某純電動汽車優(yōu)化扭矩控制策略方案

本文分析了純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)振動噪聲來源、傳遞路徑及優(yōu)化路徑，并以某純電動汽車蠕行起步階段驅(qū)動系統(tǒng)24階噪聲為研究對象，提出了優(yōu)化扭矩控制策略方案，有效減弱了蠕行起步階段驅(qū)動電機系統(tǒng)24階振動噪聲。

1 純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)噪聲來源與優(yōu)化路徑

動力輸出裝置的電動化使得整車內(nèi)外的噪聲趨于減小。近些年來，國內(nèi)外學者已經(jīng)有大量的研究表明電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)的電磁噪聲是車內(nèi)外主要的噪聲來源。文獻［1］定性分析了低次徑向力波是引起電磁振動和噪聲的主要來源。文獻［2］從極槽配合與永磁體削角的角度計算分析了更改電機參數(shù)對電機電磁噪聲的影響規(guī)律。文獻［3］從優(yōu)化驅(qū)動電機定子沖片結(jié)構(gòu)設(shè)計、提升槽滿率角度并整車驗證改善了電機本體的振動噪聲。文獻［4］從驅(qū)動電機的生產(chǎn)工藝方面入手探討了降低電機振動噪聲的措施。文獻［5］對電動汽車動力總成的振動噪聲的特性進行了研究，將驅(qū)動電機放置在系統(tǒng)中同減速器、懸置、傳動軸等作為一個整體研究及解決振動噪聲問題，單單只分析驅(qū)動電機、減速器已不再合理。文獻［6］基于振動噪聲傳遞路徑分析，使用對電機及減速器進行聲學包裹的方法實際驗證對改善車內(nèi)高頻嘯叫有明顯效果。文獻［7］利用解析法和有限元法對變頻器供電時永磁電機的氣隙磁場、電磁激振力和噪聲的主要頻率進行分析得出：永磁電機在變頻器供電時定子的高次時間諧波電流在氣隙磁場中產(chǎn)生頻率與變頻器開關(guān)頻率相關(guān)的空間氣隙磁場諧波，其振動噪聲頻率主要分布在開關(guān)頻率及其倍數(shù)附近。

1.1 來源

當前純電動汽車越來越多地采用水冷驅(qū)動電機系統(tǒng)，取消散熱風扇，也就沒有了由于風扇轉(zhuǎn)動使空氣流動、撞擊、摩擦而產(chǎn)生的空氣噪聲，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①驅(qū)動電機電磁噪聲，驅(qū)動電機作為聲源，電磁噪聲是由電機本身的結(jié)構(gòu)特性、氣隙磁場、電磁力波、電機控制器驅(qū)動電機帶負載時電流的急速增大或減小等因素造成的。另外驅(qū)動電機的電磁噪聲也受電機控制器的控制策略、IGBT的開關(guān)頻率的影響。②傳動系統(tǒng)機械噪聲，傳動系統(tǒng)機械噪聲的主要來源是齒輪嚙合噪聲、花鍵嚙合噪聲、驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子不平衡、軸承噪聲、裝配偏心產(chǎn)生的噪聲等。③扭轉(zhuǎn)振動和噪聲，經(jīng)常發(fā)生在車輛加速或減速的過程中某一速度段車輛有抖動噪聲，典型的表現(xiàn)為加速共振特性，這是由于當驅(qū)動電機裝配在整車上時，驅(qū)動電機與減速器、驅(qū)動電機與懸置、傳動軸等驅(qū)動系統(tǒng)零部件組合為一體形成新的模態(tài)，驅(qū)動電機的輸出扭矩激勵頻率是隨速度變化的，當同動力總成傳動系統(tǒng)固有頻率接近時，產(chǎn)生共振，強化了局部的振動噪聲。

1.2 傳遞路徑

驅(qū)動電機振動噪聲的傳播路徑一般分為兩類，如圖1所示，一類是從驅(qū)動電機本體機殼、端蓋傳導出來的振動噪聲通過懸置系統(tǒng)傳遞到車身及車內(nèi)，另一類是通過驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子軸系傳遞到傳動軸、懸架系統(tǒng)、車身及車內(nèi)。

圖1 驅(qū)動電機振動噪聲傳播路徑

1.3 優(yōu)化途徑

純電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)振動噪聲優(yōu)化一般從以下幾個方面入手：①降低激勵源，中低速時風噪和路噪比較小，車內(nèi)外噪聲主要來源于驅(qū)動電機，降低驅(qū)動電機電磁噪聲應從設(shè)計階段開始控制。選擇合適的繞組形式，采用雙層繞組可以減弱低次諧波的影響、減少磁勢中諧波成分，合理選擇定轉(zhuǎn)子齒槽配合，合理選擇氣隙值使氣隙均勻，采用斜槽或者斜極，采用滑動軸承并保持良好的潤滑等。②控制策略，優(yōu)化控制策略是無需修改驅(qū)動電機及車身其他部件結(jié)構(gòu)、緩解驅(qū)動電機振動噪聲的最方便快捷的方式。一般從優(yōu)化IGBT開關(guān)頻率、重新標定電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)、優(yōu)化油門踏板開度、優(yōu)化扭矩階躍的強度等途徑緩解驅(qū)動電機振動和噪聲。③傳播路徑，電動汽車線束數(shù)量多，分布廣，需要較大的空間布線及較大的孔洞走線，對隔音形成較大難度。隔絕噪聲傳播路徑的方法有密封、隔聲和隔振，主要是做好車身鋼板的細縫、孔洞的密封，并使用高效阻尼材料隔絕聲音和振動的傳播。④聲學包，聲學包技術(shù)也是基于局部噪聲源頭在傳播路徑上進行優(yōu)化的一種降噪措施，主要適用于高頻 （＞500Hz）噪聲的優(yōu)化控制，驅(qū)動電機本身是一個發(fā)熱體，選用的聲學包裹材料應綜合吸聲、隔振及散熱性能。

2 某純電動車蠕行模式振動噪聲測試分析

車輛的蠕行模式也稱為低速巡航駕駛輔助系統(tǒng)，在此模式下不需要駕駛員操作油門踏板和制動踏板，整車控制器自行控制驅(qū)動電機扭矩的輸出，使車輛以非常緩慢的速度行駛。車輛蠕行模式，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速在130～200r／min之間，頻率在74Hz附近，駕駛室明顯聽到比較低沉的“嗯”的聲音并伴隨從底板傳輸而來的振動，表現(xiàn)為24階、48階噪聲和振動，其中24階更為明顯。其測試結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 駕駛室右耳噪聲測試

圖3 驅(qū)動電機殼體振動

3 某純電動車蠕行模式24階噪聲分析

某純電動汽車驅(qū)動電機采用4對極、48槽、三相單層繞組永磁同步電機，匹配一擋減速器進行扭矩傳遞輸出。根據(jù)電磁理論對該驅(qū)動電機進行電磁力波分析，轉(zhuǎn)子磁場的諧波次數(shù)為：

定子磁場的諧波次數(shù)為：

同步電機定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，產(chǎn)生振動噪聲的主要電磁力波的極對數(shù)為：

那么，對應的電磁力波的頻率為：

式中：k，r——常數(shù)；p——驅(qū)動電機的極對數(shù)；f r——轉(zhuǎn)子的頻率；μ±p——電磁力波對應的頻率階數(shù)。

通過計算分析，如圖4某驅(qū)動電機力波分析表，8極48槽三相單槽永磁同步電機的電磁噪聲階次為8，16，24，40，48，64，72，80，88，96，表現(xiàn)最為典型的階次為24，48，96，它們對應的空間階次都為0階。對應整車噪聲振動測試數(shù)據(jù)，蠕行起步階段表現(xiàn)最顯著的是24階噪聲和振動，而驅(qū)動電機本體的結(jié)構(gòu)特性決定24階電磁力波是轉(zhuǎn)子的5、7次諧波和定子的5、7次諧波相互作用產(chǎn)生的。測試數(shù)據(jù)與驅(qū)動電機電磁力波分析相吻合，整車蠕行起步階段24階噪聲和振動是由驅(qū)動電機激勵引起的。

圖4 某驅(qū)動電機力波分析表

采用LMS信號分析系統(tǒng)在整車上對動力總成傳動系統(tǒng)進行錘擊法模態(tài)測試，激勵驅(qū)動電機本體及減速器上各點分析懸置主動側(cè)頻響，激勵減速器前端存在74Hz的明顯峰值如圖5所示，表現(xiàn)為動力總成繞右后懸置連線旋轉(zhuǎn)的剛體模態(tài)如圖6所示。

圖5 激勵減速器前端頻響

綜上所述，結(jié)合整車振動噪聲測試數(shù)據(jù)和整車動力總成頻響、模態(tài)測試結(jié)果，車輛在130～200r／min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在74Hz頻率附近局部強化的24階振動噪聲是由驅(qū)動電機激勵、驅(qū)動電機電磁力波頻率同車輛動力總成固有頻率共振引起的。驅(qū)動電機和減速器連接在一起形成新的模態(tài) （74Hz），驅(qū)動電機電磁力波的頻率隨著轉(zhuǎn)速變化，在蠕行起步加速的過程中隨著驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速、扭矩的上升，新的模態(tài)固有頻率同電磁力波頻率重疊，很快產(chǎn)生了共振。

4 某純電動車蠕行模式驅(qū)動電機系統(tǒng)24階噪聲解決方案

減弱驅(qū)動電機24階噪聲和振動可以優(yōu)化電機本體結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化傳播路徑等，本文從優(yōu)化控制策略來緩解蠕行起步階段24階噪聲和振動。優(yōu)化控制策略的主要途徑有調(diào)整電機的速度環(huán)、電流環(huán)參數(shù)、調(diào)整開關(guān)頻率、調(diào)整扭矩補償參數(shù)、優(yōu)化扭矩階躍強度等方面。

前期做了大量工作重新標定驅(qū)動電機的速度環(huán)、電流環(huán)、扭矩補償參數(shù)以及開關(guān)頻率，均沒有減弱蠕行模式24階振動噪聲。最后采用增加預置扭矩、優(yōu)化扭矩階躍強度有效解決了蠕行模式24階噪聲和振動。在整車控制器發(fā)送給電機控制器使能指令后即給定5Nm的預置扭矩，讓驅(qū)動電機發(fā)出扭力，消除傳動系統(tǒng)花鍵、齒輪的嚙合間隙，消除了車輛由靜止到行駛的轉(zhuǎn)速沖擊，車輛進入預備狀態(tài) （處于車輛靜止狀態(tài)）；同時優(yōu)化蠕行工況扭矩階躍梯度，扭矩的增加分兩個階段，在轉(zhuǎn)速上升到60r／min時蠕行扭矩達到最大值35Nm，蠕行工況加速結(jié)束后驅(qū)動電機只需輸出7Nm的力即可使驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在384r／min，較優(yōu)化前最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速降低29r／min，根據(jù)整車參數(shù)換算成車速降低0.4km／h，主觀評價不影響駕駛感受。從總線上提取的扭矩、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)優(yōu)化前后對比如圖7所示，整車控制器蠕行模式扭矩階躍強度數(shù)據(jù)前后對比如圖8所示。

圖6 動力總成模態(tài)

圖7 總線上提取的蠕行模式扭矩轉(zhuǎn)速優(yōu)化前后對比圖

圖8 蠕行模式扭矩階躍強度標定數(shù)據(jù)前后對比圖

增加預置扭矩、優(yōu)化蠕行模式扭矩階躍強度后，再次測量駕駛室右耳噪聲，如圖9所示，噪聲強度明顯減弱，主觀評價已無明顯的感覺。

5 總結(jié)

本文從優(yōu)化控制策略方面入手，通過增加預置扭矩、優(yōu)化蠕行模式扭矩階躍強度，有效緩解了蠕行起步階段驅(qū)動電機系統(tǒng)的24階振動和噪聲。在零部件的設(shè)計開發(fā)階段進行NVH的預測分析及研究，在整車零部件選型開發(fā)時進行相關(guān)各部件的模態(tài)分析，優(yōu)化控制策略，可有效避免振動，降低車內(nèi)及近場噪聲，有效縮短項目周期確保產(chǎn)品順利開發(fā)完成，并為后續(xù)新車型的開發(fā)提供指導。

圖9 優(yōu)化前后噪聲測試對比圖

審核編輯：郭婷