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新能源汽车电驱总成NVH及优化

2019-12-23 20:17:20·  来源：EDC电驱未来  作者：赵敏  
　
1 电驱总成噪声问题以某双模车为研究对象，其后驱为电驱动总成。在纯电模式下，整车全油门加速和松油门滑行
1 电驱总成噪声问题
以某双模车为研究对象，其后驱为电驱动总成。在纯电模式下，整车全油门加速和松油门滑行过程中，电驱总成噪声较大，且噪声尖锐刺耳，主观评价为不可接受，需要改进。初步分析电驱总成噪声为电机电磁噪声、减速器齿轮啸叫和电控开关高频噪声。
通过测试电机圆柱壳体中间、减速器轴承端和电控上盖处的振动加速度、近场噪声，以及车内驾驶员和后排人耳处噪声，发现电机24 阶和48 阶振动及电磁噪声较大，超出工程目标，在起步阶段尤为明显；减速器1 级传动齿轮啮合阶次27 阶和其倍频54 阶声压级超出目标；电控的IGBT 开关高频噪声通过电控上盖板辐射明显。
针对以上噪声问题，分工况分阶次，从电驱总成激励源（自身结构）、控制策略、结构传递路径和声学包裹等方案着手，实测各方案效果，同时考虑时间周期和成本因素，明确最终解决方案。
2 噪声解决方案
2.1 结构壳体加强
对电驱总成的壳体加强包括：对电机端盖、圆柱壳体、减速器壳体加筋，在电机和减速器轴承座处以及悬置安装点加强刚度等。通过这些措施，可减弱电驱总成的表面振动及辐射噪声。本案例中通过CAE 优化，对减速器壳体加筋，如图1 绿色部分所示，提高其模态和轴承、悬置安装点处动刚度。在纯电全油门加速工况下，加强前后的车内噪声频谱，如图2 所示。
图1 某新能源车减速器壳体加强方案
图2 某新能源车减速器壳体加强前后车内噪声频谱
从图2 可见：优化后，车内噪声在 700～1 400 Hz 频段内整体改善非常明显，主要改善的阶次为24 阶、27 阶，对应的转速段在 2 000～3 000 r/min；48 阶噪声在1 000～2 000 r/min 转速段有明显改善；81 阶噪声在3 500～4 500 r/min 转速段有明显改善。
2.2 电机斜极设计
定子斜槽或转子斜极使径向力沿电机长度方向出现相位移，降低平均径向力，减小电机振动和噪声。对转子进行4 段式斜极优化设计后，纯电加速工况下，车内48 阶噪声和电驱总成48 阶振动都有明显的改善，如图3 和图4 所示。
图3 某新能源车电机斜极优化前后车内48 阶噪声对比
图4 某新能源车电机转子斜极优化前后电驱48 阶振动对比
2.3 齿轮改进
纯电模式下，整车以60～20 km/h 的速度带挡滑行，电驱27 阶啸叫明显，如图5 所示，识别为减速器1 级传动齿轮啮合阶次。通过对此齿轮进行修形，使其接触斑更合理，同时为齿轮轮辐增加减重孔。优化后，27 阶啸叫改善整体均超过10 dB；54 阶噪声在3 000 r/min以上转速段改善明显（约4～6 dB），如图5 所示。齿轮修形要兼顾不同工况和阶次优化，尽量改善多数工况啸叫，且不能使某一工况或阶次大幅恶化。
图5 某新能源车带挡滑行车内噪声频谱
图6 某新能源车27 阶噪声改进情况
2.4 控制策略优化
2.4.1 电控载波频率提升
电机控制器的噪声，主要来自于里面的IGBT 开关频率，其频谱特征在Colormap 图中以伞状阶次出现，伞状阶次的起始点频率是电控的载波频率，这些开关频率及其谐频随着转速的增加而逐渐远离载波频率，从而形成了伞状阶次线。有2 种方法改变这些开关频率，从而降低其噪声水平：1）提高开关的基频，振动速度降低，辐射噪声减少，但载波频率不能无限制提高，其有物理特性限制。图7 示出某电控载波频率从7 300 Hz提高到8 000 Hz 时的噪声频谱图。从图7 可以看出，噪声明显降低，主观感受较好。2）也有行业内专家提出用随机化的PWM开关策略来替代离散的方式，使离散的阶次噪声变成宽带噪声，降低幅值和纯声成分。
 
图7 某新能源车电控噪声Colormap 图
2.4.2 优化起步加载扭矩
纯电模式起步阶段（电机转速为100～410 r/min），电驱总成“呜呜”声较明显，对应频率段为50～145 Hz，其主要贡献为电机24 阶和48 阶噪声，相对应阶次电机本体振动也严重超标。通过试验，电机起步噪声随扭矩加载速率的降低而减小，但同时会降低整车的动力性。综合考虑，在起步瞬间将原加载速率由360 N·m/s降低到194 N·m/s，噪声改善明显，如图8 所示，且对动力性影响可接受。
图8 某新能源车加载速率车内噪声频谱图
2.5 传递路径优化
传递路径优化主要是从电驱总成的悬置隔振率、悬置支架动刚度、副车架模态等方面进行提升，降低通过结构传递到车内的振动噪声。本案例中通过CAE 分析，识别出前悬置被动端动刚度较低、隔振率差，如图9所示，主要是由于悬置支架及副车架前横梁模态较低导致，通过对其结构进行加强，提升刚度及模态，最终使中低频噪声传递有所改善。
图9 某新能源车前悬置被动端支架动刚度曲线
2.6 声学包裹方案
从前面分析可知，整车纯电模式下加速过程中主要存在 24 阶、27 阶、48 阶和 54 阶噪声。对电驱总成增加声学包裹，如图10 所示，其可阻隔电驱噪声传递到车内。图11 示出电驱总成加包裹前后的车内噪声，从图11b 可以看出，各主要阶次噪声都有降低，其中高频范围内最大降幅达到8 dB，总噪声降低约3 dB。同时，增加声学包裹需考虑成本、散热和可靠性等问题。
图10 某新能源车电驱总成声学包裹
 
图11 某新能源车电驱总成加包裹前后车内噪声对比
3 结论
电驱总成在整车起步、加速、减速等各工况运行中，表现出不同的噪声问题。基于试验和CAE 分析，识别出具体原因，并加以针对性解决。通过采取总成壳体结构加强、电机转子斜极设计、减速器齿轮修形、控制策略调试、传递路径优化和加声学包裹等措施，最终实现电驱总成降噪：24 阶噪声降低8 dB，48 阶噪声降低5 dB；减速器27 阶啸叫降低10 dB；电控噪声基本听不到。整体上电驱总成主观评价提升到6.75 分，仅在起步阶段有轻微“呜呜”声，此电驱系统NVH 性能在竞品对标中处于领先水平。同时通过此案例，为电驱总成噪声系统性的解决方案积累了经验。
 
 
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