纯电动汽车电驱动系统噪声控制技术研究进展

王翌伟，徐晓美

（210037 江苏省 南京市 南京林业大学 汽车与交通工程学院）

0 引言

纯电动汽车电驱动系统产生的噪声比传统燃油汽车驱动系统的噪声更易引起人体不适，因此成为目前纯电动汽车噪声控制的主要对象[1]。集成式电驱动系统具有高功率密度、高声音品质等特性，是当前纯电动汽车电驱动系统的研发重点。集成式电驱动系统主要由集成的传动系统与驱动电机组成。其中，传动系统一般由减速器、变速器组成；驱动电机是电驱动系统的核心，目前常用的是永磁同步电机和感应电机。本文从纯电动汽车电驱动系统的噪声问题出发，主要对电驱动系统中的减/变速器的齿轮啸叫噪声、壳体辐射噪声以及共振引起的噪声、永磁同步电机和感应电机的机械噪声、空气动力噪声和电磁噪声的控制技术进行综述与分析，并对纯电动汽车噪声控制的未来进行展望。

1 减/变速器

1.1 减/变速器噪声产生机理

对于纯电动汽车用驱动电机，仅调整其输入电流就可控制输出动力，因而理论上仅需配备减速器就可完成动力传递。若给纯电动汽车加设变速器，对其动力传递而言将如虎添翼，因此目前不少纯电动汽车配备了变速器。纯电动汽车用减速器与变速器类似，二者作为齿轮传动系统，齿轮噪声不可忽略，而壳体是齿轮传动的载体，也是噪声对外辐射的直接对象。所以减/变速器噪声主要由齿轮噪声、壳体辐射噪声及两者共振噪声引起。

传统燃油车用变速器齿轮噪声主要包括啸叫噪声和敲击噪声，而纯电动汽车的变速器，由于电驱动系统传动装置中没有齿套、同步器以及空挡齿轮，所以敲击噪声不大，主要是齿轮啸叫声。啸叫噪声频率与齿轮啮合阶次有关，随齿轮转速的增加而增加。目前，纯电动汽车的齿轮向高速齿轮发展，这就使得减/变速器啸叫噪声问题更加严重。啸叫噪声是由于动态激励载荷作用在箱体的弹性系统上，使二者之间发生刚柔耦合响应引起的。齿轮系统的动态激励由内部激励和外部激励2 部分组成。内部激励是齿轮啸叫噪声的重要源头之一，一般指一对齿轮啮合过程中在齿轮副上产生的动态载荷，主要有误差激励、刚度激励、啮合冲击激励。误差激励是齿轮安装加工过程中误差所导致的位移激励，是不可避免的。刚度激励是齿轮传动时齿廓上的啮合点沿齿廓垂向移动引起齿轮啮合刚度变化。啮合冲击激励是啮入、啮出点偏离理论点产生的激励，主要原因为齿轮因误差或受载发生弹性变形；外部激励也会导致减/变速器的齿轮啮合或系统产生动态激励，如电机电磁力和负载的变化。其中，电磁力是主要激励力。当减/变速器模态频率与电机电磁力激励频率相近时，会对减/变速器工作产生影响并生成噪声。

总的来说，减/变速器的噪声主要来源于齿轮的加工装配误差、时变啮合冲击力等因素导致的动态啮合力。动态啮合力导致的齿轮振动一般通过传动轴以及轴承传递至减/变速器的壳体，最终引起壳体振动并向外辐射噪声[2]。

1.2 减/变速器噪声控制方法

根据减/变速器噪声产生机理，减/变速器的噪声控制手段主要有：优化齿轮啸叫噪声、减/变速器壳体辐射噪声以及二者共振噪声，具体控制方法有：齿轮参数优化、壳体结构优化、齿轮微观修形、吸声阻尼材料应用。

优化齿轮参数的前提是了解各齿轮参数对于结构传动噪声的影响。不同类型的齿轮，由于几何特性不同，将产生不同的啮合过程。齿轮参数对传动噪声的影响如表1 所示。

由表1 可知，为解决纯电动汽车用减/变速器噪声问题，齿轮模数应尽可能低。对于重合度接近2 的高速齿轮传动，通常采用压力角为16°～18°。高速齿轮一般采用较大螺旋角的斜齿轮，初级传动宜采用窄齿传动，对末级或承受重载荷的齿轮应采用宽齿传动。齿轮精度需达到5 级或以上。

表1 齿轮参数对传动噪声的影响Tab.1 Influence of gear parameters on transmission noise

减/变速器壳体是一个典型的弹性结构系统，其刚度、固有频率、表面辐射面积等都会影响噪声辐射以及与齿轮的共振噪声，为缓解壳体辐射噪声与共振噪声，常对壳体结构进行优化。为缓解某纯电动汽车变速器齿轮与壳体共振，Fang Y[3]等人基于变密度法，以最小声压级为目标，对变速器壳体进行了拓扑优化，显著降低了变速器壳体的噪声。

此外，还可通过在壳体上加设加强筋或增设额外固定连接的方式来提高壳体刚度、改变固有频率，实现减振降噪。

齿轮微观修形是降低减/变速器齿轮传动误差的重要手段，能够使啮合齿面受载均匀，改善齿轮轴受载变形导致的啮合错位，缓和啮合冲击，降低啸叫噪声。齿轮微观修形一般包括齿形修形、齿向修形和对角修形。齿形修形一般指齿廓方向上的线性修形、起鼓修形和齿顶或齿根修缘等，能够降低因齿廓偏差引起的啮合冲击。为避免影响轮齿强度，一般采用齿顶修缘。为减小因齿轮轴变形或错位产生的传动误差，常采用齿向修形。齿向修形有鼓形修形和倾斜修形。前者使齿面分布载荷更均匀，即便齿轮受载倾斜时，仍能平稳传动。后者因修正量很小不易加工，应用较少。目前对角修形研究应用较少。纯电动汽车电机自身一般具有较优的调速性能，因此变速器不需要很多挡位，现在主要使用的是二挡变速器。蔡文奇[4]为解决某纯电动汽车两挡变速器齿轮啸叫声，基于模态分析，采用齿形修形与齿向修形相结合的方法，以重合度为衡量标准，对齿轮组进行优化，有效缓解了齿轮啸叫噪声。

此前，相关噪声的评估控制方法一般以齿轮啮合理论为基础，缺乏对于齿轮传动误差相关因素的深入定量分析，因此王瑞欣[1]等人基于自建的纯电动汽车中减速器用高速齿轮传动系统简化模型，探寻了传动误差激励下传动系统振动噪声的动态响应，并提出了振动噪声评价指标与优化方法。

吸声阻尼材料能有效吸收噪声，并通过减小振动来抑制噪声。林巨广[5]等人结合电机径向电磁力特性，对某电动汽车动力总成噪声，从控制噪声传递路径角度出发，在动力总成上通过应用吸声材料制成声学包，取得了良好的降噪效果。此外，也有研究人员通过在减/变速器传动轴或壳体上加设阻尼材料来缓解传动轴或壳体自身振动辐射的噪声以及其与齿轮的共振噪声。智能材料的发展给阻尼材料的选择提供了更多可能性。

随着新材料技术的发展，磁流变弹性体、压电元件等新型智能材料有望应用于纯电动汽车的噪声控制。与传统阻尼材料相比，磁流变弹性体因具有优越的可控阻尼特性和快速响应特性，已在电气和电子设备、减振降噪领域获得应用[6]。压电元件具有压电效应，研究发现，将其阵列应用在薄壁结构中，能够在满足轻量化设计基础上有效抑制薄壁结构振动，因而常用于主动控制薄壁结构的振动[7]。

2 永磁同步电机

2.1 永磁同步电机噪声产生机理

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM）主要由定子、转子以及端盖等部件组成，因具有可靠性好、效率高、功率因数高等优点在当前纯电动汽车中得到广泛应用。PMSM 噪声一般包括机械噪声、空气动力噪声和电磁噪声。

PMSM 的机械噪声主要源于装配制造过程中转子（定子）机械不平衡而导致轴承等零部件的磨损、转子（定子）偏心等。空气动力噪声是因为PMSM的冷却机构运行时，散热风扇和转子带动周围空气旋转，改变空气压力引起的。

电磁噪声是PMSM最主要的噪声。就自身而言，谐波磁场的产生源于反电动势波形非正弦、转子偏心以及电枢电流不平衡等。PMSM 转子分段斜极[8]的存在提高了低阶径向电磁力，从而放大了电磁噪声。就驱动而言，由于逆变器开关斩波和非线性等因素会产生电流谐波，从而产生谐波磁场。正弦波供电时，PMSM 噪声主要集中在低频段；逆变器供电时，噪声主要在开关频率及其倍数附近。PMSM定子结构由于受谐波磁场产生的径向电磁力影响，从而产生振动噪声。电流谐波在中低速时对电磁力影响十分显著。电流谐波一般可分为高次电流谐波和低次电流谐波。高次电流谐波主要由逆变器开关斩波的非线性引起；低次电流谐波一般由绕组分布形式、齿槽效应等造成的电机气隙磁场畸变引起，或由逆变器的非线性特性所导致的输出电压畸变、数字控制器分辨率等引起。

综合来说，PMSM 噪声的影响因素如图1 所示。

图1 PMSM 噪声影响因素Fig.1 Influencing factors of noise of PMSM

2.2 永磁同步电机噪声控制方法

PMSM 机械噪声控制主要是对轴承噪声的控制。抑制轴承噪声通常采用加设弹性阻尼材料、提高轴承加工精度、提高电机密封性等方法。要降低PMSM 的空气动力噪声，可在空气出入口处加设吸声材料、将扇叶改为多孔材料等来实现。

电磁噪声在PMSM 噪声中占比最大，也最复杂。电磁力波是电磁噪声的直接激励源，电磁力波主要来源为电流谐波。如前所述，电流谐波又分为高次谐波和低次谐波。对于高次谐波，通常采用优化脉宽调制策略、改变逆变器拓扑等方式来改善。对于PMSM 中、低次谐波，无论是逆变器输出的电压谐波还是电机反电动势谐波，其幅值均随阶次的增大而下降，所以相关研究主要考虑5、7 次谐波。其抑制手段常有2 种：（1）从削弱反电动势的畸变出发，优化电机自身结构，主要有优化斜槽或斜极[9]、优化永磁体形状[10]和改变转子[11]等，从而降低谐波含量；（2）从电流谐波控制策略角度出发，利用谐波补偿算法来抑制电流谐波。主要电流谐波抑制策略有无位置传感器控制策略[12]、比例谐振（Proportional Resonance，PR）控制策略[13]、重复控制策略[14]、自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control，ADRC）策略[15]等。

对于无位置传感器控制策略而言，逆变器非线性和电机不均匀的磁场分布所导致的谐波将会影响反电动势和定子电流谐波，从而影响其位置观测精度。为解决此问题，杨淑英[12]等人提出了基于直接观测控制反电动势谐波的控制策略，此策略同时抑制了反电动势和定子电流中5、7 次谐波，具有较高精度以及谐波抑制能力。对于传统表贴式PMSM，在PI 控制器上并联PR 控制器可有效抑制其单一频率的电流谐波。与之相比，高凸极率PMSM 的电流谐波抑制更困难。对此，魏艺涵[13]等人提出了一种基于并联双PR控制器的控制策略，此策略能较好地抑制高凸极率PMSM 任一运行工况下某些特定阶次的电流谐波。与以往控制策略相比，结构与参数设定更简便。重复控制器中修正重复控制器专用于补偿死区时间，结构简单易于集成。基于此，TANG[14]等人为抑制死区效应导致的电流谐波及相电流失真，提出了一种PMSM 死区补偿策略，此策略无需额外硬件进行精确电流采样，便能显著降低电流总谐波失真和波形失真。

为拓宽PMSM 转速控制范围、提升精度及效率，刘春光[15]等人提出一种基于ADRC 控制器的死区效应控制策略，采用扩展状态观测器观测扰动，再结合非线性PID 控制消除扰动。此非线性控制方法理论还不成熟，许多参数还需研究调整。LI[16]等人提出了一种将鲁棒同步控制与非线性干扰观测器相结合的抗干扰控制策略，用于抑制PMSM 伺服系统的角位置跟踪控制系统中不确定性系统的干扰。此策略具有很好的鲁棒性，但对二质量伺服系统的共振抑制和抗干扰控制有待进一步研究。

综合来看，PMSM 噪声控制主要集中在电磁噪声控制。电磁噪声控制可以从自身结构优化和电流谐波控制策略出发。随着人们对PMSM 部件认识的深入和巧妙设计，具有低噪声特性的结构有望越来越多。对于电流谐波控制策略，任意一种策略的实现均离不开数字处理器的支撑，随着数字处理器技术的迅猛发展，其运算速度将会越来越快，进而使得控制策略的控制响应速度更快、更稳定。

3 感应电机

3.1 感应电机噪声产生机理

感应电机因具有单位功率成本低、无退磁现象、无需稀土资源等优点，在欧美的纯电动汽车上应用较为普遍。与PMSM 一样，感应电机的主要噪声也是机械噪声、空气动力噪声和电磁噪声。

感应电机的机械噪声主要由转轴弯曲、转子的不平衡、轴承等机械结构制造装配上的误差等因素引起。转轴弯曲和转子不平衡（或椭圆转子）将引起转子振动，从而带动定、转子的支撑部件产生振动，进而导致机械噪声。电机运行中，转子、转轴等零部件会发热，将产生不均匀的热分布使得转子热不对称，尤其在负载时，转子的热不平衡会使转轴发生热弯曲，从而加重其不平衡特性，进而加重机械噪声。轴承噪声是电机重要的机械噪声源。感应电机常用滚动轴承，其噪声的主要影响因素有制造装配精度、负载导致的周期性弹性形变、零部件共振频率等。感应电机的空气动力噪声主要源于风扇、旋转的转子和转子端环上的风叶等部件，强度随着电机转速增大而增大，当电机转速较高时，风扇噪声为主要噪声源。

感应电机的电磁噪声常为尖锐的高频噪声，主要源于铁磁材料的磁致伸缩和电机气隙中的谐波磁场。对于电机，磁致伸缩一般不是主要电磁噪声来源，但不可忽视。BEN T[17]等人具体分析了磁致伸缩对电机电磁噪声的影响。感应电机气隙谐波磁场产生的径向电磁力和切向电磁力作用于定子铁芯，而定子和壳体是电磁噪声的主要辐射源，若径向电磁力谐波频率与定子或壳体的固有频率相接近，将会发生共振产生强烈的低频噪声。切向电磁力会产生切向力矩作用在电机上，使其发生切向振动，从而产生切向振动噪声。径向电磁力导致的共振噪声是感应电机电磁噪声的主要来源，研究共振噪声的关键是对感应电机气隙磁场作谐波分析。此类谐波影响因素有很多，一般可以从两方面概括，即定、转子绕组电流引起的绕组谐波磁场[18]和定、转子槽开口导致的磁导齿谐波磁场[19]。前者可以从感应电机驱动系统着手分析。驱动系统的核心一般是利用脉宽调制技术的逆变器。由脉宽调制原理知，逆变器的输出电压/电流中具有开关频率的倍频和边频带的谐波，此类谐波因高频、窄带宽的特点，会使电机振动产生高频窄带电磁噪声，随着总谐波失真加剧，噪声将急剧增加。此类噪声强度与逆变器输出电压/电流谐波频谱有关。

感应电机噪声的影响因素如图2 所示。

图2 感应电机噪声的影响因素Fig.2 Influencing factors of noise of induction motor

3.2 感应电机噪声控制方法

感应电机的机械噪声控制可以通过加设降温装置、提高滚动轴承等部件制造装配精度等措施实现。感应电机的空气动力噪声控制可以通过将扇叶改为多孔材料、优化转子结构等方式实现。

电磁噪声在感应电机整体噪声中占比最大，对其控制主要在于对电机气隙磁场的谐波进行优化。若在感应电机各个齿轮顶端（转子或定子上）的中间位置构造适当辅助槽，可使磁导齿谐波磁密（定、转子）空间阶次翻倍，从而降低电磁噪声。柴大鹏[20]等人选用合适的转、定子槽配合，提高了气隙磁场基波磁场产生的倍频力波和定转子谐波磁场产生的径向力波阶数，气隙加大有效减小谐波磁场的振幅，选择适当定子绕组节距可有效抑制相带谐波，选用合适的转子斜槽，可有效缓解电机输出转矩脉动，这些方法的配合使用可有效抑制电磁噪声。

从电流谐波控制策略角度来看，目前普遍使用的是随机调制控制，分为随机脉冲位置调制技术和随机脉宽调制技术。随机脉冲位置调制技术在较高调制比下，效果并不理想；随机脉宽调制策略常充当最佳调制的解决方案，应用最为广泛，能够改善开关倍频谐波频谱附近的能量分布，分散谐波能量，拓宽带宽，减小高频电磁噪声。除脉宽调制策略外，正弦脉宽调制的应用使逆变器谐波集中在开关频率及其整数倍附近。与之相比，空间矢量脉宽调制能提供更小的电流、电压和扭矩谐波，使电压谐波集中在开关频率的整数倍附近。BOUYAHI H[21]等人仿真分析了上述3 种脉宽调制技术的作用机理及其对感应电机电磁噪声的影响。纯电动汽车用感应电机的固有频率普遍较低，只采用随机调制技术无法避免其低频共振。刘和平等人[22]提出了将随机脉宽调制与电流谐波频谱整形相结合的矢量控制策略，不仅使电流频谱特性趋向于均匀，还缓解了电机低频共振，有效减少了电磁噪声。该策略无需修改硬件，具有较好的实用性。

4 结语

本文综述了电动汽车减/变速器、永磁同步电机以及感应电机噪声的产生机理及控制方法。随着磁流变弹性体以及压电元件等智能材料的快速发展，新型降噪智能材料将有望应用于纯电动汽车的噪声控制。电机电磁噪声控制中，电机结构将随着研究的深入而更加巧妙且具有更优的噪声特性，电流谐波控制策略和算法也将随着数字处理器技术的发展而更具实时性和稳定性。