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新能源汽車電驅(qū)總成NVH及優(yōu)化

2019-12-23 20:17:20·  來源：EDC電驅(qū)未來  作者：趙敏  
　
1 電驅(qū)總成噪聲問題以某雙模車為研究對象，其后驅(qū)為電驅(qū)動總成。在純電模式下，整車全油門加速和松油門滑行
1 電驅(qū)總成噪聲問題
以某雙模車為研究對象，其后驅(qū)為電驅(qū)動總成。在純電模式下，整車全油門加速和松油門滑行過程中，電驅(qū)總成噪聲較大，且噪聲尖銳刺耳，主觀評價為不可接受，需要改進。初步分析電驅(qū)總成噪聲為電機電磁噪聲、減速器齒輪嘯叫和電控開關(guān)高頻噪聲。
通過測試電機圓柱殼體中間、減速器軸承端和電控上蓋處的振動加速度、近場噪聲，以及車內(nèi)駕駛員和后排人耳處噪聲，發(fā)現(xiàn)電機24 階和48 階振動及電磁噪聲較大，超出工程目標(biāo)，在起步階段尤為明顯；減速器1 級傳動齒輪嚙合階次27 階和其倍頻54 階聲壓級超出目標(biāo)；電控的IGBT 開關(guān)高頻噪聲通過電控上蓋板輻射明顯。
針對以上噪聲問題，分工況分階次，從電驅(qū)總成激勵源（自身結(jié)構(gòu)）、控制策略、結(jié)構(gòu)傳遞路徑和聲學(xué)包裹等方案著手，實測各方案效果，同時考慮時間周期和成本因素，明確最終解決方案。
2 噪聲解決方案
2.1 結(jié)構(gòu)殼體加強
對電驅(qū)總成的殼體加強包括：對電機端蓋、圓柱殼體、減速器殼體加筋，在電機和減速器軸承座處以及懸置安裝點加強剛度等。通過這些措施，可減弱電驅(qū)總成的表面振動及輻射噪聲。本案例中通過CAE 優(yōu)化，對減速器殼體加筋，如圖1 綠色部分所示，提高其模態(tài)和軸承、懸置安裝點處動剛度。在純電全油門加速工況下，加強前后的車內(nèi)噪聲頻譜，如圖2 所示。
圖1 某新能源車減速器殼體加強方案
圖2 某新能源車減速器殼體加強前后車內(nèi)噪聲頻譜
從圖2 可見：優(yōu)化后，車內(nèi)噪聲在 700～1 400 Hz 頻段內(nèi)整體改善非常明顯，主要改善的階次為24 階、27 階，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速段在 2 000～3 000 r/min；48 階噪聲在1 000～2 000 r/min 轉(zhuǎn)速段有明顯改善；81 階噪聲在3 500～4 500 r/min 轉(zhuǎn)速段有明顯改善。
2.2 電機斜極設(shè)計
定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極使徑向力沿電機長度方向出現(xiàn)相位移，降低平均徑向力，減小電機振動和噪聲。對轉(zhuǎn)子進行4 段式斜極優(yōu)化設(shè)計后，純電加速工況下，車內(nèi)48 階噪聲和電驅(qū)總成48 階振動都有明顯的改善，如圖3 和圖4 所示。
圖3 某新能源車電機斜極優(yōu)化前后車內(nèi)48 階噪聲對比
圖4 某新能源車電機轉(zhuǎn)子斜極優(yōu)化前后電驅(qū)48 階振動對比
2.3 齒輪改進
純電模式下，整車以60～20 km/h 的速度帶擋滑行，電驅(qū)27 階嘯叫明顯，如圖5 所示，識別為減速器1 級傳動齒輪嚙合階次。通過對此齒輪進行修形，使其接觸斑更合理，同時為齒輪輪輻增加減重孔。優(yōu)化后，27 階嘯叫改善整體均超過10 dB；54 階噪聲在3 000 r/min以上轉(zhuǎn)速段改善明顯（約4～6 dB），如圖5 所示。齒輪修形要兼顧不同工況和階次優(yōu)化，盡量改善多數(shù)工況嘯叫，且不能使某一工況或階次大幅惡化。
圖5 某新能源車帶擋滑行車內(nèi)噪聲頻譜
圖6 某新能源車27 階噪聲改進情況
2.4 控制策略優(yōu)化
2.4.1 電控載波頻率提升
電機控制器的噪聲，主要來自于里面的IGBT 開關(guān)頻率，其頻譜特征在Colormap 圖中以傘狀階次出現(xiàn)，傘狀階次的起始點頻率是電控的載波頻率，這些開關(guān)頻率及其諧頻隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸遠離載波頻率，從而形成了傘狀階次線。有2 種方法改變這些開關(guān)頻率，從而降低其噪聲水平：1）提高開關(guān)的基頻，振動速度降低，輻射噪聲減少，但載波頻率不能無限制提高，其有物理特性限制。圖7 示出某電控載波頻率從7 300 Hz提高到8 000 Hz 時的噪聲頻譜圖。從圖7 可以看出，噪聲明顯降低，主觀感受較好。2）也有行業(yè)內(nèi)專家提出用隨機化的PWM開關(guān)策略來替代離散的方式，使離散的階次噪聲變成寬帶噪聲，降低幅值和純聲成分。
 
圖7 某新能源車電控噪聲Colormap 圖
2.4.2 優(yōu)化起步加載扭矩
純電模式起步階段（電機轉(zhuǎn)速為100～410 r/min），電驅(qū)總成“嗚嗚”聲較明顯，對應(yīng)頻率段為50～145 Hz，其主要貢獻為電機24 階和48 階噪聲，相對應(yīng)階次電機本體振動也嚴(yán)重超標(biāo)。通過試驗，電機起步噪聲隨扭矩加載速率的降低而減小，但同時會降低整車的動力性。綜合考慮，在起步瞬間將原加載速率由360 N·m/s降低到194 N·m/s，噪聲改善明顯，如圖8 所示，且對動力性影響可接受。
圖8 某新能源車加載速率車內(nèi)噪聲頻譜圖
2.5 傳遞路徑優(yōu)化
傳遞路徑優(yōu)化主要是從電驅(qū)總成的懸置隔振率、懸置支架動剛度、副車架模態(tài)等方面進行提升，降低通過結(jié)構(gòu)傳遞到車內(nèi)的振動噪聲。本案例中通過CAE 分析，識別出前懸置被動端動剛度較低、隔振率差，如圖9所示，主要是由于懸置支架及副車架前橫梁模態(tài)較低導(dǎo)致，通過對其結(jié)構(gòu)進行加強，提升剛度及模態(tài)，最終使中低頻噪聲傳遞有所改善。
圖9 某新能源車前懸置被動端支架動剛度曲線
2.6 聲學(xué)包裹方案
從前面分析可知，整車純電模式下加速過程中主要存在 24 階、27 階、48 階和 54 階噪聲。對電驅(qū)總成增加聲學(xué)包裹，如圖10 所示，其可阻隔電驅(qū)噪聲傳遞到車內(nèi)。圖11 示出電驅(qū)總成加包裹前后的車內(nèi)噪聲，從圖11b 可以看出，各主要階次噪聲都有降低，其中高頻范圍內(nèi)最大降幅達到8 dB，總噪聲降低約3 dB。同時，增加聲學(xué)包裹需考慮成本、散熱和可靠性等問題。
圖10 某新能源車電驅(qū)總成聲學(xué)包裹
 
圖11 某新能源車電驅(qū)總成加包裹前后車內(nèi)噪聲對比
3 結(jié)論
電驅(qū)總成在整車起步、加速、減速等各工況運行中，表現(xiàn)出不同的噪聲問題?；谠囼灪虲AE 分析，識別出具體原因，并加以針對性解決。通過采取總成殼體結(jié)構(gòu)加強、電機轉(zhuǎn)子斜極設(shè)計、減速器齒輪修形、控制策略調(diào)試、傳遞路徑優(yōu)化和加聲學(xué)包裹等措施，最終實現(xiàn)電驅(qū)總成降噪：24 階噪聲降低8 dB，48 階噪聲降低5 dB；減速器27 階嘯叫降低10 dB；電控噪聲基本聽不到。整體上電驅(qū)總成主觀評價提升到6.75 分，僅在起步階段有輕微“嗚嗚”聲，此電驅(qū)系統(tǒng)NVH 性能在競品對標(biāo)中處于領(lǐng)先水平。同時通過此案例，為電驅(qū)總成噪聲系統(tǒng)性的解決方案積累了經(jīng)驗。
 
 
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