电动车NVH 现象研究

Dr.-Ing. Dejan Arsic, Müller-BBM VibroAkustik Systeme GmbH

摘要

与传统汽车相比，新能源车由电机驱动，在开发中面临着新的挑战。Müller-BBM VibroAkustik Systeme 和Mahle 动力总成研发人员研究了在测试中遇到的各种现象，这些现象涉及各大厂商的多种电动车型。由于动力总成的架构已发生变化，因此需要额外的测量设备和分析方法，同时需要考虑不同的测量位置和测量转速的新方法。

可感知的噪声和振动

声音是客户评估车辆的关键因素之一。因此，声学在汽车开发过程中起着重要的作用。经验丰富的工程师在数十年的NVH 工作中，积累了相当丰富的专业知识，对基于内燃机（ICE）的动力总成有了透彻的了解，并且可以利用他们对于已知现象的广泛认知，有效的解决NVH问题。纯电动或混合动力（电机和发动机的组合）的新动力总成，带来了新的NVH 问题，并且是以前未知的现象。完全不同的电机和变速箱配置以及高转速使得人所感知的噪声振动频率更高，此外，消除了两个最主要的声源（发动机和排气系统），这两个系统掩盖了许多其他声音，而现在这些被掩盖的声音就可以被感知到了。在本文中，我们将讨论在测试大量不同厂家电动车时遇到不同现象。除了对噪声源本身的描述之外，还将对发动机驱动和电机驱动车辆的传递路径进行全面比较。由于动力总成结构的变化，我们将进一步说明测量所需要的设备和分析方法。结构的变化使得我们需要采用不同的测量位置和测量转速的新方法（例如利用变频器）。

数据采集

如果仅考虑NVH，则数据采集任务本身并没有发生很大变化。声压，振动加速度和转速仍然是重点，测试位置调整也容易。因为各种各样的现象都出现在本底噪声附近，因此应该选择本底噪声低的麦克风。此外，建议测试设备能够测试高电压并具有高采样率，用以研究电气设备产生的噪声。如图1 所示，电机和变速箱可以认为是一种紧凑的驱动单元。测试传感器几乎不可能接触到旋转零件，而旋转零件经常是造成噪音和振动干扰的原因。为了解决这个问题，我们已经评估了多种方法。首先从CAN 总线接口读取转速，这对于快速变化的转速来说太慢了，导致阶次分析不够精确。由于仍在使用齿轮，如果选择感应式转速传感器，则可以根据通过的齿轮齿数来计算转速，但这种方法传感器的安装比较麻烦。为了避免这些问题，采集逆变器信号（将直流电转化为交流电），通过测量转子的角度位置和已知的相移，可以更为简便的确定电机的转速。尽管如此，我们仍然可以使用传统的光电传感器进行测量，特别是对于混合动力汽车来说，通常更容易接近旋转零件。转速测试是进行更复杂的旋转分析（例如扭转振动）的基础。在动力总成的运行状态更为复杂的情况下，现在必须解决一些迄今为止被忽略的现象。电机的启动和停止过程不是很平稳，会产生错误的转速信号，如无转速或转速过高。因此，要尽可能避免这些错误。此外，使用增量编码器测试转速是很好的选择。

车内噪声

如前所述，电驱车型的开发面临着全新的挑战。在传统车型开发中，发动机噪声掩蔽了各种不同的噪声，但是现在这些噪声可以感知到并需要加以解决，因此在设计这些声源部件时需更加谨慎。众所周知，驱动电机会产生噪音，电池需要冷却，并且许多控制元件偶尔也会发出噪音，因此解决这些因为使用电机而出现的问题似乎更为复杂。发动机噪声通常被认为是低频信号源，最高达3000Hz，然而电机可以达到更高的频率。这可以从混合动力汽车的研究中看到，如图2。起步时，仅由电机驱动，车内噪声的总体水平较低，并且相当平稳，主要的阶次很高，并且可以观察到一些高频线，达到一定车速时，发动机开始工作，总体噪声水平就会急剧上升。对于低频尤其如此，通常可以观察到发动机的主要阶次。

这些高频成分现在对整个组件设计和测试过程本身产生了影响。为了获得有特色的且令人感觉舒适的车内噪声，应根据声音的主要频率范围选择降噪材料。因此，低频材料常用的测试方法如声强测量，混响时间和阻尼测试等将不再够用。对于应对电机的高频噪声，现在需要选择不同的材料，而且测试过程也需要相适应，因为现在需要在高频有足够的能量来激励这些材料，并且允许重复测试。

阶次分析是车辆声学中的标准分析任务之一，因为通常感知到的声音的频率与旋转零件的转速之间存在相关性，内燃机和电机都是如此。由于电机的高转速，主要阶次的频率比以前更高。但是，在研究经典频谱时，可以观察到一些差异。如图3 所示，其中麦克风安装在靠近电机的位置，与发动机相反，在更高的频率下，无论是在负方向还是正方向上都可以看到伞状阶次线，这些附加频率通常是脉宽调制信号（PWM），用于控制电机的转速，其中阶次的频率与电机控制信号相关。因此，电机的NVH 性能受两个因素影响：电机的旋转和PWM信号。现在的任务是区分由电机控制信号产生的频率和阶次本身，并解释频率线和阶次的交叉点，因为如果仅认为是单个阶次，则该值可能会高于预期。

驾驶员耳旁贡献量分析

为了更好地理解主要声源的声音，通过工况传递路径分析（OTPA）[1] 在转鼓上对混合动力汽车进行了研究，这是在NVH 开发中的一个标准方法。OTPA 旨在对整体响应信号的各个来源贡献进行排序。这样，仅通过使用工况测量就可以单独研究噪声源，而无需拆卸车辆。为了对驾驶员耳旁的噪声进行全面分析，在车辆的发动机和电机，轮胎，排气和进气处都布置了麦克风，加速度布置在发动机悬置，变速箱悬置，排气系统，电机和车架本身上，同时采集车速和转速。图4 说明了驾驶员耳边贡献分析的结果。不出所料，对于电机，驾驶员耳旁处的总体声压级较低。比较各个来源可以看出，即使响应较低的情况下，结构声贡献的排名也保持不变。原因很明显，因为底盘仍然相同。考虑空气声的话，因为发动机和排气系统未工作，所以轮胎噪声是电动汽车的噪声主要来源。应当注意的是，所有可能的声源都在混动模式和纯电模式进行了测量，同时排气系统未在电动模式下工作。因此，计算出考虑串扰影响的贡献量结果，排名本身仍然是正确的。但是，应该指出的是，结果不能一概而论。例如，由于变速箱的品质问题，某些车辆已经出现了高频啸叫声。

车外噪声

除了前面讨论的车内噪声外，车外噪声也是一个重要的问题[2]。一方面，声音设计师试图为每个品牌和型号创造独特的声音；另一方面，在规定工况下，测试法规对最大声音量级也有着严格的要求。电动汽车则不同，电动汽车相当安静，以至于可能对行人和骑自行车的人构成安全威胁。

因此，电动车噪声必须保证一定的水平，车辆加速应该用声音表示出来，即所谓的频移。安静汽车的法规包括声学车辆警报系统（AVAS）[3]。在车辆周围的三个不同位置以不同的速度测量车外噪声，并参考背景噪声来计算平均的三分之一倍频程。混合动力车辆在不同速度下（分别为5、10、15 和20 km / h）的结果如图5 所示。在所有速度下，电机的噪声水平远低于发动机。在较高的车速（例如20 km / h）下，轮胎噪音会变得更加突出，车辆更容易被行人发现，这足够保障行人的安全。将AVAS与车辆内部的扬声器配合使用时，会发出人造声音，在低速时，该声音可能比发动机车辆更大。

使用OTPA 对车外噪声进行贡献量分析，研究电机和发动机运行时产生的声场[4]。将麦克风放置在行人位置（代表响应），并将麦克风放置在轮胎，动力系统，排气和进气处（代表激励）。分别测量电驱模式和混动模式。结果如图6 所示，可以看出，电驱模式在行人位置的总水平要低得多；发动机和进气贡献可以忽略，主要贡献是轮胎。同样，在结果中可以看到部分串扰的影响。

结论

尽管电动汽车为NVH 工程师带来了各方面的变化，但是许多已知的方法仍然可以进一步使用。考虑到整车，即使声场本身非常不同，测量点和使用的传感器依旧相同。尽管从法规的角度来看，车外噪声的限值很容易达到，但是旋转分析仍然是一个令人感兴趣的课题，需要进一步研究。正如已经提到的，因为没有发动机噪声，一些组件的声音可以被感知到。现在，我们会更加仔细地选择和测试这些组件，特别是避免产品差异。

参考文献