多种驱动模式下的HEV车内噪声分析*

刘　海李洪亮王海洋石月奎

（1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072；2.中国汽车技术研究中心，天津300300）



多种驱动模式下的HEV车内噪声分析*

刘海1,2李洪亮2王海洋1,2石月奎2

（1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072；2.中国汽车技术研究中心，天津300300）

【摘要】以某混联式混合动力汽车为对象，研究了3种驱动模式下车内噪声的分布规律及特征。分析了混联式HEV结构布置形式及整车控制策略对HEV车内噪声的影响机理，得到了多驱动模式下车内噪声分布规律与HEV控制策略的相互关系。对比分析了3种驱动模式下HEV车内噪声分布特征与传统内燃机轿车及纯电动车车内噪声分布规律的异同之处，发现电动机产生的电磁噪声对HEV车内噪声影响较大。

1　前言

混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）凭借其良好的燃油经济性、动力性及续航能力得到了广泛应用［1～4］。HEV的动力系统主要分为串联式、并联式和混联式3种结构形式，混联式HEV同时具备了串联式和并联式的技术优点［5］，然而混联式HEV与传统轿车相比，其结构组成与整车控制系统较复杂，使得车内噪声组成更加复杂［6，7］，噪声声品质难以达标。

为此，以某典型混联式HEV（下称HEV）为研究对象，分析了在3种驱动模式下的车内噪声频谱变化特征，并根据该HEV主要结构形式及整车控制策略，研究了车内噪声频谱分布规律。

2　混联式HEV车内噪声信号测试

为获取精准的内燃机辐射噪声信号，在半自由声场整车消声实验室对该HEV进行了噪声测试试验。试验过程中，对该车的排气噪声采取了消声处理，采用LMS公司生产的高精度电容型传声器及LMS ScadaIII多通道声学测试与分析系统记录并分析车辆以不同车速匀速行驶时的车内噪声信号。在噪声样本采集过程中，每个车速工况记录1次，每种工况记录30 s，采样频率为20 kHz。测点主要布置在驾驶员右耳位置处（图1a中a点）和后排左侧乘员右耳位置处（图1b中b点），声级计测点布置位置纵向距座椅中心线200 mm，距座位表面垂直高度为700 mm［8］，如图1所示。

图1　测点布置位置示意

3　混联式HEV结构形式与控制策略

3.1结构形式

与传统轿车相比，HEV的结构形式发生了明显变化，其动力总成系统集成了发动机、驱动电机、发动机启停电机、变速器、主减速器等部件，可实现纯电动运行模式、发动机驱动模式及油电混合驱动模式等工作状态，同时通过增加能量转换系统及相关部件而提高了能量的利用率；其底盘系统增加了动力电池总成，同时采用了具备能量回馈技术的制动系统；其电动泵系实现了HEV的空调压缩机系统、冷却系统、转向助力泵系统、制动助力系统等辅助系统由传统发动机驱动到电力驱动的转变。

该HEV的动力系统包括发电机MG1和电动机MG2，发电机MG1主要用于调速，电动机MG2主要作为驱动电机，二者可根据实际需求实现功能互换。发电机MG1和发动机通过动力分配装置（行星齿轮机构）实现动力按需分配。图2为HEV系统结构。

图2　HEV系统结构示意

3.2控制策略

HEV的驱动模式取决于整车控制策略，即根据车辆负荷需求并结合当前设备工作状态确定发动机和电动机工作任务［9，10］。该HEV采用了发动机恒定工作点模式，此时发动机转矩输出平稳，通过电动机对输出转矩进行转矩补偿，使得在发动机工作区间内整个动力源的转矩输出波动较小，保证了车辆的稳态负荷需求。同时电动机负责动态负荷需求，避免了发动机动态调节引起的能耗损失。该HEV整车控制系统通过发动机ECU、电机管理系统、电池管理系统及整车信号等来调整车辆工作模式，其整车控制流程如图3所示。

图3　混联式HEV整车控制流程

4　不同驱动模式下混联式HEV车内噪声分析

为进一步探讨HEV整车NVH特性，将对该车在3种驱动模式下的车内噪声变化规律及产生原因进行探讨。稳态工况下HEV的驱动模式包括纯电动驱动模式（20 km/h）、混合驱动模式（60 km/h）和发动机驱动模式（120 km/h）

4.1纯电动驱动模式

该HEV采用了发动机与电动机互补的工作模式，在起步或低速行驶时仅依靠电力驱动，发动机关闭，此时为纯电动驱动模式。在纯电动驱动模式下，当动力电池SOC大于某一设定值时，若汽车起动后运行速度或功率小于某一设定值，则HEV蓄电池给电动机MG2供电驱动汽车行驶，此时发动机与发电机MG1不工作。

以A计权声压级为目标，选择低速起步模式（20 km/h工况）进一步分析HEV车内噪声频谱分布规律。由图4可看出，无论前排还是后排，车内噪声峰值主要集中在315 Hz以内，20 km/h工况下车内噪声最大值出现在频率为200 Hz时后排座椅处，仅为50.3 dB（A）。此时，电动机MG2电磁噪声成为影响该车最主要的噪声源。

选择20 km/h工况下该HEV驾驶员右耳处噪声与纯电动汽车（Electric Vehicles，EV）驾驶员右耳处噪声进行对比，如图5所示。由图5可看出，纯电动汽车车内噪声峰值也分布在200 Hz左右，为50.8 dB（A）。整体来看，HEV车内噪声走势与EV车相近，在100 Hz左右差异较大，主要是由于两种车型的结构组成不同导致的。

图4　纯电动驱动模式下车内噪声频谱分布

图5　20 km/h工况下两种车型车内噪声对比

4.2混合驱动模式

在混合驱动模式下，该HEV是通过发动机和电动机的协同工作来提供车辆行驶动力。无级变速是通过逆变器调整动力电池的电压和电流以及发电机MG1供给电动机MG2的电压和电流来实现的。行星齿轮组的齿圈只起到将电动机MG2的功率传递到车轮的作用（电动机MG2－减速齿轮－主减速齿轮－车轮），即通过调节电动机MG2的转速即可达到无级变速，无需行星齿轮组的参与。

以A计权声压级为目标，选择混合驱动模式（60 km/h）来进一步分析HEV车内噪声频谱分布规律，如图6所示。从图6可看出，无论前排还是后排，车内噪声主要集中在200～1 000 Hz区域，在60 km/h工况下，车内噪声最大值出现在频率为500 Hz时后排位置处，为56.8 dB（A）。同样发现，在40 Hz、50 Hz、63 Hz、80 Hz 和100 Hz频率下，后排左侧乘员右耳处噪声高于驾驶员右耳处噪声。

图6　混合驱动模式下车内噪声频谱分布

选择一款与该HEV相同排量的纯内燃机汽车，对比分析驾驶员右耳处噪声情况，如图7所示。由图7可看出，在稳态工况（60 km/h）下，该车车内噪声总声压级低于纯内燃机汽车，但在400～630 Hz与1 000～1 250 Hz两个区间，该车噪声能量高于内燃机汽车。根据该HEV整车控制策略，混合驱动模式下发动机、发电机MG1与电动机MG2均处于工作状态，该车是依靠电动机MG2来进行驱动，发动机以低扭矩输出，通过发电机MG1为蓄电池HV进行充电，结合文献［11］可知，该HEV 在400～630 Hz与1 000～1 250 Hz区间出现的噪声峰值是电动机和发电机的电磁噪声引起的。

图7　60 km/h工况下两种车型车内噪声对比

由上述分析可知，当该HEV驱动模式为混合驱动时，发动机转矩达到目标转矩后，由电动机输出转矩进行协调补偿，可使整个动力源的输出转矩波动减小，可有效降低冲击度，保证车内低噪声水平。

4.3发动机驱动模式

在高速行驶状态下，可近似认为HEV处于发动机驱动模式工作状态，此时发动机与电动机同时提供驱动力，主要以发动机驱动车辆行驶为主，电动机起辅助作用，这样既可保证车辆有足够的行驶动力，又降低了发动机的负荷输出［12］。在发动机驱动模式下，通过汽油机做功和发电机MG1工作来实现无级变速，发电机MG1和汽油机的输出都是经过行星齿轮和齿圈传递到车轮，传递路径包括两种：路径1为发电机MG1→行星齿轮→齿圈→主减速齿轮→车轮；路径2为汽油机→行星齿轮→齿圈→主减速齿轮→车轮。在发动机驱动模式下，电动机MG2通过吸收多余的扭矩发电，既控制车速又获得了良好的经济性。

以A计权声压级为目标，选择发动机驱动模式（120 km/h工况）来进一步分析HEV车内噪声频谱分布规律，如图8所示。由图8可看出，无论前排还是后排，车内噪声主要集中在频率为800～2 000 Hz区域，在120 km/h工况下，车内噪声最大值出现在频率为1 000 Hz时车内后排位置处，为65.2 dB（A）。同样，在频率为40 Hz、50 Hz、63 Hz、80 Hz和100 Hz时，后排左侧乘员右耳处噪声高于驾驶员右耳处噪声。

图8　发动机驱动模式下车内噪声频谱分布

选择一款与该HEV相同排量的纯内燃机汽车，对比分析驾驶员右耳处噪声情况，如图9所示。由图9可看出，在频率为1 000 Hz以内时，该HEV车内噪声均低于纯内燃机汽车车内噪声，但频率高于1 000 Hz时，HEV车内噪声明显高于纯内燃机汽车［13］。根据该HEV整车控制策略，在发动机驱动模式下，HEV以发动机驱动为主，同时发电机MG1提供辅助动力，高速工况下车内噪声包含发动机噪声与发电机高频噪声，尤其频率在1 000 Hz以上时该HEV噪声能量为发动机与发电机MG1的叠加。同时，该HEV在高速运行模式下发动机与电动机同时提供动力，使得发动机的负荷较轻，因此该车车内噪声低于纯内燃机汽车车内噪声。

图9　120 km/h工况下两种车型车内噪声对比

该HEV在试验室转鼓上噪声测试结果与道路试验（车速为120 km/h）结果对比如图10所示。由图10可看出，两款车车内噪声总体走势基本一致，且道路试验结果整体高于转鼓测试结果，尤其在频率为40 Hz、63 Hz、400 Hz、630 Hz及800 Hz左右时，转鼓上车内噪声显著低于道路试验车内噪声，可作为高速行驶时控制车内噪声的依据。

5　混联式HEV车内噪声产生机理分析

以该HEV车内驾驶员右耳处噪声值为参考值，对比不同驱动模式下车内噪声的变化情况，分析引起车内噪声声品质不同的主要原因，图11为不同驱动模式下该HEV车内噪声频谱。

图10　混联式HEV转鼓试验与道路试验噪声对比结果

图11　不同驱动模式下HEV车内噪声频谱

由图11可看出，在纯电动驱动模式下，车内噪声总声压级均低于混合驱动模式和发动机驱动模式下的车内噪声总声压级，但在频率为125～315 Hz区间，纯电动模式下车内噪声高于混合驱动模式下的车内噪声，这是因为此时电机为唯一驱动输出源，较高的电机转速和扭矩导致电磁噪声较大。

在混合驱动模式下，车内噪声总声压级一般均低于发动机驱动模式下的车内噪声总声压级，但在频率为400～630 Hz区间，混合驱动模式下车内噪声高于发动机驱动模式下车内噪声，这是因为混合驱动模式是以电机驱动为主，而在频率为400～630 Hz区间，电机产生的电磁噪声能量集中且较大，因此混合驱动噪声较大。

6　结束语

以某款典型混联式HEV为研究对象，分析了纯电动模式、混合驱动模式和发动机驱动模式下车内噪声分布规律及特征，研究了混联式HEV结构分布形式与整车控制策略对混联式HEV车内噪声的影响规律，得到了多种驱动模式下车内噪声的分布规律与整车控制策略的相互关系。对比分析了不同驱动模式下，混联式HEV车内噪声分布特征与传统内燃机汽车及纯电动汽车车内噪声分布规律的异同之处，结果表明，电动机产生的电磁噪声对混联式HEV车内噪声影响较大。

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13 Allam E, Ahmed L, Hammad N, et al. Noise Characteris⁃tics for Hybrid Electric Vehicle Induction Motor. SAE Pa⁃per 2007-01-2261.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2016年2月18日。

主题词:混合动力汽车车内噪声驱动模式控制策略

Analysis on Interior Noise of Hybrid Electric Vehicle under Different Driving Modes

Liu Hai1, 2, Li Hongliang2, Wang Haiyang1, 2, Shi Yuekui2
（1. State Key Laboratory of Engine, Tianjin University, Tianjin 300072; 2. China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300）

【Abstract】We select a series- parallel HEV as research object to study the interior noise distribution rule and characteristic under 3 different driving modes. The mechanism how the series-parallel HEV structural layout pattern and vehicle control strategy affect HEV interior noise is analyzed, and the correlation between interior noise distribution rule and HEV control strategy in multiple driving modes is obtained. In addition, the similarities and differences of interior noise distribution characteristic between HEV, conventional ICE car and BEV in three drive modes are analyzed, and it reveals that electromagnetic noise generated from E-motor affects HEV interior noise greatly.

Key words:Hybrid electric vehicle, Interior noise, Drive mode, Control strategy

*基金项目:河北省高等学校自然科学青年基金（QN2016197）。

中图分类号:U467.4+93

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）04-0017-04