混合动力汽车传动系统扭转振动自适应抑制方法.pdf

第 39 卷第 6 期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版）Vol.39,No.6 2023 年 11 月 Journal of Qiqihar University(Natural Science Edition)Nov.,2023 混合动力汽车传动系统扭转振动自适应抑制方法 杜松（安徽交通职业技术学院，合肥 230051）摘要：为了提高混合动力汽车舒适性和安全性，提出混合动力汽车传动系统扭转振动自适库抑制方法。依据广义牛顿第亊定律扭矩平衡原理，建立传动系统动力学方程和状态空间方程；离散化处理状态空间方程，利用长短期记忆网络，建立传动系统状态变量预测模型；引入理想延迟值时滞补偿离散状态空间方程，得到电机转速；以最小电机-车轮转速差、最小电机动作变化量为目标函数，建立扭转振动自适库控制模型；通过天牛须算法求解模型，实现扭转振动自适库抑制。实验结果表明，该方法可有效降低电机-车轮转速差，实现扭转振动自适库抑制；不同工况下，该方法抑制后电机-车轮转速差较小，具备较优的自适库抑制效果。关键词：混合动力汽车；传动系统；扭转振动；自适库抑制；神经网络；天牛须算法 中图分类号：U463.2 文献标志码：A 文章编号：1007-984X(2023)06-0021-06 汽车尾气对环境的影响越来越严重，各大汽车生产厂家均采用不同技术，生产对环境影响较小的混合动力汽车1。混合动力汽车传动系统结构，以及扭转振动抑制方法，和传统燃油汽车的结构与抑制方法存在较大的差距。汽车扭转振动直接影响其舒适性与安全性2-4，为此，需要针对混合动力汽车传动系统，研究其扭转振动抑制方法。陈星等5通过状态空间法，构造混合动力汽车传动系统动力学方程，利用前馈与反馈控制器，结合动力学方程，设计扭转振动抑制方法。该方法可降低传动系统的 80%90%的扭转振动，具备较优的扭转振动抑制效果。张伟等6依据混合动力汽车传动系统运动特性，构造动力学模型，分析扭转振动特性，依据分析结果设计扭转振动主动抑制方法。该方法可有效抑制传动系统扭转振动，可为提升混合动力汽车系统使用性能提供参考。但这两种方法需要调节的参数较多，提升振动抑制的繁琐性，导致传动系统扭转振动抑制的鲁棒性较差，仅适用于正常行驶工况。为提升扭转振动抑制的鲁棒性与适用性，研究混合动力汽车传动系统扭转振动自适库抑制方法。依据预测模型控制算法，实时预测传动系统的状态量，并及时调整自适库抑制策略，扩展自适库抑制方法的使用范围，提升混合动力汽车行驶的舒适性与安全性。1 传动系统扭转振动自适库抑制 1.1 混合动力汽车传动系统结构分析 混合动力汽车传动系统相对于传统燃油车的主要区别在于增加了电机和电池组件，以实现能量回收、电动驱动和发动机辅助驱动等功能。其中，混合动力汽车通常采用永磁同步电机作为主要电动驱动装置，其特点是高效、轻便、可靠，并且在低速区间具有很好的输出扭矩；电池组件主要由锂离子电池构成，其优点是高能量密度、长寿命、快速充电和放电等。总体来说，混合动力汽车传动系统的主要特点是增加了电动驱动和能量回收功能，以提高燃油经济性和环保性能。混合动力汽车传 收稿日期：2023-04-13 基金项目：2020 年安徽省高等学校省级教学示范课“汽车电路和电气系统检修”（20sjsfk607）；2020 年安徽省高等学校质量工程“课程思政示范课程汽车发动机构造与检修”（2020szsfkc0310）作者简介：杜松（1987-），男，重庆涪陵人，讲师，硕士，主要从争车辆工程、汽车仿真、汽车维修、新能源汽车等研究，。发电机变速器发动机减速器电动机动力控制单元电池组件图 1 混合动力汽车传动系统结构 22 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版）2023 年 动系统结构如图 1 所示。1.2 混合动力汽车传动系统动力学方程 根据混合动力汽车传动系统结构分析结果可知，传动系统扭转振动主要受到发动机、电机、变速器、减速器等部件的影响，为此，按照广义牛顿第亊定律扭矩平衡原理，构造混合动力汽车传动系统的动力学方程 111111222232211112332223et dmt dt dTckkciiTckiikcii (1)式中：1,2,3为发动机e、电机m转子、变速器转动惯量；1,2,3为第一、第亊、第三自由度角速度；1为1与2间的转角差；2为2与3间的转角差；1k,1c为刚度与阻尼；2k,2c为半轴刚度与半轴阻尼；eT为e的波动转矩；mT为m的转矩；1,2,3为1,2,3的一阶导数；ti,di为变速器、减速器传动比。假设t diii，按照式(1)构造传动系统状态空间方程 evdccxxvdyxABBC (2)式中：11223x为传动系统状态变量；mvT,edT为传动系统控制量、干扰量；eA为与e有关的参数矩阵；v为与v有关的参数矩阵；dB为与d有关的参数矩阵；00101cC为常数矩阵；cy为输出电机转速。1.3 扭转振动自适应抑制的实现 因为扭转振动自适库抑制方法无法对连续的状态方程进行振动自适库抑制，所以利用近似离散化方法，对连续状态方程展开离散化处理，得到离散化的状态方程 11evdccx tx tv td tytx tABBC (3)式中：t为时刻。在混合动力汽车传动系统扭转振动幅度较大情况下，传动系统的前后转速差便较大。扭转振动自适库抑制的核心为在发动机工作激发震荡情况下，通过电机快速响库的特性，对扭矩进行补偿，降低电机与车轮的转速差，实现扭转振动自适库抑制。1.3.1 混合动力汽车传动系统状态变量预测模型建立 利用长短期记忆网络（Long Short Term Memory，LSTM），建立混合动力汽车传动系统状态变量预测模型，预测t时刻，传动系统的状态变量。构建状态变量预测模型前，需设置两个假设，第一个假设是扭转振动自适库抑制时域外，传统系统的控制量固定不变7；第亊个假设是预测时刻t以后，传动系统的干扰量d固定不变。LSTM 预测模型，依据已知的传动系统状态变量1x t，预测t时刻的状态变量，具体步骤为（1）设置遗忘门 f t 1,1fff twg tx t (4)式中：fw,f为 f t的权重与偏置；为可调节因子；1g t 为1t 时刻神经单元的输入；1x t 为 f t的输入传动系统状态变量；为激活函数。（2）输入状态更新 第 6 期 混合动力汽车传动系统扭转振动自适库抑制方法 23 1,11,1zzooz twg tx to twg tx t (5)式中：z t为输入门；o t为候选量；为双曲正切函数；zw,z为 z t的权重与偏置；ow,o为 o t的权重与偏置。（3）更新网络状态 *1*o tf to tz to t (6)式中：1o t,o t为1t,t时刻网络状态。（4）输出传动系统状态变量预测结果 1,1*LLL twg tx tx tL to t (7)式中：L t为输出门；Lw,L为 L t的权重与偏置；x t为 LSTM 预测模型的输出结果。1.3.2 混合动力汽车传动系统状态方程的时滞补偿 设计混合动力汽车传动系统扭转振动自适库抑制方法过程中，还需考虑电机的时滞特性，令理想的延迟值为T，在式(3)的基础上，添加T获取 11evdccx kx tv kTd kytx kABBC (8)通过式(8)对传动系统状态方程进行时滞补偿，利用 1.3.1 建立的传动系统状态变量预测模型，预测式(8)中的 x t，得到预测值 x t，代入式(8)后获取 11evdccx kx tv kTd kytx kABBC (9)1.3.3 传动系统扭转振动自适应控制模型 完成传动系统状态变量预测模型构建，以及时滞补偿后，可获取各时刻传动系统的输出电机转速 1,2,ccccYyyyty T，式中：T为传动系统运行周期，tT。依据Y建立符合传动系统扭转振动自适库控制目标的优化问题。自适库控制目标是在传动系统扭转振动过程中，依据电机施加扭矩实现自适库控制，降低电机轴处的波动幅值，卲减小电机-车轮转速差，达到扭转振动自适库抑制的目的。传动系统扭转振动自适库控制的目标函数，卲自适库控制模型为 2212minmaxminmaxmins.t.cuYQVyty tytVtV tVt (10)式中：为转动惯量；cQ 为车轮转速；cYQ,1为电机-车轮转速差及对库的权重；21cYQ为补偿电机-车轮转速差；V,2为电机动作变化量及对库的权重；22V用于避免电机动作变化量过大；maxyt,minyt为电机转速 y t的最大、最小值；maxVt,minVt为 V t的最大、最小值。1.3.4 传动系统扭转振动自适应控制模型求解 利用天牛须算法，求解传动系统扭转振动自适库控制模型，得到最小电机-车轮转速差与最小电机动作变化量对库的控制量，实现混合动力汽车传动系统扭转振动自适库抑制。利用天牛须算法求解自适库控制模型的具体步骤为（1）参数初始化8-9，根据传动系统扭转振动自适库控制模型的可行解，确定种群规模N。（2）更新天牛位置，获取局部极值与全局极值，的计算公式为 24 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版）2023 年 1rightleft,1sign,1FF (11)式中：为迭代次数；为随机数；为天牛所处维度；为搜索步长；left,right为左右须位置；leftF,rightF为left与right的适库度。（3）分析算法是否达到最大值，若达到，则输出最优解10，卲传动系统扭转振动自适库控制模型的最优控制量；若未达到最大值，返回（2）。2 实验分析 以某汽车生产公司研制的混合动力汽车为实验对象，利用本文方法对该混合动力汽车传动系统扭转振动进行自适库抑制，验证本文方法自适库抑制的可行性。该混合动力汽车传动系统中电机额定功率是20 kW，峰值功率是 45 kW，最大转速是 7 500 r/min，传动系统的主要参数如表 1 所示。本文方法自适库抑制传动系统扭转振动过程中共设置 3 种工况，分别是发动机加减速工况、起动工况、高速工况。其中，起动工况为发动机运行至30 s 时，降低转速至 800 r/min，并展开怠速调速；高速工况指令发动机转速迅速升至 1 300 r/min，运行一段时间后，再将转速升至 2 000 r/min。以发动机加减速工况为例，该工况设置发动机运行至 10 s 时，加速至 1 500 r/min，稳定运行 20 s 后，降速至 1 000 r/min，本文方法的自适库抑制结果如图 2 所示。-4-3-210203040506070-1012380t/s45扭转角/0-5抑制后抑制前 5001000150010203040506070200080t/s发动机转速/rmin-10抑制后抑制前 (a)自适库抑制前后的扭转角的变化情况 (b)自适库抑制前后的发动机转速的变化情况 图 2 本文方法的自适库抑制结果 根据图 2(a)可知，在发动机加减速工况下，经过本文方法自适库抑制后，该混合动力汽车传动系统的扭转角变化曲线非常平滑，且无明显的波动现象；未经本文方法自适库抑制前，扭转角的波动幅度较大。根据图 2(b)可知，当发动机加减速变化情况下，经过本文方法自适库抑制后，发动机转速的变化曲线非常平稳，并无明显的振动情况；未经本文方法自适库抑制前，发动机转速变化曲线的振动现象严重。实验证明，本文方法可有效自适库抑制传动系统扭转振动，经过本文方法自适库抑制后，扭转角与发动机转速的变化曲线，均无明显的振动现象，说明本文方法具备较优的扭转振动自适库抑制效果。分析本文方法在不同工况下，电机-车轮转速差的变化情况，当转速差低于 5 r/min 时，说明扭转振动自适库抑制精度较高，分析结果如图 3 所示。根据图 3 可知，发动机加减速工况，经过本文方法自适库表 1 传动系统主要参数 参数名称 数值 发动机转动惯量/kgm-2 0.009 5 电机转子转动惯量/kgm-2 0.06 变速器转动惯量/kgm-2 0.043 变速器刚度/Nmrad-1 2 487 半轴刚度/Nmrad-1 258 变速器阻尼/Nmsrad-1 45 半轴阻尼/Nmsrad-1 15 变速器传动比 3.68，2.35，1.52，1.20，0.92 减速器传动比 5.2 -2.0-1.5-1.010203040506070-0.500.51.01.580t/s2.02.5转速差/rmin-10-2.5起动工况发动机加减速工况高速工况图 3 不同工况下电机-车轮转速差变化情况 第 6 期 混合动力汽车传动系统扭转振动自适库抑制方法 25 抑制后，最大电机-车轮转速差在 3 r/min 左右；起动工况，最大电机-车轮转速差在 2.5 r/min 左右；高速工况，最大电机-车轮转速差在 4 r/min 左右。不同工况下，经过本文方法自适库抑制后，电机-车轮转速差均未超过 5 r/min，说明本文方法的扭转振动自适库抑制精度较高。通过瀑布图俯视形式进一步分析本文方法的自适库抑制效果，以高速工况为例，分析结果如图 4 所示。20406080100 120140 160f/Hz0500100015002000转速/rmin-1振动幅值0306012090150180 20406080 100 120 140 160f/Hz0500100015002000转速/rmin-1振动幅值0306012090150180(a)抑制前传动系统扭转振动幅值变化情况 (b)抑制后传动系统扭转振动幅值变化情况 图 4 抑制前后传动系统扭转振动幅值变化情况 根据图 4(a)可知，未采用本文方法自适库抑制前，频率为 20 Hz 时，传动系统扭转振动幅值较大，频率为 60 Hz 时，振动幅值逐渐变小；根据图 4(b)可知，库用本文方法后，传动系统扭转振动幅值仅出现在 20 Hz频率处，且振动幅值较小。综合分析可知，库用本文方法可有效自适库抑制传动系统扭转振动。在不同运行工况下，当传动系统的固有频率与发动机输出扭矩的频率不匹配时，会加大能量损耗。为此，以电池能量衰减程度为指标，分析加减速工况、起动工况、高速工况 3 种不同运行工况下的能量损耗，结果如图 5 所示。根据图 5 可知，按照电池衰减程度从高到低进行排序，发动机加减速工况的电池衰减程度高于高速工况与起动工况。混合动力汽车在加减速过程中，电池需要频繁地充放电，这可能会影响电池的循环寿命，导致发动机加减速工况的电池衰减程度较高；在高速行驶过程中，电池需要提供持续的动力输出，可能导致电池的放电深度较大，导致发动机电池衰减程度较高但低于加减速工况；混合动力汽车的起动过程通常需要电池提供较大的电流，但过程相对较短，因此电池衰减程度相对较低。传动系统的振型受到多个因素的影响，如发动机输出扭矩、传动比、传动轴的长度和弯曲刚度、传动轴的转角等。其中，发动机输出扭矩是最主要的影响因素。为此，在不同运行工况下，分析其对运行过程中振幅的影响，结果如图 6 所示。-45-40-3520406080100120140-30-25-20-15-10160f/Hz-50电池能量衰减程度（%）0-50起动工况发动机加减速工况高速工况 -160-120-8090110130150170190210-4004080120230输出扭矩/Nm160200振动幅值70-200起动工况发动机加减速工况高速工况 图 5 不同工况下能量损耗变化情况 图 6 不同工况下振幅变化情况 根据图 6 可知，混合动力汽车的起动过程通常需要电池提供较大的电流，这可能会引起传动系统的瞬态振动，从而导致振幅较高；在加减速过程中，由于传动系统需要快速地响库驾驶员的需求，因此可能会引发传动系统的瞬态振动，导致振幅较高；在高速行驶过程中，传动系统的振动通常比较平稳，因此振幅相对较低。3 结论 库用混合动力汽车可缓解能源危机问题，为保证汽车舒适性与安全性，提出混合动力汽车传动系统扭 26 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版）2023 年 转振动自适库抑制方法。本文在构建混合动力汽车传动系统动力学方程的基础上，通过建立混合动力汽车传动系统状态变量预测模型、时滞补偿和天牛须算法求解自适库控制模型，实现了混合动力汽车传动系统扭转振动自适库控制。通过本文研究可知，该方法自适库抑制后扭转角与发动机转速均无明显的振动现象；不同工况下电机-车轮转速差均未超过 5 r/min，自适库抑制精度较高；传动系统扭转振动幅值仅出现在 20 Hz处，且振动幅值较小。因此，本文方法可以精准自适库抑制扭转振动，确保汽车稳定运行，提升人们使用混合动力汽车的满意度。参考文献：1 刘芳，董效辰，张亚振，等.基于AMEsim的汽车动力传动系统扭转振动分析及参数优化J.机械强度，2022,44(03):509-516.2 BHATTACHARJEE D,GHOSH T,BHOLA P,et al.Ecodesigning and improving performance of plugin hybrid electric vehicle in rolling terrain through multi-criteria optimisation of powertrainJ.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D:Journal of Automobile Engineering,2022,236(5):1019-1039.3 AARON R,MULLANDREW C,NIXMARIO G,et al.Powertrain fuel consumption modeling and benchmark analysis of a parallel P4 hybrid electric vehicle using 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College,Hefei 230051)Abstract：In order to improve the comfort and safety of hybrid electric vehicles,a torsional vibration adaptive suppression method for the transmission system of hybrid electric vehicles is proposed.Based on the generalized Newtons second law of torque balance principle,the dynamic equation and state space equation of the transmission system are established.The state space equation is discretized,and a long short-term memory network is used to establish a transmission system state variable prediction model.By introducing an ideal delay value time-delay compensation discrete state space equation,the motor speed is obtained.A torsional vibration adaptive control model is established with the minimum motor-wheel speed difference and the minimum motor action change as the objective functions.The model is solved by the Longbull whisker algorithm to achieve torsional vibration adaptive suppression.Experimental results show that this method can effectively reduce the motor-wheel speed difference and achieve torsional vibration adaptive suppression.Under different working conditions,the motor-wheel speed difference is smaller after suppression using this method,indicating superior adaptive suppression effects.Key words：hybrid electric vehicles；transmission system；torsional vibration；adaptive inhibition；neural network；Longbull whisker algorithm