大小依次采用基于主动控制的悬置悬挂系统被动控制，以减小起步抖动。

所述整车多体动力学模型包括动力总成、悬置系统、悬架系统、转向系统、车轮总成、副车架和刚性车身，所述动力总成依次通过悬置系统和副车架与车身连接，所述动力总成通过悬架系统与车轮总成连接，所述悬架系统分别与车身、副车架和转向系统连接。

所述动力总成包括电机定子以及置于电机定子内的电机转子，所述电机定子与悬置系统连接，所述电机转子通过悬架系统与车轮总成连接。

所述步骤B具体包括步骤：

B1.在起步抖动激励的传递路径中选取各条传递路径的关键点；

B2.在电机定转子间施加阶跃激励，得到电动车质心及所有关键点的三向动载荷响应；

B3.根据各关键点的三相动载荷响应值得到各关键点的纵向加速度分量，具体为：

其中：X_i为关键点i的纵向加速度分量，F_xi为关键点i的纵向动载荷响应，F_yi为关键点i的横向动载荷响应，F_zi为关键点i的竖向动载荷响应，M为车身质量，W为驾驶员座椅地板与车身质心之间的横向距离，H为驾驶员座椅地板与车身质心之间的纵向距离，I_yy为以车身横向为回转轴的车身转动惯量，I_zz为一车身竖向为回转轴的车身转动惯量，x_i为关键点i与车身质心的之间的纵向距离，y_i为关键点i与车身质心的之间的横向距离，z_i为关键点i与车身质心的之间的竖向距离；

B4.将所有关键点的纵向加速度分量求和得到车身总纵向加速度，计算各传递路径中关键点纵向加速度之和，并将其在车身纵向加速度中的占比作为不同传递路径的贡献量。

所述起步抖动传递路径包括第一传递路径、第二传递路径和第三传递路径，

所述第一传递路径为：由电机转子传递至车轮总成；

所述第二传递路径为：由电机转子经悬架系统传递至车身以及前副车架和车身；

所述第三传递路径为：由电机定子经前副车架传递至车身。

所述第一传递路径的关键点包括：

连接电机转子和车轮总成的驱动半轴，

车轮总成中连接地面的轮胎；

所述第二传递路径的关键点包括：

连接悬架系统和前副车架的橡胶衬套，

连接悬架系统和车身的减震器支点；

所述第三传递路径的关键点包括：

悬置系统中连接电机定子和前副车架的悬置点，

前副车架车身之间的刚性连接点。

所述阶跃激励为电机起步工况的转矩信号。

所述起步抖动激励的传递路径为第一传递路径。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明对悬置系统和传动系统综合进行考虑，从整体上反映电动车的整车抖动特性；

2)本发明考虑现有技术未考虑的动力总成内部转子-齿轮系统传动关系，更加贴近动力总成实际情况；

3)本发明不仅仅考虑轮胎的弹性，还将半轴考虑为弹性系统，以反映电机对传动系统的冲击扭转作用。

附图说明

图1为本发明的主要步骤流程图；

图2为本发明传递路径分析示意图；

图3为前馈-后馈控制的整车控制系统示意图；

图4为前馈-后馈控制的扭振控制系统；

其中：1、电机转子，2、电机定子，3、车轮总成，4、悬架系统，5、副车架，6、车身，7、驱动半轴，8、轮胎，9、悬置系统，10、橡胶衬套，11、减震器支点，12、刚性连接点，13、地面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种基于整车仿真模型的纯电动车起步抖动控制方法，如图1所示，包括步骤：

A.建立纯电动车的整车多体动力学模型，得到起步抖动的各条传递路径；

具体为利用ADAMS/Driveline建立纯电动车整车多体动力学模型，包括动力总成、悬置系统、悬架系统4、转向系统、车轮总成3、副车架5和刚性车身6，动力总成依次通过悬置系统和副车架5与车身6连接，动力总成通过悬架系统4与车轮总成3连接，悬架系统4分别与车身6、副车架5和转向系统连接。

动力总成包括电机定子以及置于电机定子2内的电机转子1，电机定子2与悬置系统连接，电机转子1与通过悬架系统4与车轮总成3连接。

并且所建立的动力总成及其悬置系统模型为一体式电机-减速器/差速器模型，有别于传统的单纯建立悬置系统和传动系统的模型、以及不考虑动力总成内部传动关系的整车模型。

如图2所示，起步抖动传递路径包括第一传递路径、第二传递路径和第三传递路径，

第一传递路径为：由电机转子1传递至车轮总成3；

第二传递路径为：由电机转子1经悬架系统4传递至车身6以及前副车架5和车身6；

第三传递路径为：由电机定子2经前副车架5传递至车身6。

B.确定起步抖动激励的传递路径，并利用所建立的整车多体动力学模型仿真起步抖动现象确定各传递路径对起步抖动的贡献量，起步抖动激励的传递路径为第一传递路径，贡献量的确定基于整车多体动力学模型，输入电机起步工况的转矩信号，对电动车起步的抖动现象进行仿真。在电机阶跃转矩输入下，仿真可得到车身6质心和动力总成质心三向加速度、悬置点三向动反力等信息，结果将反映出电动车在起步工况瞬间存在的加速度冲击，以及在达到稳态加速度之前存在的连续加速度波动，证明所建立的整车多体动力学模型能有效仿真出电动车起步时存在的抖动现象，并能得出传动系统的一阶固有频率和车身6处的纵向振幅；

本实施例中采用电动车质心以及各关键点的三向动载荷响应去顶纵向加速度，具体包括步骤：

B1.在起步抖动激励的传递路径中选取各条传递路径的关键点；

B2.在电机定转子间施加阶跃激励，得到电动车质心及所有关键点的三向动载荷响应，如图2所示，其中：

第一传递路径的关键点包括：连接电机转子1和车轮总成3的柔性驱动半轴7，车轮总成3中连接地面13的轮胎8；

第二传递路径的关键点包括：连接悬架系统4和前副车架5的橡胶衬套10，连接悬架系统4和车身6的减震器支点；

第三传递路径的关键点包括：悬置系统中连接电机定子2和前副车架5的悬置点9，前副车架5车身6之间的刚性连接点12。

B3.根据各关键点的三相动载荷响应值得到各关键点的纵向加速度分量，具体为：

其中：X_i为关键点i的纵向加速度分量，F_xi为关键点i的纵向动载荷响应，F_yi为关键点i的横向动载荷响应，F_zi为关键点i的竖向动载荷响应，M为车身6质量，W为驾驶员座椅地板与车身6质心之间的横向距离，H为驾驶员座椅地板与车身6质心之间的纵向距离，I_yy为以车身6横向为回转轴的车身6转动惯量，I_zz为一车身6竖向为回转轴的车身6转动惯量，x_i为关键点i与车身6质心的之间的纵向距离，y_i为关键点i与车身6质心的之间的横向距离，z_i为关键点i与车身6质心的之间的竖向距离；

B4.将所有关键点的纵向加速度分量求和得到车身6总纵向加速度，计算各传递路径中关键点纵向加速度之和，并将其在车身6纵向加速度中的占比作为不同传递路径的贡献量。

具体的，定义整车坐标系：以汽车前轴中点为原点，指向汽车行驶方向后方为X轴正方向，指向驾驶员右侧为Y轴正方向，竖直向上为Z轴正方向。假设整车车身为刚性体，可用公式(1)～(4)描述车身质心纵向加速度、车身质心俯仰角加速度、车身质心横摆角加速度及驾驶员座椅底板处纵向加速度。

其中：为车身质心纵向加速度，

其中：为车身质心俯仰角加速度，

其中：为车身质心横摆角加速度，

其中：为驾驶员座椅底板处纵向加速度(即车身纵向加速度)。

在电动车整车模型的电机定转子间施加阶跃激励(取120Nm)，得到电动车质心及各传递路径中关键点的三向动载荷响应；将各动载荷响应值代入公式(4)，得到传递路径中各个关键点的纵向加速度分量，各分量求和即为车身总纵向加速度；各关键测点纵向加速度在车身总纵向加速度中的占比即为不同传递路径的贡献量

根据贡献量分析结果，第二传递路径为引起车身纵向振动的最大贡献量传递路径，说明悬置系统在瞬态工况下受到较大的冲击，引发悬置系统瞬态振动和整车纵向抖动；而第一传递路径中的电机动态响应为引发车身纵向振动的激励源；因此在解决该车抖动问题时，首先从第一传递路径入手，采用主动控制的方法，减小电机动态响应对传动系统和悬置系统的冲击；然后从第二传递路径入手，进行悬置系统的被动优化，进一步减小抖动现象。

分析不同路径的抖动传递贡献量，第三传递路径为引起车身6纵向振动的最大贡献量传递路径。

C.对起步抖动激励的传递路径采用基于前馈反馈控制的扭转振动主动控制，起步抖动激励的传递路径为第一传递路径，同时对其它传递路径根据贡献量的大小依次采用基于主动控制的悬置悬挂系统被动控制，以减小起步抖动。

如图3和图4所示，针对第一传递路径，首先在不考虑电机和减速器连接齿轮的齿侧间隙的情况下，采用前馈控制减少扭转振动；然后在考虑电机和减速器连接齿轮的齿侧间隙的情况下(可视为干扰信号)，加入后馈环节，组成完整的扭转振动控制方案。反馈控制环节很好的抑制扰动转矩引起的传动系统振动，弥补了前馈环节无法抑制扰动转矩引起的传动系振动的不足。针对第三传递路径，可通过在主动控制基础上的悬置系统被动优化进一步减小电机动态造成的瞬态振动向驾乘人员的传递。选取悬置元件刚度和悬置点位置坐标作为优化变量，运用具有高效搜索能力的带惩罚函数的遗传算法对电机动力总成悬置系统进行优化分析。针对第二传递路径，可通过在主动控制基础上的悬挂系统被动优化进一步减小电机动态造成的瞬态振动向驾乘人员的传递。选取悬挂弹簧刚度、减震器阻尼和悬挂侧倾角坐标作为优化变量，运用具有高效搜索能力的带惩罚函数的遗传算法对电机动力总成悬置系统进行优化分析。

Claims (5)

1.一种基于整车仿真模型的纯电动车起步抖动控制方法，其特征在于，包括步骤：

A.建立纯电动车的整车多体动力学模型，得到起步抖动的各条传递路径，

B.确定起步抖动激励的传递路径，并利用所建立的整车多体动力学模型仿真起步抖动现象确定各传递路径对起步抖动的贡献量，

C.对起步抖动激励的传递路径采用基于前馈反馈控制的扭转振动主动控制，同时对其它传递路径根据贡献量的大小依次采用基于主动控制的悬置悬挂系统被动控制，以减小起步抖动，

所述整车多体动力学模型包括动力总成、悬置系统、悬架系统、转向系统、车轮总成、副车架和刚性车身，所述动力总成依次通过悬置系统和副车架与车身连接，所述动力总成通过悬架系统与车轮总成连接，所述悬架系统分别与车身、副车架和转向系统连接；

所述动力总成包括电机定子以及置于电机定子内的电机转子，所述电机定子与悬置系统连接，所述电机转子通过悬架系统与车轮总成连接；

所述步骤B具体包括步骤：

B1.在起步抖动激励的传递路径中选取各条传递路径的关键点，

B2.在电机定转子间施加阶跃激励，得到电动车质心及所有关键点的三向动载荷响应，

B3.根据各关键点的三向动载荷响应值得到各关键点的纵向加速度分量，具体为：

$X_i=F_{xi}\·(\frac{1}{M}-\frac{y_i\·W}{I_{zz}}-\frac{z_i\·H}{I_{yy}})+F_{yi}\·\frac{x_i\·W}{I_{zz}}+F_{zi}\·\frac{x_i\·H}{I_{yy}}$

其中：X_i为关键点i的纵向加速度分量，F_xi为关键点i的纵向动载荷响应，F_yi为关键点i的横向动载荷响应，F_zi为关键点i的竖向动载荷响应，M为车身质量，W为驾驶员座椅地板与车身质心之间的横向距离，H为驾驶员座椅地板与车身质心之间的纵向距离，I_yy为以车身横向为回转轴的车身转动惯量，I_zz为一车身竖向为回转轴的车身转动惯量，x_i为关键点i与车身质心的之间的纵向距离，y_i为关键点i与车身质心的之间的横向距离，z_i为关键点i与车身质心的之间的竖向距离，

B4.将所有关键点的纵向加速度分量求和得到车身总纵向加速度，计算各传递路径中关键点纵向加速度分量之和，并将其在车身总纵向加速度中的占比作为不同传递路径的贡献量。

2.根据权利要求1所述的一种基于整车仿真模型的纯电动车起步抖动控制方法，其特征在于，所述起步抖动传递路径包括第一传递路径、第二传递路径和第三传递路径，

所述第一传递路径为：由电机转子传递至车轮总成；

所述第二传递路径为：由电机转子经悬架系统传递至车身以及前副车架和车身；

所述第三传递路径为：由电机定子经前副车架传递至车身。

3.根据权利要求2所述的一种基于整车仿真模型的纯电动车起步抖动控制方法，其特征在于，所述第一传递路径的关键点包括：

连接电机转子和车轮总成的驱动半轴，

车轮总成中连接地面的轮胎；

所述第二传递路径的关键点包括：

连接悬架系统和前副车架的橡胶衬套，

连接悬架系统和车身的减震器支点；

所述第三传递路径的关键点包括：

悬置系统中连接电机定子和前副车架的悬置点，

前副车架车身之间的刚性连接点。

4.根据权利要求2所述的一种基于整车仿真模型的纯电动车起步抖动控制方法，其特征在于，所述阶跃激励为电机起步工况的转矩信号。

5.根据权利要求2所述的一种基于整车仿真模型的纯电动车起步抖动控制方法，其特征在于，所述起步抖动激励的传递路径为第一传递路径。