新能源汽车结构特征及对NVH的挑战

2021-11-30 16:37:39·  来源:喻柄睿  
 
NVH是评价汽车乘坐体验的3个重要指标。改善汽车的振动和噪声情况很有必要,对于汽车的振动和噪声有国家要求的标准,比如GB 1495—2002, 对于不达标准的汽车不能
NVH是评价汽车乘坐体验的3个重要指标。改善汽车的振动和噪声情况很有必要,对于汽车的振动和噪声有国家要求的标准,比如GB 1495—2002, 对于不达标准的汽车不能投放到市场。国内汽车企业目前已经充分重视汽车的NVH,逐年增加投入、招聘一流人才等;政府也把NVH作为自主汽车的一个重要的技术领域,如采取组建企业国家重点实验室等措施,由此可见,NVH在汽车领域是一项十分重要的分支路线。因此近年来新能源汽车的兴起,尤其是纯电动汽车的普及,电动汽车的NVH性能相对于传动的燃油汽车要更好,驾驶人员以及乘客的体验也在日益提升。然而新能源汽车的NVH存在诸多问题,面临着挑战。
1. 混合动力车的结构特征及对NVH的挑战
1.1 混合动力车的结构特征
混合动力汽车是从燃油车到新能源车过渡阶段的车型,车内有2种动力组成。续航能力增加的同时,车身自重也随时增加。混合动力车与传统的燃油汽车相比,在发动机、变速箱、电机数量及能量回收系统动力切换系统方面,都有较大的改变。发动机在体积上变化,逐渐小型化,三缸机在混合动力车上也是较为常见的,而且发动机的排量一般在1L以下,这样就会导致缸内的压力增高。在混合动力车上双离合自动变速器(DCT)的广泛使用,因此变速器的设计也更加复杂,电机数量较多且较为复杂,能量回收系统与能量切换系统也有较大的改变。
图1示出混合动力汽车内部所能发生振动的零件组成。

图1混动车振动部位图
1.2 混合动力汽车对NVH的挑战及应对措施
首先是发动机面临的NVH挑战,由于存在三缸机,会导致汽车振动激励增加,激励频率会因此降低;缸内压力增加,进而导致燃烧噪声增加。由于双离合自动变速器的广泛使用,空套齿轮数增多,导致敲击控制难,变速箱敲击灵敏度变高;驱动电机的由于数量变多,造成高频成分增加,啸叫难以控制;混合动力汽车在正常路况中除了一些不可避免的振动和噪声以外, 在动力切换上也存在一定程度的冲击和噪声。如图2所示,惯性力随着激励频率的改变而发生变化,可通过适当改变激励频率来缓解车身的振动问题,进而可提升汽车得到驾乘体验感。

图2惯性力与激励频率比的关系
在无负载充电时,车内振动水平较好;车辆在怠速工况时,车内振动偏大;随着电量降低,发动机请求扭矩增大,负载增大,车内振动增大,可通过降低扭动波动、降低扭矩等措施解决此问题。混合动力汽车在能量切换时汽车会发生抖动,可同时监测发动机扭矩和转速、电机扭矩和转速、电池电流和电压值,或调节整车控制器(VCU)、电子控制单元(ECU)、电机控制器(MCU)参数来调整发动机扭矩的波动。
2. 电动汽车的结构特征
随着近几年电动汽车的普及,内燃机将逐渐被取代,传动系统也将会发生革命性的变化。如今的电动汽车的噪声已经是和内燃机汽车2个级别,这样的时代对于NVH行业还有更多的挑战和机遇。

2.1 电动汽车的结构特征
电动汽车中的驱动电机取代传统的内燃机,变速器采用了单级减速器;整个车身上也多了1个电动压缩机;电控系统与电池系统的设计相对于其他能源的汽车更加复杂,主要表现在整车的功能(包括汽车的动力系统、照明系统)全都需要电池来供电。纯电动汽车的能量主要是通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转动轴传递的。因此,纯电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性。
其次,纯电动汽车驱动系统的布置不同,如独立的四轮驱动系统和轮毂电动机驱动系统等,会使系统结构区别很大;采用不同类型的电动机,如直流电动机和交流电动机,会影响到纯电动汽车的质量、尺寸和形状;不同类型的储能装置,如蓄电池,也会影响纯电动汽车的质量、尺寸及形状。由于纯电动汽车动能的传递主要是通过柔性的电缆,即减少了大量用刚性的机械件连接部件的动能传递,因此纯电动汽车各部件的布置具有较大的灵活性,并且蓄电池组也可分散布置,作为配重物来布局。
2.2 电动汽车对NVH的挑战及应对措施
驱动电机的主要噪声是风噪、路噪,汽车在行驶过程中,电机和驱动系统会有啸叫;对于电动汽车,主要的振动源就是电动压缩机所产生的振动;在电控系统和电池系统方面,高频噪声尤为突出;纯电动汽车在环保方面要优于其他能源汽车,但是由于热管理系统的存在,新的NVH问题也随之出现。通过改进电动压缩机的性能来减小振动。尽管电机噪声比内燃机噪声易于控制,但仍需花费大量精力开发电机机械隔离与隔声策略。轮胎对地面的压力增大,汽车其余结构的质量减轻,导致路面与轮胎噪声难以降低。通过改善轮胎技术、对悬置系统实施机械隔离与使用创新型噪声控制材料制造汽车内饰和外饰解决这一问题。当然,与此同时必须避免增大汽车的质量和成本。没有内燃机为空调与供暖系统、车窗及其它机械系统提供动力,为使这些功能正常运行,全套电动辅助装置就变得非常有必要。每一个辅助装置均会产生振动与噪声,这些振动与噪声单独存在时相对较小,但一旦同时发声就不容忽视。
3. 新能源汽车系统结构特征及对NVH的挑战
新能源汽车与传统汽车相比,在结构上增加了诸多新的部件,相较于传统汽车,其动力系统、制动系统、 气候控制系统等结构都有了很大的不同。同时由于背景噪声的变化而凸显的路噪、风噪及异响等问题也较传统汽车存在差异性。将从以下几个方面对新能源汽车的NVH进行分析。
3.1 车身系统及其NVH性能
随着能源危机和传统燃料汽车所造成的污染问题日益加重,新能源汽车取代传统燃料汽车成为汽车行业未来发展的趋势,与此同时,新能源汽车的NVH性能开发也面临着新的挑战。在车身结构上,新能源汽车的机舱、动力传动系统、电池包等的安装布置与传统车不同;在质量方面,新能源车由于多组电池线路增加等原因,整车的质量也随之增加。在车身使用材料上,为了给车身减重,使用铝合金、碳纤维等材料也会给NVH带来一定的挑战。在声学包装上,电动车机舱声源降低,声学平衡需要重新设计;电池布置在地板上,地板抬高,地毯等声学包装的空间被压缩。随着汽车设计制造水平的进一步提升,技术人员对于车身系统NVH有了更为深刻的研究,并且在发展的过程中,车身结构与试验模态测试分析逐渐成为了新能源汽车车身NVH特性研究的重要内容。通过这一方式的研究,有利于新能源汽车NVH水平的进一步提升。

3.2 底盘系统及其NVH性能
电动车车身的质量增加,底盘的刚度在设计中必须要增大,衬套刚度增加对NVH影响非常大,会带来轰鸣声;此外,轮边电机和轮毂电机的啸叫,轮毂电机或轮边电机与底盘结构可能引起结构声与空气声的耦合;制动能量回收系统与电动真空泵也会引起一定的高频啸叫与高频噪声。因此在底盘设计的过程中,在考虑其承受力的前提下,应当考虑NVH。考虑到电机替代了传统的发动机,不再关注低频的动力系统情况,整个底盘密封性会从新的角度去考虑。用新的分析模型进行仿真分析,从而得到例如垂直或水平的质量分布等等,通过这些数据可以分析仿真得到底盘的振动结果,并判断在此情况下噪声的可接受范围,进而提升汽车NVH的性能。
3.3 电机系统及其NVH性能
电机系统噪声主要包含3个部分:电磁噪声、机械噪声及冷却噪声。其中电磁系统又包括电机本体噪声、 控制系统噪声,其中产生电机本体噪声的主要有径向及切向电磁力、转矩波动、静及动偏心以及齿槽噪声;控制系统的噪声包含2个部分:脉宽调制噪声和谐波失真。轴承噪声、动不平衡噪声和结构共振噪声是机械噪声的主要来源。新能源汽车中的液冷系统也会存在一定的噪声,电机振动噪声仿真在获得电磁力(密度)以及验证后的电机结构模型的基础上,就可以利用声学分析工具进行结构声振耦合分析,预测电机的辐射噪声。同时,在仿真中可以通过模态贡献量分析,板块贡献量分析,有效辐射声功率等分析手段对电机噪声的机理进行深入的解剖。进一步,电机噪声仿真模型可以结合优化分析的流程,对电机结构进行参数化的修改,预测其对辐射噪声的影响。
3.4 电控系统及其NVH性能
新能源汽车的电控系统层次、能量、介质分汇流较为复杂,工况多、控制变量较多协同控制难度较大,尤其在驱动模式切换上更为繁琐,控制系统复杂,性能平衡控制难度大,即动力性、可靠性及舒适性兼备的控制。驱动模式切换等低速大扭矩及动力分汇流工况下的NVH表现为较差,在能量切换方面,转矩协同、 卸载扭矩等工况会带来振动和冲击问题,热管理及冷却系统带来的噪声问题,制动能量回收引起电机啸叫,NVH与动力性和可靠性的矛盾。
3.5 热管理系统
热管理系统,就是整车的温度控制系统,是汽车不可缺少的一部分,对整车内部温度及部件工作环境温度,以保证某些零件正常、高效工作,还未驾乘人员提供了舒适的驾乘环境。热管理系统包括以下几个部分,如图 3所示。

图3热管理系统的组成
由于新能源汽车的热管理系统较为复杂,如复杂的全程控制逻辑、多套循环冷却系统、高速电动涡旋压缩控制及不同工作模式的复杂切换等,在诸多方面都存在一定的噪声。基于电机电控的工作工况得到热损耗,并以热损耗为输入对电机电控开展详细的热分析, 评估电机电控的散热方案,并对关键设计参数进行自动优化,实现散热性能和泵消耗相匹配,以此来提升新能源汽车的NVH性能。
4. 结论
文章通过对新能源汽车的结构特征分析,结合各自特点,分析了不同的新能源汽车的噪声、振动来源, 客观地对车辆的NVH进行了评价。中国新能源汽车NVH领域存在一定的问题。虽然具备基本的试验条件,但是在数量上和高水平领域上都有待提高;开展了不少NVH领域与实践,但是专家队伍不足,实践的广度和深度还有待提升。进一步完善NVH数据库,建立完善和规范NVH流程,加大执行力。此外,还要在硬件和软件支撑上进行加强,继续开展部分NVH方法及基础的前沿探索。
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