纯电动客车振动噪声特性

史文库,刘国政,宋海生,陈志勇,张 宝

(1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室,长春130022;2.一汽-大众汽车有限公司,长春130011;3.南京依维柯汽车有限公司,南京210028)

0 引 言

与传统的内燃机汽车相比,电动车仅仅由电机提供动力,人们往往认为电动车振动噪声会很小,但是由于发动机“掩蔽效应”的消失,许多在传统车上不易发觉的振动噪声问题凸显出来,例如风扇噪声、齿轮啮合的振动噪声、电机电磁振动噪声等[1-3]。

近些年来,国内外许多学者对混合动力汽车、纯电动车的振动噪声问题进行了研究。Pellerey等[4,5]对纯电动车的动力传动系统进行磁固耦合仿真分析,证明车用永磁同步电机的电流谐波对振动噪声的影响较大。Shin等[6]对某新型电动车的噪声进行试验和改进,发现电动车比同类型的内燃机汽车噪声低10 dB(A),但是电动车高频噪声明显。Wang等[7]认为电动车电机转矩波动会引起整车的低速抖动,特别是当波动的频率与传动系谐振频率接近时。严刚等[8]对某纯电动汽车车内噪声进行实验研究,分析了驱动电机、减速器和电池散热风扇对车内噪声的贡献。黄孝慈等[9]分析了混合动力汽车在纯电动和混合工况下的噪声源,得出复合行星排齿轮啮合是纯电动模式下主要噪声源。方源等[10]对集中驱动式电动车进行整车台架试验,分析了正驱工况和倒拖工况下动力总成振动噪声特性,得出电磁噪声和齿轮啸叫是电动车主要噪声源;低速时,动力总成和辅助系统产生的噪声为车外噪声的主要来源。朱宇[11]用神经网络方法建立纯电动车声品质的预测模型,分析了驱动电机对车内声品质的影响。郭荣等[12]对燃料电池轿车主要噪声源进行识别,确定噪声源为燃料电池辅助系统。

本文以某纯电动客车为研究对象,对整车振动噪声进行道路工况试验,分析车内驾驶员和后排座椅位置振动噪声特性,得到了在匀速和加速行驶工况下的车内振动噪声的主要激励源。本文研究可为下一步整车NVH性能提升提供依据。

1 试验车辆

试验车辆为中型客车,车长为6 m,轴距为3.3 m。空载质量为3650 kg,满载质量为5200 kg,座位数17人(含驾驶员)。驱动电机为永磁同步电机,峰值功率为100 k W。电池为磷酸铁锂电池,336 V,200 A·h。

图1为电动车的结构图,一共装有4块动力电池,均匀布置在车架上。电机布置在底盘中间位置,电机输出轴通过传动轴将动力传递给后桥,省去了传统汽车的变速器和离合器,直接通过电机调速。

图1 整车结构图Fig.1 Structure of electric vehicle

2 试验方案

2.1 试验目的

对样车进行加速、匀速工况下车内外振动噪声试验,分析电动车振动噪声特性,为下一步电动车振动噪声的改进提供依据。

2.2 传感器的布置位置

试验仪器包括比利时LMS数据采集前端、PCB振动加速度传感器、B&K声学麦克、霍尔转速传感器等。电动车的车内噪声和振动主要来自路面激励、电机激励和后桥齿轮啮合冲击激励,车内响应点主要是驾驶员和后排座椅位置的振动噪声。表1为传感器布置位置。

图2是声学麦克的布置位置,根据《GBT 18697—2002声学汽车车内噪声测量方法》,在驾驶员和后排座椅分别布置麦克,采集车内噪声数据。图3是驾驶员和后排座椅位置的坐垫传感器,采集座椅位置的振动加速度信号。图4是LMS数据采集前端,一共40个通道。

表1 传感器布置位置Table1 Positions of sensors

图2 声学麦克的布置位置Fig.2 Positions of acoustic sensors

图3 坐垫传感器Fig.3 Vibration sensors for cushions

图4 LMS数据采集前端Fig.4 Data acquisition front-end of LMS

2.3 试验工况

试验场地为安徽省定远汽车试验场,路面为符合GB 7031规定的B级路面。试验内容如下:

(1)偏频试验。

(2)匀速工况:车辆以40、50、60、70、80、90、100 km/h的车速匀速行驶,采集整车的振动噪声信号,信号采集时间为20 s。

(3)加速工况:车辆从静止开始急加速(油门踩到底)到最高车速(100 km/h),采集加速过程整车的振动噪声信号。

3 试验结果

3.1 偏频试验

偏频是整车性能的一个重要参数,对分析悬架传来的路面激励有重要作用。若要准确测得汽车前(后)悬架的偏频,需要锁止后(前)悬架的弹性元件和非簧载质量,避免前、后悬架的耦合。但是,与簧载质量相比,非簧载质量较小,并且大部分汽车的悬挂质量分配系数为0.8～1.2,可以认为前、后悬架簧上质量在垂向的运动是相互独立的[13]。结合试验场地的条件,采用如下试验方法对整车进行偏频试验:如图5所示,试验时,将汽车的前轮(后轮)行驶到梯形硬木板凸块上并停住,用人力将汽车前轮从凸块上推下,采集簧上和簧下质量的振动曲线。

图5 偏频试验Fig.5 Partial frequency test

前、后悬架偏频结果如表2所示,对于簧上质量的偏频,前悬架是双横臂独立悬架,偏频较小;后悬架是整体式车桥,采用单级刚度的多片钢板弹簧结构,偏频较大。

表2 偏频结果(空载)Table 2 Partial frequency results

3.2 匀速行驶工况

3.2.1 驾驶员座椅振动

图6 驾驶员座椅z向振动频谱图Fig.6 Vibration pattern of driver seat in z direction

图6是驾驶员座椅导轨振动的频谱图,其中g＝9.8 m2/s,座椅振动主要是悬架传来的低频振动。在所有车速下,都存在1.7 Hz和17 Hz两个最大的峰值,分别对应前悬架簧载质量和非簧载质量偏频;500 Hz以上的振动幅值很小,可以忽略。因此,车辆匀速行驶时车内座椅振动主要是悬架传来的路面激励。

3.2.2 驾驶员位置噪声

从图7可知,随着车速的增加,车内噪声值逐渐变大,但是噪声主要集中在300 Hz以内的中低频,电机的阶次噪声不明显。

图7 驾驶员座椅位置噪声频谱图Fig.7 Noise pattern in driver seat

3.3 匀加速行驶工况

3.3.1 电机激励分析

永磁同步电机具有大扭矩、体积小等优势,广泛应用在电动车上。本文所研究的电动车永磁同步电机参数如下:峰值功率为100 k W;最高转速为4000 r/min;峰值转矩为1000 N·m;转子极对数为4;定子开槽数为48;逆变器开关频率为4000 Hz。

车用永磁同步电机在变频器供电条件下,输入的电压或电流不是理想的正弦波,而是一系列等幅不等宽的电压或电流脉冲,对这些脉冲进行傅里叶级数分解,可以得到一系列的时间谐波[14-17],使电机中产生较大的电磁力波,进而引起电机振动和噪声的增大。在车辆加速时,电机的振动噪声尤为明显。电机的转矩波动方程为[18-20]:

式中:P为极对数;ψ为定子绕组磁链;i d和i q分别为d轴和q轴电流;L d和L q分别为d轴和q轴电感;θ为主磁极与相电流的夹角。

对于磁极对数为P的永磁同步电机,电源频率fo＝n P/60,其中n为电机的转速。从式(1)可以看出,转矩中存在电流基频成分,以及基频的6i倍谐波成分[20]。

图8为电机近场噪声的阶次追踪图,以电机主轴转速为参考转速,则电流基频fo＝np/60为4阶,基频的6i倍谐波分别为24阶、48阶、72阶、96阶…从图8可以看出,在3000 Hz以内,电机近场噪声主要为24阶、48阶、96阶,分别对应电流基频的6倍、12倍和24倍。

图8 电机近场噪声阶次追踪图Fig.8 Order tracking of motor near-field noise

为了分析各个阶次噪声对总噪声的贡献量,如图9所示,对图8的噪声进行阶次切片分析。可以看出,电机转速在1000 r/min以内时,各个阶次噪声相差不大;当转速超过1000 r/min后,电机48阶噪声最大,并且随着转速的增加,48阶噪声和总噪声的差值逐渐缩小,说明各阶次噪声对总噪声的贡献量越来越大。

图9 电机噪声的阶次切片图Fig.9 Order slice plot of motor noise

图8中,在逆变器开关频率4000 Hz和8000 Hz附近,存在许多“烟花状”的谐波激励,这也是电动车和内燃机汽车噪声阶次追踪图的最大区别。这是因为永磁同步电机是由逆变器提供三向交流电,由于电流调制作用,在定子电流中会存在一系列载波频率附近的高次谐波成分,频率为[8,21]:

式中:n1和n2为正整数;fT为变频器的开关频率。

图10为电机高频噪声的阶次追踪图。在4000 Hz附近,电流的3次和5次谐波成分较大;在8000 Hz附近,电流的2次、4次和6次谐波成分较明显。

图10 电机高频噪声Fig.10 High-frequency noise of motor

综上分析,可以总结出永磁同步电机主要的激励频率如下:

中低频:fn＝6ifo,i＝1,2,4;

高频:fn＝n1fT±n2fo;

n1＝1时,n2＝3,5;n1＝2时,n2＝2,4,6。

3.3.2 座椅振动响应

图11为驾驶员座椅振动的阶次追踪图,可以看出电机的8阶、12阶、24阶激励比较明显。为了对比匀速和加速时电机激励对驾驶员座椅振动的影响,对阶次追踪图按速度切片。由于篇幅限制,只分析车速为80 km/h时两者的差异。

从图12可以看出,加速和匀速时驾驶员座椅振动的频谱图相差不大,驾驶员座椅的振动主要来自于低频的路面激励,主要集中在60 Hz以内。

图11 驾驶员座椅振动的阶次追踪图(z向)Fig.11 Order tracking of vibration in driver seat

图12 加速和匀速时驾驶员座椅振动(80 km/h)Fig.12 Vibration in driver seat in accelerating and uniform speed under 80 km/h

3.3.3 车内噪声分析

图13 驾驶员位置噪声阶次追踪图Fig.13 Order tracking of vibration in driver seat

从图13(a)可知,在2000 Hz以内,存在9阶、18阶、24阶、48阶噪声。其中,9阶是后桥主减速器齿轮的啮合噪声,因为后桥主减速器的主动锥齿轮齿数为9,传动轴每转动一圈,就会产生9次啮合冲击,18阶是齿频的二次谐波。24阶和48阶是电机的电磁噪声,分别为电流基频的6倍和12倍。

从图13(b)可以看出,在高频只存在4000 Hz附近的电磁噪声。与图8相比,8000 Hz附近的电磁噪声消失。这是由于车身的密封作用,高频噪声不能传到车内。高次谐波成分为电流基频的3倍,频率f＝4000±3fo。

后桥主减速器齿轮参数如下:主、从动锥齿轮齿数分别为9和44;传动比为4.889。

4 结 论

(1)电动客车匀速行驶时,车内座椅的振动主要是由悬架传来的路面激励,频率较低,振动峰值处的频率基本与悬架的偏频重合。

(2)与传统的发动机不同,永磁同步电机噪声的阶次追踪图存在“烟花状”高频谐波激励,和变频器的开关频率有关,谐波频率为fn＝n1fT±n2fo,n1＝1时,n2＝3,5;n1＝2时,n2＝2,4,6。

(3)加速行驶时,由于车身的屏蔽和密封作用,电机高频噪声对车内影响较小,车内4000 Hz附近的谐波激励频率f＝4000±3fo。

(4)电机对车外加速噪声影响较大,频率高,主观感受较差,可以提高电机的开关频率,降低开关频率谐波噪声。

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