HEV 发动机启停振动和噪声分析与控制
摘要：为降低混合动力汽车（HEV）发动机频繁启停引起的噪声与振动，提高乘坐舒适性，文章介绍了HEV的结构、驱动模式的特点以及发动机启停过程的噪声振动特点，分析了HEV 的发动机启停过程产生的噪声与振动的根本原因，并提出了在此过程中噪声和振动源的控制措施，使HEV 的发动机启停过程的噪声与振动得到降低，总结了HEV 发动机启停的噪声与振动特性研究的发展趋势。为了提高燃油经济性和降低排放，混合动力汽车（HEV）发动机启停频繁，这个过程中发动机会引起噪声与振动，改变了NVH（Noise，Vibration，Harshn）性能。1997 年丰田第1 代混合动力车（普锐斯）投放日本市场，2000 年投放欧美市场，并开始针对丰田混合动力系统特有的发动机启停噪声与振动问题进行分析和研究，认为发动机振动的主要激励源是由于启动的反作用力和气缸压力波动以及点火后快速上升的发动机转矩所引起，在丰田第1 代混合动力系统中提出推迟进气阀关闭时间、延迟点火、增加喷油量及控制智能可变气门时间来减少发动机启停中的噪声与振动[1]。丰田混合2 代动力系统中又增加了控制曲柄角的初始位置、加倍电动发电机的运动力矩及优化悬置系统等控制措施[2]。福特汽车公司于2006 年进行了基于整车试验的发动机启停振动噪声研究，认为如果对启动过程中气缸压力波动、启动电机的启动转矩及发动机转速的急速上升控制不当将激发整车噪声与振动，并提出了发动机转速控制、连续启动过程中活塞位置控制及启动阶段电机转矩补偿等改进措施[3]。在国内，针对HEV 发动机启停的噪声与振动问题的研究近两年刚刚起步，文献[4] 针对某型HEV发动机进行了冷启动条件下的噪声与振动试验，启动阶段的噪声与振动信号表现出明显的非稳态特征，且幅值比怠速时大；高频的噪声与振动和低频的气缸压力波动关系不大，认为这可能与拖动电机的高频转矩波动有关。1 典型混合动力系统的配置、驱动模式及发动机启停的NVH 特性混合动力驱动的联结方式分类，如图1 所示，基本可以分为：串联、并联与混联。1）串联HEV的发动机没有直接和传动系统相连，是通过发动机功率完全转化为电功率，然后驱动汽车。这种配置下，蓄电池和内燃机通过电动机连接到传动系。2）并联HEV 的发动机和电动机同时连接到驱动系统上驱动汽车，通过前驱或者后驱的变化又可以分为几类，但是这种配置下，内燃机直接连接到传动系，蓄电池通过电动机连接到驱动系。3）混联HEV 使用了功率分流设备，以串联或者并联的形式直接将功率从发动机和（或）电动机传给驱动系统驱动汽车，这个动力结构是把2 个驱动源连接到驱动系，并通过齿轮系把发动机和发电机连接起来，电池子系统用来储存能量[5-7]。从图1 中可以看到，与传统内燃机汽车相比，HEV 增加了蓄电池、电动机、能量转换装置和动力分配装置，在实际的车型中还增加了能量管理系统和电池管理系统，可以实现再生制动能量的回收与功率的分流，合成和高效地利用蓄电池能量。HEV 既可以工作在纯电动模式下，也可以完全由内燃机驱动，还可以在这2 种模式之间切换，或是工作在混合模式下。1）在内燃机模式下，发动机是驱动源，发动机驱动汽车是依靠电动机或者电动机制动产生的反作用转矩。从行星齿轮系的结构特点来看，车速在某种程度上也受发电机转速控制。2）在纯电动模式下，电动机转化来自蓄电池的能量向前或向后驱动汽车，类似的，发电机可以通过发动机输出轴上离合器的反作用力矩提供驱动力。3）在混合模式下，依靠发动机和蓄电池共同驱动，来自机械路径的功率和来自电动路径的功率进行合成，共同驱动汽车。从减振效应和传动路径来看，这个传输系统融合了电动机、发动机和行星齿轮系，可以看做一个连续可变的传动系。在发动机启停过程中，由于驱动模式的切换，使得传动系发生根本的变化，无论是从机械传动路径切换到电动传动路径，还是从电动路径切换到机械传动路径，都会产生急剧的力矩变化和电流变化，所以与之相关的系统会产生噪声与振动。与传统的内燃机汽车相比，HEV 发动机启停过程的NVH 特性有自己的特点[3，5-6]。1）掩蔽效应消失。传统汽车中，电动水泵、真空泵、低速风扇噪声、通风设备噪声及环境噪声等噪声被发动机噪声所掩盖，而在发动机停转的条件下，这些噪声和振动会变得很明显，伴随着发动机启停过程，降低驾驶乘坐的舒适性。2）瞬态效应比较突出。HEV 进行驱动模式切换时，会产生快速的力矩变化和电流变化，从而形成激励源，产生噪声与振动，如发动机的轰鸣声、啮合噪声、电磁噪声以及升压电路噪声等。当力矩和电流稳定后，这些噪声振动现象便会消失。3）传递路径多样化。与传统内燃机汽车相比，HEV 有多种驱动模式，电动机与内燃机2 种驱动源可以同时启动，也可以以单独的驱动源驱动。由此，HEV 发动机功率输出分成机械路径（执行齿轮→行星齿轮→驱动轮）和电动路径（执行齿轮→太阳轮→发电机→电动机→驱动轮），所以，与电动系统有关的噪声与振动就会沿着蓄电池→电动机/ 内燃机→传动系→车身传播，与机械有关的噪声与振动沿着发动机→发电机/ 电动机→传动系→车身传播。4）发动机启停过程噪声与振动的平顺性。传统汽车的起停要通过点火开关的开闭来实现，而现代的HEV可以根据发动机的工作状态自动切换驱动模式。比如，在低负荷、红绿灯、交通拥堵以及下坡的时候，发动机可以停止运转，进入纯电动模式，降低燃油消耗和提高排放性能；在高负荷、加速及爬坡的时候，又要启动发动机，为驱动系统提供足够的动力，这些都不需要经过点火开关。HEV 发动机启停的噪声与振动现象不是驾驶员所期望的，这些过程应该尽量不被觉察，这在豪华HEV 中是一个非常重要的NVH问题[8]。图2 示出混联式混合动力体系的NVH 现象。由图2 可以看出，发动机启停会引起动力总成和传动系的振动、模式切换噪声及变速箱的咯咯声[5]。根据HEV 系统结构的特点，发动机启停过程的噪声源主要来自2 部分：机械系统和电动系统。为了改善混合动力系统的燃油经济性和动力性，在HEV上通常会增加一个升压电路系统。当HEV 蓄电池电压通过此系统增大时，在交流转换电路内完成的高频率转换会在电感线圈内产生一个交流磁场，随之出现磁致伸缩、磁芯膨胀和收缩以及线圈振动现象，产生辐射噪声和高频噪声等，而且升压电路系统内产生的辐射噪声与电流成正比。因此，当切换为纯电动模式运行时，电机电流突然升高，升压电路系统产生的噪声问题就会显得比较突出，同时也会伴随开关噪声。从纯电动模式切换到内燃机模式时，电动机噪声就会消失，当发动机启动后，内部噪声主要来自发动机，引起噪声品质的改变，而且发动机启动使得噪声更加显著，内部噪声会升高。对于HEV，启动时还要考虑电池充电状态和驱动扭矩的需求等因素，这也可能引起汽车振动，而且根据传动系统结构，HEV 启动时的振动更复杂，启动也会造成传动系统激励。发动机启动可以分成2 个部分，低于1 000 r/min为电动机拖动阶段，高于1 000 r/min 为点火阶段。启动期间，发动机低速运转时动力总成的激励和突增的转矩产生的激励都会产生振动；当发动的点火顺序接近动力总成的固有频率，扭转减振器的激励产生动力总成的振动，在发动机传动系统中激发扭转共振，也会使车身产生纵向振动。发动机启动的振动和不舒适，由多个激励源产生的振动所导致，包括气缸压力、发动机突然点火时力矩的上升以及不恰当或者不足的电动机弥补转矩。与发动机启动的NVH 特性很相似，发动机停止的NVH特性也是与多个激励源产生的振动有关，包括下坡时发动机转速期间气缸压力、驱动系内部的相互冲击及发动机转动滞后对离合器的摩擦。从根源分析，发动机启停过程的NVH 特性问题由动力总成、发动机扭转减振器、传动系、车身的模态振动以及电动机扭矩的不足所引起，这个激励源是由气缸压力和发动机启停的转矩响应以及突然点火扭矩升高组成。因此控制措施应该是激励源的最小化、振动隔离和振动抑制，足够的电动机弥补转矩使得车速得到较好的控制。1）缩短电动机拖动阶段；2）气缸压力最小化；3）推迟进气门关闭时间；4）启动时控制喷油量；5）预先布置发动机气缸活塞位置；6）优化发动机启动转矩；7）优化发动机转速的要求；8）点火前降低气缸压力；9）延迟点火。1）优化发动机附件和悬置结构；2）优化发动机悬置位置；3）电动机抑制振动；4）适当的电动机补偿转矩；5）用双飞轮减少扭转振动[3]。3.2 基于混合动力系统控制发动机启停过程的噪声与振动在HEV 发动机启停过程中，驱动模式的切换相当频繁，从纯电动切换到混合动力模式，要伴随着发动机的启动，驾驶员希望启动过程不会产生噪声和振动，在这个过程，内燃机会结合电动机或者交流发电机，这就需要一个较好的控制程序来避免突然的力矩变化和波动。3.2.1 基于DMPM 装置的HEV电动可变传动减少振动通过控制DMPM（Dual Mechanical Port Machine），利用外部电机转矩消除内部电机转矩的快速变化达到弥补转矩的变化效果。基于DMPM 混合传动系，输出轴通过飞轮和减振器连接到DMPM 内部转子，外转子通过减速器和差速器连接到车轮。发动机的动力通过内部转子的电磁转矩传输给外部转子。内电动机由内部转子和外转子的内侧的永磁铁构成，用来补偿发动机和外转子之间的速差，所以车速可以减弱发动机转速。外电动机由启动机和外转子外侧的永磁铁组成，提供汽车和发动机所需不同的力矩转速[9]。忽略外部电机机械移动的粘滞系数，只考虑由于内部电机电磁力矩快速变化产生的振动，可以通过控制外部电机的转矩来减少振动。减振方法是添加补偿力矩，在DMPM 的外转子上利用外电机转矩抵消内部电机转矩的快速变化，减振控制的关键是强制补偿力矩的获得。把电动机直接连接到发动机曲轴上，减少发动机转速的变化以及刚体的振动是可以实现的，电动机的转矩和发动机的转矩有相反作用，因此可以用来减少振动。此时，显示为与曲柄角同步变化的矩形波形变化的电动机转矩达到最小值，且能量损失最小。当发动机连续运行时，这项控制技术应用到发动机的正偏转矩和电动机的负偏转矩，当产生电能时应用这个控制，可以很好地抑制发动机振动并降低燃油消耗。根据HEV的结构特点，启动机/ 发电机合二为一，而且电动机和发动机通过刚性或带传送连接，启动机/发电机动力要比传统汽车提供更大的转速范围。因为一方面减少发动机启动时的扭矩波动，另一方面减少驱动系统的振动，使平稳快速的发动机启停得以实现，保留了发动机启动时操作的灵活性，因而降低了NVH问题的产生[10-12]。将永磁铁进行V 型安装，并优化安装角度，可以降低电磁噪声。为了改善传动系特有的辐射噪声，可以利用FEM分析法进行振型优化。为了消除共振，可以改变变速箱的共振频率，改善辐射噪声，也可以在变速器振动较大背面安装阻尼器来消除振动。为了改变声音的传递函数，吸声以及隔离材料也被安装在传动装置和易受冲击的部位。这些策略都可以使得HEV 噪声性能得到改善。1）启动转矩控制。用于扭转减震器的转角最小时，来控制电动机的力矩，那么大振幅的振动将会被传递到扭转减震器上。2）颤动控制。用于发动机启停时，发动机的转矩快速增加或者快速减少，它的任务是减小车速和电动机转速的差异。由于驱动源和传动系的变化，HEV 发动机启停噪声与振动有自身的特点，需要将NVH 指标融合到HEV 发动机启停过程中来分析研究噪声与振动和控制方法。国外基于发动机启停过程NVH 性能的研究在机械系统和电动系统减振降噪取得了较好的进展，如发动机和电动机反向波减振、融合电机技术减振等，但在不同动力模式之间切换过程的噪声与振动问题分析以及发动机频繁启停瞬态振动分析和控制技术比较薄弱。随着国内HEV 的深入研究和人们对乘坐舒适性要求的提高，发动机启停的振动和噪声将会成为HEV 领域的一个新的研究焦点。【免责声明】本文来自汽车工程师，版权归原作者所有，仅用于学习！对文中观点判断均保持中立，若您认为文中来源标注与事实不符，若有涉及版权等请告知，将及时修订删除，谢谢大家的关注！ 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-04-14
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