利用虛擬環(huán)境技術提高電動汽車NVH性能的展望

陳 亮

（重慶大學機械工程學院，重慶 400030）

1 電動汽車噪聲問題控制的必要性

在全球把節(jié)能、環(huán)保作為首要的發(fā)展主題的背景下，電動汽車得到了非常迅猛的發(fā)展，并日益成為技術競爭的焦點。在電動汽車的技術中，全球的注意力都集中在動力系統(tǒng)的集成和控制，以及動力系統(tǒng)關鍵部件的開發(fā)上，而忽略了電動汽車的噪聲問題，事實上電動汽車的噪聲問題水平并不比汽油車和柴油車有優(yōu)勢，要想提高電動汽車的整體性能，降低其噪聲也是迫在眉睫，并且需要在降低噪聲的前提下改善聲學品質。

我國已經(jīng)提出了“十二五”發(fā)展規(guī)劃，力爭在電動汽車行業(yè)走在世界的前列。為了降低成本，縮短開發(fā)周期，減少生產(chǎn)后的整改，達到良好的聲振效果，在設計開發(fā)的早期就應進行系統(tǒng)設計與控制，才能在此項技術上達到世界先進水平。

2 電動汽車振動和噪聲現(xiàn)象的特點

電動汽車結構特點［1］:動力輸出裝置利用電機驅動;增加大質量的電能儲存系統(tǒng);改變了能量補充系統(tǒng);減速器傳動比縮小，結構簡單。輔助系統(tǒng)全部變?yōu)殡娏︱寗樱黾痈鞣N電動壓縮機和電動泵來保證各個系統(tǒng)的正常工作。整車的布置改變，載荷分布變化大，整車行駛動力學性能也發(fā)生改變。

電動汽車的振動和噪聲特性與傳統(tǒng)汽車相比有以下重要特點［2］:質量很大的蓄電池大大影響了整車的模態(tài)特性;沿車輛縱向分布的較大的集中質量增加了整車俯仰、側傾和橫擺轉動慣量，同時操縱穩(wěn)定的瞬態(tài)響應特性也受到影響;電動汽車各輔助系統(tǒng)、動力蓄電池、其他的大功率元件和附加的冷卻通風系統(tǒng)分散布置在汽車各個部位，形成了“多聲源散布”的特點，容易引發(fā)新的異常噪聲問題;各種電動化系統(tǒng)和部件有不同工作特性、不同安裝位置和不同工作時序，因此，電動汽車振動和聲學特性具有更多“瞬態(tài)”特色;振動源和噪聲源分散還將對車身結構的局部阻抗特性和固體振動傳遞控制的懸置和支承提出新的要求。

沒有了發(fā)動機和排氣系統(tǒng)的噪聲，其他各個噪聲源的貢獻比重發(fā)生重要的改變，從而電動汽車車內(nèi)聲學品質和車外噪聲等級發(fā)生很大改變，整車聲學特性的變化;整車本底噪聲的降低，各個部件的工作振動和噪聲容易被乘客注意，甚至被認為是“異常振動和異響”，產(chǎn)生非常不利的影響。

電機的增多使得高頻的電磁噪聲增大，加上電動汽車線束系統(tǒng)數(shù)量多，分布區(qū)域廣，需要大量的間隙或者空洞走線，這對于隔離高頻噪聲形成較大的難度。

電動汽車的驅動電機運行轉矩波動小，但啟動速度快，轉矩響應斜率大，各種輔助系統(tǒng)的電機系統(tǒng)頻繁啟停，使得電動汽車瞬態(tài)沖擊大。主驅動電機和各種輔助系統(tǒng)的驅動電機發(fā)生的高頻的電磁噪聲，以及各種功率控制器件也會發(fā)生會更高頻率的噪聲，破壞器件的電磁兼容，傷害乘客和車外人員的身體，產(chǎn)生電磁環(huán)境污染。

3 國內(nèi)外電動汽車噪聲控制的現(xiàn)狀

電動汽車的發(fā)展時間較短，發(fā)展重點側偏，因此有關電動汽車振動和噪聲研究的公開文獻很少，說明該領域的研究基本處于空白狀態(tài)，或者處于嚴格技術保密階段。但是，汽車發(fā)動機噪聲的降低，其他噪聲來源對車輛整體噪聲的貢獻份額相對增大，因此，傳動汽車的噪聲控制的發(fā)展進入新的發(fā)展方向，車輛的NVH性能正逐漸演變?yōu)橹匾脑O計指標。另外，國內(nèi)外一些汽車公司已將噪聲控制的理念和技術納入到新車型的概念設計、技術設計以及改進設計等關鍵環(huán)節(jié)階段，以期從設計源頭上確保車輛的NVH品質。對于電動汽車來說，可以根據(jù)本身的振動與噪聲特性，參照傳統(tǒng)汽車先進的NVH性能控制技術，形成電動汽車NVH控制的思路，具體整理如下:

（1）在設計早期確定整車的聲學品質目標［3］。在產(chǎn)品研發(fā)的前期就可以確定整車的聲學品質，從而可以大大的縮短整車由于振動和噪聲而延長的開發(fā)周期，聲學目標應該既能滿足乘坐和駕駛的聲學舒適性，又要具有自己的品牌特色［4］。具體處理時，可以對競爭車型的振動和噪聲特性進行修改。處理此類問題的方法較多，其中以小波分析技術最為有效［5］，其處理的過程類似于短時傅里葉變換，可以對噪聲和振動信號進行非常詳細地分析，目前國外已有汽車公司利用此方法對沖擊噪聲特性的進行修改［4］。

（2）在整車聲學品質下確定各系統(tǒng)和元件的聲振特性目標［3］。確定整車聲學品質后，再逐步的分解與電動汽車的每個元件上，按照每個元件的聲振特性對元件個體及配合優(yōu)化。所用到得方法有仿真分析和最優(yōu)化技術等。

（3）構造上使用新材料和新結構技術。一項名為“非阻塞性粉體及顆粒阻尼結構（NOPD）”的新技術克服了傳統(tǒng)的阻尼、吸聲材料及結構普遍存在低頻性能差、空間難以布局等弱點，其適用頻帶寬，可以不占用有空間，并且成本低廉［6］;壓電材料因其體積小、質量輕、響應迅速的優(yōu)點開始在噪聲、振動的主動控制領域研究和試驗并改進，國外已有技術機構將壓電陶瓷材料用于新型汽車消聲器的研制開發(fā)，試圖將壓電材料制成傳感器和激勵器并集成于汽車相關構造當中，例如轉向柱等，從而形成機敏結構［7］;另外像阻尼涂層、泡沫材料、約束層阻尼結構、內(nèi)飾吸聲表面以及ABA隔熱墻襯墊等都可以用來改善車輛NVH性能。

4 NVH虛擬環(huán)境技術的應用

（1）傳統(tǒng)仿真技術不能滿足需求。NVH是一個系統(tǒng)性、依賴性很強的問題。其研究與解決依賴于聲學、結構振動及系統(tǒng)動力學等多個學科中的深層知識。同時，車輛行駛環(huán)境隨機性強，其內(nèi)在的有關結構、性能參數(shù)也具有一定的分散性和變異性，從而使問題變得更加復雜。因此，對于物理機理和數(shù)學模型高度復雜的車輛NVH性能，仿真分析的“置信度”［3］一直不易保證。另外，很多情況下用作仿真分析輸入條件的基礎性技術數(shù)據(jù)并不完備，這會對仿真分析的置信度產(chǎn)生致命影響。

雖然當前關于車輛NVH仿真分析研究均十分重視其置信度的檢驗與提高，最具說服力的仿真分析置信度檢驗方式是分析與測試結果的一致性對比。然而，測試結果本身也存在“置信度”的問題。特別是聲學測試，對于測試流程、條件及環(huán)境非常敏感，在很多情況下測試結果本身就具有較大的分散性，因而導致仿真分析置信度檢驗標準不標準。

（2）虛擬環(huán)境技術優(yōu)勢鮮明。虛擬環(huán)境技術的工作原理為技術人員、管理人員和用戶先在系統(tǒng)中設定相關參數(shù)及載荷、路況等環(huán)境信息，然后在虛擬現(xiàn)實場景中對油門、剎車、檔位等進行交互式操縱，獲得關于噪聲、振動信號的實時反饋與切身感受。

虛擬技術的優(yōu)點［3］:車輛NVH性能的CAE分析結果在虛擬環(huán)境技術是借助于虛擬現(xiàn)實環(huán)境，向技術、管理人員及用戶提供身臨其境般的聽覺、觸覺及視覺感受，從而能夠在車型開發(fā)的早期階段，先于物理樣車的出現(xiàn)而切身體會其NVH性能，并據(jù)以進行主觀、客觀評價和改進設計方案，大大縮短設計開發(fā)周期并降低費用。虛擬環(huán)境技術完全可以做到對測試環(huán)境的控制，從而可以在需要的時候再現(xiàn)測試環(huán)境和測試結果。虛擬環(huán)境技術能夠提供高度逼真且更為豐富的駕乘工況體驗，由此可大大提高NVH評價結論的普適性與說服力，并可成為聯(lián)系專業(yè)人員與用戶的技術橋梁?？梢噪S時切換車型參數(shù)以便針對不同車型進行性能對比，對于共用平臺的系列化車型尤為方便。

（3）國內(nèi)外NVH虛擬環(huán)境技術發(fā)展狀況。雖然虛擬環(huán)境技術的發(fā)展已經(jīng)有了一段的歷史，但是其應用于在提升汽車NVH性能方面還處在剛剛起步的階段。據(jù)報道，在國外某公司已經(jīng)應用此技術對其2010年的新車型進行設計，效果非常的好，不僅一年內(nèi)減少200小時的風洞測試時間和節(jié)省超過30萬美元的測試成本，還使得其新車型的NVH性能遠超過其競爭車型，圖1為該公司的試驗裝備圖;另外，已有公司針對虛擬環(huán)境技術研發(fā)除了一種名為NoViSim的汽車行業(yè)創(chuàng)造噪音和振動模擬器，相信不久的將來，其在汽車行業(yè)內(nèi)的使用范圍將非常廣泛，圖2為該產(chǎn)品的宣傳圖。在國內(nèi)NVH虛擬環(huán)境技術的研發(fā)和使用基本一片空白，只有同濟大學和南京航空航天大學等高校做過類似的研究和探討。

圖1 NVH虛擬環(huán)境裝置

5 結束語

圖2 NoViSim宣傳圖

目前，我國電動汽車行業(yè)處于和發(fā)達國家同一起跑線上，而電動汽車的噪聲控制又處于起步階段，尚未被發(fā)達國家技術壟斷。因此，國內(nèi)汽車行業(yè)應當充分把握這一時機，吸收和學習國外先進噪聲控制技術，通過自主創(chuàng)新，力求在某些方面形成優(yōu)勢，并且利用虛擬環(huán)境技術來縮短電動汽車設計周期，減少設計成本，從而帶動中國電動汽車的飛躍發(fā)展。

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［6］趙玲.阻塞性微顆粒阻尼柱阻尼特性的實驗研究［J］.振動與沖擊，2009（8）:1-5

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