混合動力電動汽車減振降噪技術(shù)研究

廖連瑩，李新文

（1.常州工學(xué)院機電工程學(xué)院，常州213002；2.中國人民解放軍駐東風(fēng)公司軍代室，十堰 442000）

混合動力電動汽車除了在環(huán)保和節(jié)能上有出色表現(xiàn)外，在噪聲與振動整體控制上也體現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢。然而，混合動力電動汽車相對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，增加了電池組和電機等零部件，在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，工作狀態(tài)也發(fā)生了變化，由此引起的噪聲與振動源和其特性上發(fā)生了較大改變。如噪聲和振動源的增加且呈分散特點，導(dǎo)致噪聲和振動特性分析難度加大；整車室內(nèi)外聲學(xué)環(huán)境噪聲的減小，改變了噪聲源的貢獻比，從而導(dǎo)致了車室內(nèi)外聲品質(zhì)和噪聲等級的改變；發(fā)動機和電機等設(shè)備的頻繁起停引起瞬態(tài)沖擊振動和高頻噪聲現(xiàn)象突出；大質(zhì)量電池的增加和布置導(dǎo)致整車結(jié)構(gòu)模態(tài)的改變等。因此混合動力電動汽車的噪聲和振動控制的側(cè)重點和控制方法均和內(nèi)燃機汽車有所不同。本文就混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)和工作特點發(fā)生變化，引起的噪聲和振動特性發(fā)生改變進行了分析，并針對這些特點提出減振降噪措施。

1 混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)及工作特點

1.1 結(jié)構(gòu)特點

混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)形式可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種。串聯(lián)式動力系統(tǒng)發(fā)動機不直接驅(qū)動車輪，而是作為動力源來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)出的電一部分輸送給電機來驅(qū)動車輪，另一部分則給蓄電池充電。并聯(lián)式動力系統(tǒng)采用兩套獨立的動力系統(tǒng)——電機動力系統(tǒng)和發(fā)動機動力系統(tǒng)。它可以根據(jù)不同工況，由發(fā)動機單獨驅(qū)動，電機單獨驅(qū)動或者兩套動力系統(tǒng)同時驅(qū)動車輪來獲得最佳動力?；炻?lián)式動力系統(tǒng)，又稱串并聯(lián)式動力系統(tǒng)，它綜合了串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高[1，2]。 豐田普銳斯（Prius）是典型的混聯(lián)動力系統(tǒng)，見圖1。

從圖1中可以看出混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)汽車已發(fā)生了較大的變化[3，4]。具體表現(xiàn)為：

（1）動力源的增加。除了發(fā)動機提供的機械動力，還增加了大質(zhì)量HV電池和變頻器總成提供的電能動力。

（2）驅(qū)動橋發(fā)生了重大改變。混合動力電動汽車驅(qū)動橋由傳統(tǒng)汽車的單一的變速器，變成了由發(fā)電機（MG1）、驅(qū)動電機（MG2）和電機減速行星組件（動力耦合裝置）組成的驅(qū)動橋總成。

（3）結(jié)構(gòu)布置發(fā)生改變。發(fā)動機、混合驅(qū)動橋總成和變頻器布置在汽車前端，原發(fā)動機艙位置。大質(zhì)量HV電池布置在汽車后部的行李艙內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)的改變也導(dǎo)致車上質(zhì)量分布的改變。

1.2 工作特性

以混聯(lián)式動力系統(tǒng)為例，混合動力電動汽車可以通過動力耦合裝置，根據(jù)不同工況車輛對動力的需求，來合理控制發(fā)動機與電機之間動力輸出。與并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)相比，混聯(lián)式動力系統(tǒng)可以更加靈活地根據(jù)工況來調(diào)節(jié)發(fā)動機的功率輸出和電機的運轉(zhuǎn)，其工作特性可概括為以下幾點。

（1）車輛起動及低負(fù)荷時，發(fā)動機不工作，HV電池給電機提供電能，由電機單獨驅(qū)動車輪運轉(zhuǎn)。

（2）正常行駛工況時，發(fā)動機開始工作，發(fā)動機通過動力耦合裝置，將一部分動力分配給發(fā)電機為驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)提供電能，另一部分動力則直接用來驅(qū)動車輪運轉(zhuǎn)。

（3）加速或大負(fù)荷時，發(fā)動機工作，發(fā)電機和HV電池同時輸出電能，驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)，并通過動力耦合裝置與發(fā)動機共同驅(qū)動車輪運轉(zhuǎn)。

（4）減速或制動時，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)換成發(fā)電機，把減速或制動時的動能轉(zhuǎn)換成電能，并給HV電池充電。

（5）當(dāng)HV電池儲存電量低于某一設(shè)定值時，發(fā)動機運轉(zhuǎn)，驅(qū)動發(fā)電機給HV電池充電。

（6）當(dāng)車輛停止時，發(fā)動機及電機均不工作。

2 動力源增加引起振動、噪聲分析及控制

2.1 動力源振動與噪聲源分析

（1）發(fā)動機

在混合動力電動汽車中，雖然發(fā)動機噪聲與振動源得到了一定的改善，但它仍然是噪聲與振動的主要來源?；旌蟿恿﹄妱悠嚨陌l(fā)動機的噪聲與傳統(tǒng)汽車發(fā)動機基本一樣，主要包括燃燒噪聲、機械噪聲和排氣噪聲等[5]。

（2）HV 電池冷卻系統(tǒng)

混合動力電動汽車配備大容量HV電池，HV電池在工作時產(chǎn)生大量熱量，因此需要一個冷卻系統(tǒng)對其進行必要的冷卻。冷卻系統(tǒng)一般由進氣管、冷卻風(fēng)扇、排氣管和氣道組成，如圖2所示。冷卻系統(tǒng)在冷卻過程中，氣流流動將產(chǎn)生氣流噪聲，而電池冷卻風(fēng)扇工作也將產(chǎn)生一定的噪聲。相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，HV電池成為混合動力電動汽車新的噪聲源。

另外混合動力汽車增加HV電池，其質(zhì)量都很大，輕的幾十公斤，重的達幾百公斤。這些電池通常采用剛性連接或者較硬的彈性連接與車身相連，若整車車身剛度和連接剛度不夠高，容易出現(xiàn)接觸面摩擦異響噪聲問題。另外這些質(zhì)量較大的電池集中布置和支撐會影響到車輛的結(jié)構(gòu)模態(tài)。

（3）變頻器總成

變頻器結(jié)構(gòu)主要由電感和斬波電路組成，當(dāng)它工作時，斬波電路的高頻切換將在電感里產(chǎn)生交流磁場，同時伴隨著磁致伸縮、線圈振動和磁芯收縮膨脹等現(xiàn)象的產(chǎn)生。從變頻器總成產(chǎn)生的振動和噪聲也成為混合動力電動汽車新的振動和噪聲源，且噪聲的大小隨電流的增大而增加，比如在車輛加速和再生制動過程中噪聲較大[6]。

2.2 動力源振動與噪聲控制技術(shù)

（1）發(fā)動機

就發(fā)動機本身的振動和噪聲的控制，主要包括：降低燃燒噪聲；降低活塞、正時齒輪、配氣機構(gòu)等運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械噪聲；降低風(fēng)扇噪聲；降低排氣噪聲等。

（2）HV電池冷卻系統(tǒng)

對于HV電池冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲和振動，首先選用高品質(zhì)風(fēng)扇，減少風(fēng)扇本身產(chǎn)生的振動和發(fā)出的噪聲；其次冷卻系統(tǒng)的進排氣口及通風(fēng)管路進行空氣動力學(xué)研究，運用仿真計算和試驗研究，改善冷卻系結(jié)構(gòu)設(shè)計，達到降低振動和噪聲的目的。

為了降低由于布置和支撐對整車結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響，可以采取以下措施：一是采用鋰電池等比容量大的電池，盡量減少電池的重量；二是運用仿真軟件對電池在整車上的布置形式進行仿真研究，找出合理的布置，盡可能把電池布置在靠近整車模態(tài)振型的節(jié)點處，提高整車模態(tài)頻率[7－9]。

（3）變頻器總成

通過降低變頻器磁致伸縮、線圈振動以及磁芯的膨脹收縮產(chǎn)生的噪聲，降低從變頻器產(chǎn)生的空氣傳播的噪聲和結(jié)構(gòu)傳播的噪聲，來降低變頻器總成在汽車內(nèi)部的噪聲。具體措施為：①提高磁芯材料性能，如適當(dāng)增加電磁線圈磁芯的硅含量，能有效減小磁致伸縮量[10]，如圖3所示；②改進升壓電路系統(tǒng)殼體和支架的振動特性的措施，有助于降低結(jié)構(gòu)傳播的噪聲。

3 驅(qū)動橋改變導(dǎo)致的振動、噪聲分析及控制

3.1 驅(qū)動橋振動、噪聲分析

（1）發(fā)電機和電機

發(fā)電機（MG1）和電機（MG2）在混合動力電動汽車中，除停駛工況外，其他工況均單獨或共同參與工作，工作時將產(chǎn)生振動和發(fā)出噪聲。但是當(dāng)發(fā)動機停止工作時，因少了發(fā)動機發(fā)出的噪聲，導(dǎo)致本底噪聲較低，因此發(fā)電機和電機產(chǎn)生的噪聲和振動就尤為突出。

發(fā)電機和電機的噪聲主要包括電磁噪聲、空氣動力性噪聲和機械噪聲。電磁噪聲是發(fā)電機和電機最主要的噪聲，它的頻帶通常分布在 400～2 000 Hz之間。在這個頻帶范圍內(nèi)，人耳具有很高的靈敏度，可能引起強烈的噪聲感覺，嚴(yán)重時表現(xiàn)為刺耳的嘯叫聲。機械噪聲是軸承、轉(zhuǎn)子和電刷等部件運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪聲，隨著轉(zhuǎn)速的增加，機械噪聲越明顯?？諝鈩恿π栽肼暿强諝夂碗姍C之間的相互作用而產(chǎn)生的噪聲。

（2）動力耦合裝置

動力耦合裝置是并聯(lián)式和混聯(lián)式混合動力電動汽車重要的部件，它主要作用是耦合發(fā)動機和電機動力來共同驅(qū)動車輛。典型的動力耦合裝置采用行星齒輪結(jié)構(gòu)，太陽輪與發(fā)電機（MG1）相連，行星齒輪架與發(fā)動機相連，而齒圈則與電機（MG2）和傳動系相連，如圖4所示。

動力耦合裝置在工作中不可避免的會產(chǎn)生振動和噪聲，一是行星齒輪機構(gòu)運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的機械振動和機械噪聲，二是幾種動力耦合不平順?biāo)a(chǎn)生的振動沖擊和噪聲，三是發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩波動引發(fā)的動力耦合裝置的振動和噪聲。

3.2 驅(qū)動橋振動、噪聲控制技術(shù)

（1）發(fā)電機和電機減振降噪措施

減少電機產(chǎn)生噪聲的措施包括：一是通過合理設(shè)計爪極，選擇適當(dāng)氣隙磁密以及合適槽配合等措施減少電磁噪聲；二是通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子、定子形狀和優(yōu)化永磁體形狀和布置形式來減少電機的扭矩波動；三是通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子、定子、驅(qū)動橋殼體的共振頻率，提高驅(qū)動橋殼體剛度等措施改進電機振動特性。

（2）動力耦合裝置減振降噪措施

一方面是改進動力耦合裝置的機械結(jié)構(gòu)，減少運動過程中產(chǎn)生的振動和噪聲。另一方面更重要的是對幾個動力源的耦合進行合理控制，減少耦合過程由于不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的振動和噪聲。以圖4所示的行星齒輪機構(gòu)形式的動力耦合裝置為例，可以采用控制電機的手段減少振動和噪聲，特別是在減小起動階段的振動和噪聲效果較為明顯。根據(jù)圖4所示的動力耦合裝置的結(jié)構(gòu)布置，可以分析出MG1、發(fā)動機和MG2的轉(zhuǎn)速關(guān)系，如圖5所示。

為了減少動力耦合過程中產(chǎn)生的振動和噪聲，對MG1采用前饋控制，根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角來預(yù)測曲軸扭矩波動。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，對MG1進行扭矩補償以改變MG1的轉(zhuǎn)速，使得MG2連同動力輸出軸的轉(zhuǎn)速波動最小，從而達到減小動力耦合裝置振動和噪聲的目的。

4 工作模式改變導(dǎo)致的振動、噪聲分析及控制

4.1 振動與噪聲分析

（1）頻繁起停引起的汽車振動與噪聲

發(fā)動機起動階段的噪聲與振動信號表現(xiàn)出明顯的非穩(wěn)態(tài)特征，且幅值比怠速時大[11]，如圖6所示。從混合動力電動汽車的工作原理可以看出，發(fā)動機在各種工況運行中，需頻繁地在起動和停機中切換，從而不停的產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊和高頻噪聲，給混合動力電動汽車的噪聲和振動控制帶來不利影響。

（2）發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)時導(dǎo)致車身振動和產(chǎn)生嗡嗡聲

混合動力電動汽車為了獲得較高的熱效率，發(fā)動機必須在高扭矩區(qū)域內(nèi)工作。當(dāng)發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)時，發(fā)動機的燃燒將引起最初扭矩的波動。加之發(fā)動機與傳動系之間沒有離合器而直接相連接，使得發(fā)動機的扭矩波動激發(fā)了傳動系的扭轉(zhuǎn)共振，因此發(fā)動機將引起車身振動和嗡嗡噪聲。

（3）加速時發(fā)動機產(chǎn)生的噪聲

在混合動力電動汽車中，MG1和MG2往往通過行星齒輪機構(gòu)相連，并且通過控制兩個電機的動力和轉(zhuǎn)速輸出，可以實現(xiàn)汽車平穩(wěn)加速而使發(fā)動機保持在最小燃油消耗工況。而且由于MG2的助力，使得混合動力電動汽車的加速性能優(yōu)于同排量發(fā)動機的內(nèi)燃機汽車。然而，以燃油經(jīng)濟性為優(yōu)先控制的混合動力電動汽車，在同樣加速工況下，其發(fā)動機轉(zhuǎn)速要高于傳統(tǒng)的自動變速器的汽車上發(fā)動機轉(zhuǎn)速。這一特點導(dǎo)致了混合動力電動汽車在加速時，噪聲要比傳統(tǒng)的自動變速器的汽車噪聲大［10］，如圖7所示。

4.2 振動與噪聲控制技術(shù)

（1）發(fā)動機起停振動及噪聲控制技術(shù)

發(fā)動機起停振動及噪聲控制是混合動力電動汽車振動和噪聲控制最關(guān)鍵的技術(shù)，可采取的措施較多，主要包括：

①采用電子控制技術(shù)，推遲點火提前角，延遲進氣門關(guān)閉時間，控制燃油噴射量等措施來改善發(fā)動機的燃燒，從而降低振動和噪聲[12]。

②由電機拖動發(fā)動機起動時，產(chǎn)生的振動大小與活塞初始位置有緊密聯(lián)系，當(dāng)活塞初始位置在進氣門關(guān)閉后且接近上止點時，起動振動較小。因此只要在發(fā)動機熄火時，通過控制發(fā)電機旋轉(zhuǎn)角度，把活塞停止位置控制在預(yù)定位置，將能達到較好的噪聲和振動控制效果。

③提高充當(dāng)起動機的發(fā)電機起動扭矩，來減少由動力裝置扭轉(zhuǎn)共振和發(fā)動機支架共振所引發(fā)的車輛地板振動。

④通過縮短動力重心與轉(zhuǎn)動彈性軸之間的距離，增加扭振減振阻尼器等方法，來改進發(fā)動機的懸置問題。

⑤合理控制混合動力之間的切換[13]。

（2）發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)時導(dǎo)致車身振動和產(chǎn)生嗡嗡聲

一是提高發(fā)動機性能，避免發(fā)動機扭矩的波動。二是在發(fā)動機與變速驅(qū)動橋之間安裝一個扭振減振器，減少由于發(fā)動機振動對傳動系共振的影響，從而也降低傳動系的共振對車身振動的影響。三是優(yōu)化發(fā)動機的懸置系統(tǒng)，并設(shè)計先進的傳動系減振器，來降低車身振動和減少嗡嗡聲的產(chǎn)生。

（3）發(fā)動機加速時產(chǎn)生的噪聲

為降低發(fā)動機加速時產(chǎn)生的噪聲所采取的措施有：一是合理控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升速率；二是通過降低儀表板的振動，優(yōu)化擋風(fēng)玻璃的振動特性和優(yōu)化車頂加固等來減少車身的聲壓靈敏度；三是降低發(fā)動機支架和進排氣系統(tǒng)的振動及噪聲。

5 結(jié)論

根據(jù)目前混合動力電動汽車領(lǐng)域的研究開發(fā)現(xiàn)狀，從混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)特點和工作特性出發(fā)，總結(jié)了混合動力電動汽車常見的振動和噪聲問題，但也并不全面，之后對相應(yīng)問題提出了解決思路。

混合動力電動汽車技術(shù)本身就是一項較新的技術(shù)，人們對其燃油經(jīng)濟性和排放性能研究較多，但對其振動和噪聲控制并未受到很大關(guān)注。但振動和噪聲問題在混合動力電動汽車上也是個不容忽視的問題，因此在這方面的研究空間還很大。特別是發(fā)動機起停時瞬態(tài)振動分析和控制技術(shù)，動力耦合動態(tài)過程分析和控制技術(shù)，動態(tài)模式切換過程中的振動和噪聲控制技術(shù)將是未來混合動力電動汽車振動和噪聲控制的關(guān)鍵技術(shù)。

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