新能源汽車結(jié)構(gòu)特征及NVH性能分析

喻柄睿

（重慶交通大學(xué)）

NVH是評(píng)價(jià)汽車乘坐體驗(yàn)的3個(gè)重要指標(biāo)。改善汽車的振動(dòng)和噪聲情況很有必要，對(duì)于汽車的振動(dòng)和噪聲有國家要求的標(biāo)準(zhǔn)，比如GB 1495—2002，對(duì)于不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的汽車不能投放到市場。國內(nèi)汽車企業(yè)目前已經(jīng)充分重視汽車的NVH，逐年增加投入、招聘一流人才等；政府也把NVH作為自主汽車的一個(gè)重要的技術(shù)領(lǐng)域，如采取組建企業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等措施[1]，由此可見，NVH在汽車領(lǐng)域是一項(xiàng)十分重要的分支路線。因此近年來新能源汽車的興起，尤其是純電動(dòng)汽車的普及，電動(dòng)汽車的NVH性能相對(duì)于傳動(dòng)的燃油汽車要更好，駕駛?cè)藛T以及乘客的體驗(yàn)也在日益提升。然而新能源汽車的NVH存在諸多問題，面臨著挑戰(zhàn)。

1 混合動(dòng)力車的結(jié)構(gòu)特征及對(duì)NVH的挑戰(zhàn)

1.1 混合動(dòng)力車的結(jié)構(gòu)特征

混合動(dòng)力汽車是從燃油車到新能源車過渡階段的車型，車內(nèi)有2種動(dòng)力組成。續(xù)航能力增加的同時(shí)，車身自重也隨時(shí)增加?；旌蟿?dòng)力車與傳統(tǒng)的燃油汽車相比，在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、電機(jī)數(shù)量及能量回收系統(tǒng)動(dòng)力切換系統(tǒng)方面，都有較大的改變。發(fā)動(dòng)機(jī)在體積上變化，逐漸小型化，三缸機(jī)在混合動(dòng)力車上也是較為常見的，而且發(fā)動(dòng)機(jī)的排量一般在1 L以下，這樣就會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)的壓力增高[2]。在混合動(dòng)力車上雙離合自動(dòng)變速器（DCT）的廣泛使用，因此變速器的設(shè)計(jì)也更加復(fù)雜，電機(jī)數(shù)量較多且較為復(fù)雜，能量回收系統(tǒng)與能量切換系統(tǒng)也有較大的改變。圖1示出混合動(dòng)力汽車內(nèi)部所能發(fā)生振動(dòng)的零件組成。

圖1 混動(dòng)車振動(dòng)部位圖

1.2 混合動(dòng)力汽車對(duì)NVH的挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施

首先是發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的NVH挑戰(zhàn)，由于存在三缸機(jī)，會(huì)導(dǎo)致汽車振動(dòng)激勵(lì)增加，激勵(lì)頻率會(huì)因此降低；缸內(nèi)壓力增加，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒噪聲增加。由于雙離合自動(dòng)變速器的廣泛使用，空套齒輪數(shù)增多，導(dǎo)致敲擊控制難，變速箱敲擊靈敏度變高；驅(qū)動(dòng)電機(jī)的由于數(shù)量變多，造成高頻成分增加，嘯叫難以控制；混合動(dòng)力汽車在正常路況中除了一些不可避免的振動(dòng)和噪聲以外，在動(dòng)力切換上也存在一定程度的沖擊和噪聲。如圖2所示，慣性力隨著激勵(lì)頻率的改變而發(fā)生變化，可通過適當(dāng)改變激勵(lì)頻率來緩解車身的振動(dòng)問題，進(jìn)而可提升汽車得到駕乘體驗(yàn)感。

圖2 慣性力與激勵(lì)頻率比的關(guān)系

在無負(fù)載充電時(shí)，車內(nèi)振動(dòng)水平較好；車輛在怠速工況時(shí)，車內(nèi)振動(dòng)偏大；隨著電量降低，發(fā)動(dòng)機(jī)請(qǐng)求扭矩增大，負(fù)載增大，車內(nèi)振動(dòng)增大，可通過降低扭動(dòng)波動(dòng)、降低扭矩等措施解決此問題?；旌蟿?dòng)力汽車在能量切換時(shí)汽車會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，可同時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速、電池電流和電壓值，或調(diào)節(jié)整車控制器（VCU）、電子控制單元（ECU）、電機(jī)控制器（MCU）參數(shù)來調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的波動(dòng)[3]。

2 電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)特征

隨著近幾年電動(dòng)汽車的普及，內(nèi)燃機(jī)將逐漸被取代，傳動(dòng)系統(tǒng)也將會(huì)發(fā)生革命性的變化。如今的電動(dòng)汽車的噪聲已經(jīng)是和內(nèi)燃機(jī)汽車2個(gè)級(jí)別，這樣的時(shí)代對(duì)于NVH行業(yè)還有更多的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

2.1 電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)特征

電動(dòng)汽車中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，變速器采用了單級(jí)減速器；整個(gè)車身上也多了1個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)；電控系統(tǒng)與電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)于其他能源的汽車更加復(fù)雜，主要表現(xiàn)在整車的功能（包括汽車的動(dòng)力系統(tǒng)、照明系統(tǒng)）全都需要電池來供電。純電動(dòng)汽車的能量主要是通過柔性的電線而不是通過剛性聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)動(dòng)軸傳遞的。因此，純電動(dòng)汽車各部件的布置具有很大的靈活性。

其次，純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置不同，如獨(dú)立的四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和輪轂電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，會(huì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)區(qū)別很大；采用不同類型的電動(dòng)機(jī)，如直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，會(huì)影響到純電動(dòng)汽車的質(zhì)量、尺寸和形狀；不同類型的儲(chǔ)能裝置，如蓄電池，也會(huì)影響純電動(dòng)汽車的質(zhì)量、尺寸及形狀。由于純電動(dòng)汽車動(dòng)能的傳遞主要是通過柔性的電纜，即減少了大量用剛性的機(jī)械件連接部件的動(dòng)能傳遞，因此純電動(dòng)汽車各部件的布置具有較大的靈活性，并且蓄電池組也可分散布置，作為配重物來布局。

2.2 電動(dòng)汽車對(duì)NVH的挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要噪聲是風(fēng)噪、路噪，汽車在行駛過程中，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)有嘯叫；對(duì)于電動(dòng)汽車，主要的振動(dòng)源就是電動(dòng)壓縮機(jī)所產(chǎn)生的振動(dòng)；在電控系統(tǒng)和電池系統(tǒng)方面，高頻噪聲尤為突出；純電動(dòng)汽車在環(huán)保方面要優(yōu)于其他能源汽車，但是由于熱管理系統(tǒng)的存在，新的NVH問題也隨之出現(xiàn)。通過改進(jìn)電動(dòng)壓縮機(jī)的性能來減小振動(dòng)。盡管電機(jī)噪聲比內(nèi)燃機(jī)噪聲易于控制，但仍需花費(fèi)大量精力開發(fā)電機(jī)機(jī)械隔離與隔聲策略。輪胎對(duì)地面的壓力增大，汽車其余結(jié)構(gòu)的質(zhì)量減輕，導(dǎo)致路面與輪胎噪聲難以降低。通過改善輪胎技術(shù)、對(duì)懸置系統(tǒng)實(shí)施機(jī)械隔離與使用創(chuàng)新型噪聲控制材料制造汽車內(nèi)飾和外飾解決這一問題。當(dāng)然，與此同時(shí)必須避免增大汽車的質(zhì)量和成本。沒有內(nèi)燃機(jī)為空調(diào)與供暖系統(tǒng)、車窗及其它機(jī)械系統(tǒng)提供動(dòng)力，為使這些功能正常運(yùn)行，全套電動(dòng)輔助裝置就變得非常有必要。每一個(gè)輔助裝置均會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲，這些振動(dòng)與噪聲單獨(dú)存在時(shí)相對(duì)較小，但一旦同時(shí)發(fā)聲就不容忽視。

3 新能源汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征及對(duì)NVH的挑戰(zhàn)

新能源汽車與傳統(tǒng)汽車相比，在結(jié)構(gòu)上增加了諸多新的部件，相較于傳統(tǒng)汽車，其動(dòng)力系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、氣候控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)都有了很大的不同。同時(shí)由于背景噪聲的變化而凸顯的路噪、風(fēng)噪及異響等問題也較傳統(tǒng)汽車存在差異性。將從以下幾個(gè)方面對(duì)新能源汽車的NVH進(jìn)行分析。

3.1 車身系統(tǒng)及其NVH性能

隨著能源危機(jī)和傳統(tǒng)燃料汽車所造成的污染問題日益加重，新能源汽車取代傳統(tǒng)燃料汽車成為汽車行業(yè)未來發(fā)展的趨勢(shì)，與此同時(shí)，新能源汽車的NVH性能開發(fā)也面臨著新的挑戰(zhàn)。在車身結(jié)構(gòu)上，新能源汽車的機(jī)艙、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、電池包等的安裝布置與傳統(tǒng)車不同；在質(zhì)量方面，新能源車由于多組電池線路增加等原因，整車的質(zhì)量也隨之增加。在車身使用材料上，為了給車身減重，使用鋁合金、碳纖維等材料也會(huì)給NVH帶來一定的挑戰(zhàn)。在聲學(xué)包裝上，電動(dòng)車機(jī)艙聲源降低，聲學(xué)平衡需要重新設(shè)計(jì)；電池布置在地板上，地板抬高，地毯等聲學(xué)包裝的空間被壓縮。隨著汽車設(shè)計(jì)制造水平的進(jìn)一步提升,技術(shù)人員對(duì)于車身系統(tǒng)NVH有了更為深刻的研究，并且在發(fā)展的過程中,車身結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試分析逐漸成為了新能源汽車車身NVH特性研究的重要內(nèi)容。通過這一方式的研究,有利于新能源汽車NVH水平的進(jìn)一步提升。

3.2 底盤系統(tǒng)及其NVH性能

電動(dòng)車車身的質(zhì)量增加，底盤的剛度在設(shè)計(jì)中必須要增大，襯套剛度增加對(duì)NVH影響非常大，會(huì)帶來轟鳴聲；此外，輪邊電機(jī)和輪轂電機(jī)的嘯叫，輪轂電機(jī)或輪邊電機(jī)與底盤結(jié)構(gòu)可能引起結(jié)構(gòu)聲與空氣聲的耦合；制動(dòng)能量回收系統(tǒng)與電動(dòng)真空泵也會(huì)引起一定的高頻嘯叫與高頻噪聲。因此在底盤設(shè)計(jì)的過程中，在考慮其承受力的前提下，應(yīng)當(dāng)考慮NVH?？紤]到電機(jī)替代了傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，不再關(guān)注低頻的動(dòng)力系統(tǒng)情況，整個(gè)底盤密封性會(huì)從新的角度去考慮。用新的分析模型進(jìn)行仿真分析，從而得到例如垂直或水平的質(zhì)量分布等等，通過這些數(shù)據(jù)可以分析仿真得到底盤的振動(dòng)結(jié)果，并判斷在此情況下噪聲的可接受范圍，進(jìn)而提升汽車NVH的性能。

3.3 電機(jī)系統(tǒng)及其NVH性能

電機(jī)系統(tǒng)噪聲主要包含3個(gè)部分：電磁噪聲、機(jī)械噪聲及冷卻噪聲。其中電磁系統(tǒng)又包括電機(jī)本體噪聲、控制系統(tǒng)噪聲，其中產(chǎn)生電機(jī)本體噪聲的主要有徑向及切向電磁力、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、靜及動(dòng)偏心以及齒槽噪聲；控制系統(tǒng)的噪聲包含2個(gè)部分：脈寬調(diào)制噪聲和諧波失真。軸承噪聲、動(dòng)不平衡噪聲和結(jié)構(gòu)共振噪聲是機(jī)械噪聲的主要來源[4]。新能源汽車中的液冷系統(tǒng)也會(huì)存在一定的噪聲，電機(jī)振動(dòng)噪聲仿真在獲得電磁力(密度)以及驗(yàn)證后的電機(jī)結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,就可以利用聲學(xué)分析工具進(jìn)行結(jié)構(gòu)聲振耦合分析，預(yù)測(cè)電機(jī)的輻射噪聲。同時(shí),在仿真中可以通過模態(tài)貢獻(xiàn)量分析，板塊貢獻(xiàn)量分析，有效輻射聲功率等分析手段對(duì)電機(jī)噪聲的機(jī)理進(jìn)行深入的解剖。進(jìn)一步，電機(jī)噪聲仿真模型可以結(jié)合優(yōu)化分析的流程，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化的修改，預(yù)測(cè)其對(duì)輻射噪聲的影響。

3.4 電控系統(tǒng)及其NVH性能

新能源汽車的電控系統(tǒng)層次、能量、介質(zhì)分匯流較為復(fù)雜，工況多、控制變量較多協(xié)同控制難度較大，尤其在驅(qū)動(dòng)模式切換上更為繁瑣，控制系統(tǒng)復(fù)雜，性能平衡控制難度大，即動(dòng)力性、可靠性及舒適性兼?zhèn)涞目刂芠5]。驅(qū)動(dòng)模式切換等低速大扭矩及動(dòng)力分匯流工況下的NVH表現(xiàn)為較差，在能量切換方面，轉(zhuǎn)矩協(xié)同、卸載扭矩等工況會(huì)帶來振動(dòng)和沖擊問題，熱管理及冷卻系統(tǒng)帶來的噪聲問題，制動(dòng)能量回收引起電機(jī)嘯叫,NVH與動(dòng)力性和可靠性的矛盾。

3.5 熱管理系統(tǒng)

熱管理系統(tǒng)，就是整車的溫度控制系統(tǒng)，是汽車不可缺少的一部分，對(duì)整車內(nèi)部溫度及部件工作環(huán)境溫度，以保證某些零件正常、高效工作，還未駕乘人員提供了舒適的駕乘環(huán)境。熱管理系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分，如圖3所示。

圖3 熱管理系統(tǒng)的組成

由于新能源汽車的熱管理系統(tǒng)較為復(fù)雜，如復(fù)雜的全程控制邏輯、多套循環(huán)冷卻系統(tǒng)、高速電動(dòng)渦旋壓縮控制及不同工作模式的復(fù)雜切換等，在諸多方面都存在一定的噪聲?；陔姍C(jī)電控的工作工況得到熱損耗，并以熱損耗為輸入對(duì)電機(jī)電控開展詳細(xì)的熱分析，評(píng)估電機(jī)電控的散熱方案，并對(duì)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)散熱性能和泵消耗相匹配，以此來提升新能源汽車的NVH性能。

4 結(jié)論

文章通過對(duì)新能源汽車的結(jié)構(gòu)特征分析，結(jié)合各自特點(diǎn)，分析了不同的新能源汽車的噪聲、振動(dòng)來源，客觀地對(duì)車輛的NVH進(jìn)行了評(píng)價(jià)。中國新能源汽車NVH領(lǐng)域存在一定的問題。雖然具備基本的試驗(yàn)條件，但是在數(shù)量上和高水平領(lǐng)域上都有待提高；開展了不少NVH領(lǐng)域與實(shí)踐，但是專家隊(duì)伍不足，實(shí)踐的廣度和深度還有待提升。進(jìn)一步完善NVH數(shù)據(jù)庫，建立完善和規(guī)范NVH流程，加大執(zhí)行力。此外，還要在硬件和軟件支撐上進(jìn)行加強(qiáng)，繼續(xù)開展部分NVH方法及基礎(chǔ)的前沿探索。