插电混合动力汽车熄火抖动优化

相龙洋 顾彦 魏娜

摘 要：插电混合动力汽车的怠速工况，发动机为电池充电，因此其怠速转速比传统燃油车更高。在熄火过程中可能会出现抖动较大的问题，引起较大抱怨，严重影响整车品质。文章对车内振动、发动机转速和发动机内部控制参数进行了深入测试及分析。综合利用时频分析，相关性分析和与燃油车对比分析的方法来识别熄火抖动较大的原因。研究表明，插电混合动力汽车由于怠速转速较高，熄火时转速下降较慢，激起了系统零部件结构模态引起較大抖动。通过优化标定策略可以迅速减小熄火过程的进气量，使转速更快下降至停止，该方案将熄火过程的抖动幅值改善了40%，主观感受较好，达到优化目标。

关键词：插电混合动力汽车;熄火抖动;标定优化;进气量

中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）12-129-03

Abstract： The idle condition of plug-in hybrid electric vehicle （PHEV） is different from that of traditional vehicle. The engine charges for the battery so that the idle engine rotational speed is higher than that of traditional vehicle. The power-off shake of PHEV may cause complaint. The vehicle vibration， engine speed and internal parameters are measured and analyzed. Then the time-frequency analysis， relevant analysis and comparison with traditional vehicle are conducted to identify the source of the power-off shake. The study reveals some conclusions. The slower engine speed drop stimulates the mode of one component to cause obvious shake. The calibration optimization allows less air into the engine during the power-off condition to make the speed drop much faster to zero. The optimization could improve the power-off shake by 40%.

Keywords： plug-in hybrid electric vehicle; power-off shake; calibration optimization; intake air

CLC NO.： U469.72  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）12-129-03

前言

汽车作为最常用的交通工具之一，各种工况下的车内主观感受越来越引起用户和厂商的关注。汽车点火，怠速和熄火是每次开车时不可避免的工况。因而怠速熄火的车内抖动水平也是需要重点关注的。汽车是一个极其复杂的系统，包含各种振动噪声激励源，这些激励会通过不同的路径传递到关注的响应点，在此过程中会经过结构的衰减或放大[1]。由于传递路径的复杂性和局限性，为了从根本上降低响应点处的振动噪声幅值，优化激励源才是最有效的措施。

插电混合动力汽车与传统燃油车相比，工况更多，其怠速充电工况是最常用的工况之一。插电混动汽车的怠速工况是发动机为电池充电，此时发动机转速较高。怠速熄火工况也与燃油车有所区别，可能会出现抖动问题。通常怠速熄火抖动的频率较低，人体对低频振动更加敏感，所以会极大影响车内用户的主观体验[2-3]。

本文针对插电混合动力汽车的怠速熄火工况出现的抖动大的问题开展研究，首先根据试验测试评估其抖动特征，然后针对实验结果，基于时频分析[4-5]和与燃油车对比分析的方法，对怠速熄火抖动问题的原因进行深入识别。根据研究结果，通过标定策略的优化，从源头上改善怠速熄火抖动大的问题。

1 怠速熄火抖动特征评估

首先对有熄火抖动抱怨的插电混合动力汽车进行试验，测试客观数据。对整车由怠速工况熄火过程的振动特征进行深入测试分析。基于振动加速度传感器测试车内座椅导轨处的振动，如图1所示。座椅导轨处的振动可以代表人体直接感受到的车内振动。此外，由于发动机的输出转速在很大程度上反映发动机对整车的激励特征，故试验过程中同步采集了发动机曲轴的瞬时转速，以此来判断发动机的激励水平。在试验测试过程中，测试人员坐于车内，对怠速熄火抖动水平进行主观评价。

试验过程中，为了测试正常怠速熄火工况，首先需要将被测车辆热车，监测发动机水温达到90度以上。其次检查冷却风扇状态，确认风扇处于不开启的状态，排除风扇振动的影响。然后基于专业数据采集系统和采集软件进行测试，对怠速熄火工况的振动信号进行采集。

对怠速熄火工况采集到的车内振动信号进行时频分析，如图2所示。由此可以发现，在整车点熄火及怠速运行阶段，10Hz附近有一条亮带，说明系统中某个零部件的模态在10Hz附近。但是怠速过程振动较小，无明显抱怨。熄火时明显激起了该模态，使振动幅值明显增大，引起抱怨。虽然系统中零部件存在模态是熄火抖动的一个路径原因。但激励源是发动机的熄火过程产生了过大的激励，因此要从源头改善该问题，需要对发动机的激励特性进行研究。

因为发动机输出转速可以一定程度上反映发动机的瞬态激励，所以提取熄火过程的振动时域信号和发动机曲轴的瞬态转速进行深入分析，如图3所示。可以发现，刚熄火时，发动机转速突然略有上升，引起了第一次抖动，但幅值较小，且与怠速工况连续，主观感受不甚明显，不会引起较大的抱怨。随着发动机转速下降，车内抖动迅速下降，然后抖动幅值突然增大，引起二次抖动。其幅值最大達到0.25m/s2，导致主观感受很差，会引起明显抱怨。

2 怠速熄火抖动原因识别

为了深入分析插电混合动力汽车怠速熄火二次抖动大的原因。又针对使用类似发动机的燃油车进行了熄火过程的测试。因为燃油车熄火抖动没有抱怨，所以可以作为对比进行分析。

发动机是熄火过程的激励源，所以针对发动机瞬时输出转速进行对比分析。将有熄火抖动抱怨的插电混合动力汽车发动机瞬时转速与没有抱怨的燃油车发动机瞬时转速对比，其熄火过程转速下降速率如图4所示。

因为插电混合动力汽车怠速工况，发动机需要给电池充电，所以怠速转速较高。燃油车怠速转速较低。对比熄火过程发动机瞬时转速降低的速率可以发现。燃油车的发动机转速下降更快，转速下降速率为813rpm/s，可以较快的跨过系统零部件的结构模态，不会引起较大抖动。而插电混合动力汽车转速下降较慢，速率为693rpm/s，比燃油车慢了15%。因为转速下降慢，所以经过零部件的10Hz左右的模态时产生明显激励，激发了该模态共振，产生了较大的抖动，引起明显抱怨。

通过与燃油车对比标定策略，进一步分析插电混合动力汽车熄火过程转速下降慢的原因。对于燃油车的熄火工况，其策略为当发动机熄火时转速低于800rpm时立即通过减小节气门开度将进气量调到0.8kg/h。因为燃油车怠速转速为680rpm，考虑到转速波动也不会超过800rpm，所以当熄火命令发出时，发动机进气量立即调整到最低，转速迅速下降，达到停机状态。

而对于有熄火抖动抱怨的插电混合动力汽车，其策略为当发动机熄火转速低于1000rpm时通过减小节气门开度将进气量调到较小值1.3kg/h。但是插电混合动力汽车由于怠速充电的需要，怠速转速高于1000rpm，当熄火命令发出时，其进气量通过节气门开度缓慢下调，调节速度较慢。因此转速下降较慢，经过零部件模态频率附近时产生了较大的共振，引起了较大的熄火抖动。

3 怠速熄火抖动优化

由以上分析可知，插电混合动力汽车怠速熄火的标定策略导致了发动机转速下降慢，引起了明显的怠速抖动。因此可以通过标定来进行优化。

经过深入研究，标定策略的优化方案为，熄火命令发出后，当发动机转速低于1500rpm时立即通过减小节气门开度将进气量调到最小值0.8kg/h，以此方法使熄火时发动机转速迅速下降，快速跨过系统零部件的模态区域，减小对结构的激励。然后进行优化后的整车熄火过程测试，并与优化前进行对比。测得的熄火过程进气量对比如图5所示。可以发现，优化后，熄火过程发动机进气量更小，以此可以提高发动机转速下降速率。

优化前后整车车内座椅导轨振动时域信号对比如图6所示。通过对比可以发现，优化后由于转速下降慢引起的二次抖动幅值得到大幅改善。优化前抱怨的抖动幅值为0.25m/s2， 优化后该幅值降低到0.15m/s2，优化幅度达到40%。优化后主观感受很好，不会有明显抱怨，达到了优化目的。

4 结论

本文针对插电混合动力汽车怠速熄火抖动大的问题进行了深入研究和优化。首先根据试验评估熄火抖动的特征并识别出其原因。由于熄火过程中，发动机的节气门开度和进气量下调较慢，发动机的转速下降较慢，经过系统零部件的结构模态时引起共振，产生明显的熄火抖动。通过标定策略优化，熄火时迅速减小进气量，可以使发动机转速迅速下降，快速跨过结构共振区，不会产生较大的激励，因此抖动幅值明显降低。优化后，车内熄火抖动幅值改善了40%，车内不会感受到明显的抖动，达到了良好的优化效果。

参考文献

[1] 庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动-理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

[2] 相龙洋，顾彦.汽车怠速异常抖动分析及诊断[J].汽车实用技术， 2019（2）：172-174.

[3] 相龙洋，顾彦，黄亚.汽车怠速间歇性异常抖动研究[J].汽车实用技术，2019（8）：136-138.

[4] Longyang Xiang， Shuguang Zuo， Lvchang He， et al. Optimization of Interior Permanent Magnet Motor on Electric Vehicles to Reduce Vibration Caused by the Radial Force[J]. Applied computional ele -ctromagnetics society journal， 2014，29（4）：340-350.

[5] 相龙洋，左曙光，何吕昌等.基于试验的汽车手动变速器噪声源识别[J].振动、测试与诊断，2013，33（3）： 426-431.