基于定置工況下的純電動汽車子系統(tǒng)噪聲振動控制方法

段德虎

（大運汽車股份有限公司，山西 運城 044000）

純電動汽車子系統(tǒng)噪聲和振動是指空調(diào)系統(tǒng)開啟后，電子風(fēng)扇、壓縮機、鼓風(fēng)機子系統(tǒng)聯(lián)動工作表現(xiàn)出的車內(nèi)噪聲振動。對燃油車而言，發(fā)動機引起的車內(nèi)響應(yīng)不僅可以遮蔽掉子系統(tǒng)的噪聲和振動，并且駕乘人員對發(fā)動機的噪聲和振動接受程度較高。與之相比，純電動汽車缺少遮蔽激勵源，且子系統(tǒng)在恒定轉(zhuǎn)速工作時表現(xiàn)出窄頻能量較為集中的特性，容易被駕乘人員感知且駕乘人員接受度較低，因此，子系統(tǒng)噪聲在純電動汽車的噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration,Harshness, NVH）中越來越突出。

秦望等[1]和譚雨點等[2]分別通過增加壓縮機支架襯套和提高被動端支架剛度來改善襯套的力傳遞特性；張靜等[3]通過改善電機和外殼體隔振降低鼓風(fēng)機的電磁噪聲；劉鐵軍等[4]發(fā)現(xiàn)電子風(fēng)扇動不平衡量是影響方向盤振動的主要因素，其次是電子風(fēng)扇安裝襯套的硬度和安裝襯套的安裝方式；金明等[5]經(jīng)過試驗研究表明，電動壓縮機不但需要避開其他激勵源的轉(zhuǎn)頻，同時也需要避開本體的剛體模態(tài)。目前行業(yè)對純電動子系統(tǒng)聯(lián)動工作時的車內(nèi)振動噪聲問題研究較少，缺少系統(tǒng)性的解決調(diào)教方案。本文以某款純電動車的子系統(tǒng)噪聲開發(fā)調(diào)教為例，從子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制策略方面，介紹純電動汽車子系統(tǒng)噪聲和振動的控制方法。

1 建立客觀避頻矩陣

1.1 鼓風(fēng)機子系統(tǒng)噪聲水平控制

本文闡述的控制方法關(guān)鍵點其一是以鼓風(fēng)機充當(dāng)遮蔽聲源，遮蔽壓縮機子系統(tǒng)工作時的噪聲。因此，首先要鎖定鼓風(fēng)機各擋位下滿足主機廠噪聲目標(biāo)的工作轉(zhuǎn)速，然后在此基礎(chǔ)上確定壓縮機子系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速的區(qū)間。鼓風(fēng)機子系統(tǒng)擋位轉(zhuǎn)速確定方法有以下幾種。

1.1.1 鼓風(fēng)機子系統(tǒng)噪聲目標(biāo)制定

以主機廠某款純電動汽車開發(fā)為例，本車型性能大綱制定鼓風(fēng)機子系統(tǒng)最低擋噪聲目標(biāo)為39 dB(A)，最高擋噪聲目標(biāo)為64 dB(A)。本車型鼓風(fēng)機共有8 個擋位，參考數(shù)據(jù)庫中各車型鼓風(fēng)機擋位噪聲實測值的排列情況，測試工況為吹面、內(nèi)循環(huán)；測點為駕駛員右耳；噪聲單位為dB(A)，采取線性插值的方式補全中間擋位的噪聲目標(biāo)，插值微調(diào)后的鼓風(fēng)機各擋位目標(biāo)如表1 所示。由表1 可知，哈佛、MG 和本車型鼓風(fēng)機噪聲與BMW相比均有一定差距，本車型最低擋噪聲和哈弗、MG 基本一致，中間擋和高擋位均優(yōu)于這兩款車?？紤]到供應(yīng)商水平、車型定位和性能大綱最終采用表1 中各擋位目標(biāo)值作為本車型鼓風(fēng)機噪聲目標(biāo)，其他主機廠開發(fā)時，可以制定符合其性能指標(biāo)的目標(biāo)值。

表1 鼓風(fēng)機子系統(tǒng)噪聲目標(biāo)設(shè)定 單位：dB(A)

1.1.2 鼓風(fēng)機子系統(tǒng)噪聲測試及目標(biāo)轉(zhuǎn)速標(biāo)定

標(biāo)定基本原理為鼓風(fēng)機子系統(tǒng)噪聲隨電機轉(zhuǎn)速升高而變大，電機轉(zhuǎn)速與外接電源的電壓值呈線性關(guān)系。因此，可以通過改變外接電源的電壓值從而改變電機轉(zhuǎn)速，同時帶來鼓風(fēng)機子系統(tǒng)噪聲的改善。通過振動噪聲測試軟件（Simcenter Testlab）的在線測試功能可以監(jiān)測鼓風(fēng)機子系統(tǒng)電機端振動傳感器的電機轉(zhuǎn)速（1 階動不平衡量換算得出）和車內(nèi)麥克風(fēng)的噪聲水平，當(dāng)鼓風(fēng)機子系統(tǒng)噪聲值達(dá)到設(shè)定的擋位噪聲目標(biāo)時，記錄此時的鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速。標(biāo)定原理如圖1 所示。

圖1 標(biāo)定原理圖

某款純電動汽車鼓風(fēng)機子系統(tǒng)各擋位目標(biāo)噪聲所對應(yīng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速結(jié)果如表2 所示，其測試工況為吹面、內(nèi)循環(huán)；測點為駕駛員右耳、鼓風(fēng)機端蓋。至此初步鎖定鼓風(fēng)機子系統(tǒng)各擋位的工作轉(zhuǎn)速和所需要的工作電壓。后續(xù)利用聲音的掩蔽效應(yīng)，鼓風(fēng)機子系統(tǒng)工作噪聲遮蔽空調(diào)壓縮機的工作噪聲，從而確定鼓風(fēng)機子系統(tǒng)各擋位下空調(diào)壓縮機工作轉(zhuǎn)速的上限值。

表2 鼓風(fēng)機子系統(tǒng)噪聲標(biāo)定結(jié)果

1.2 壓縮機、電子風(fēng)扇子系統(tǒng)噪聲振動測試

本文闡述的控制方法關(guān)鍵點其二是通過客觀掃頻測試、方向盤和壓縮機系統(tǒng)模態(tài)測試方式，確定客觀上不達(dá)標(biāo)、需要避開子系統(tǒng)模態(tài)頻率的轉(zhuǎn)速區(qū)間。結(jié)合1.1 小節(jié)中鎖定的鼓風(fēng)機擋位轉(zhuǎn)速，輸出客觀避頻矩陣，詳細(xì)方法如下：

1.2.1 方向盤和壓縮機本體頻響測試

對方向盤和壓縮機本體進行頻響測試，得到方向盤X、Y向模態(tài)為27 Hz，Z向模態(tài)為33 Hz，如圖 2 所示。對應(yīng)子系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速分別為1 620 r/min、1 980 r/min，得到壓縮機本體X向模態(tài)為37 Hz，Z向模態(tài)為54.69 Hz，如圖3 所示，對應(yīng)子系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速分別為2 220 r/min、3 280 r/min，后續(xù)對子系統(tǒng)掃頻測試需要重點關(guān)注這些轉(zhuǎn)速。如果有共振問題導(dǎo)致車內(nèi)響應(yīng)變大，需要進行避頻處理或采用文獻[1-4]方案進行優(yōu)化。

圖2 方向盤頻響函數(shù)

圖3 壓縮機本體頻響函數(shù)

1.2.2 電子風(fēng)扇掃頻測試

采用行業(yè)常規(guī)的噪聲測試方式，在駕駛員右耳布置麥克，在座椅導(dǎo)軌、方向盤12 點、電子風(fēng)扇本體上布置振動傳感器，通過外接穩(wěn)壓電源的方式控制電子風(fēng)扇端電壓，從而控制電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化。電子風(fēng)扇布置的振動傳感器監(jiān)測電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，每隔100 r/min 對電子風(fēng)扇做升速掃頻測試，原理圖可以參考鼓風(fēng)機噪聲標(biāo)定，工況為整車靜止、AC、OFF；測點為駕駛員右耳、方向盤12 點。某款純電動車的電子風(fēng)扇測試結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 電子風(fēng)扇掃頻測試駕右聲壓級

圖5 電子風(fēng)扇掃頻測試方向盤振動

依據(jù)主機廠制定的性能大綱和二級目標(biāo)，電子風(fēng)扇低速擋車內(nèi)駕右噪聲目標(biāo)為 37 dB(A)，高速擋車內(nèi)駕右噪聲目標(biāo)為 45 dB(A)，方向盤振動小于0.3 m/s2?？陀^數(shù)據(jù)表明，電子風(fēng)扇低速擋位可選轉(zhuǎn)速為1 500～1 700 r/min，高速擋可選轉(zhuǎn)速為1 700～2 400 r/min，高速擋避開2 300 r/min，方向盤模態(tài)對應(yīng)的激勵頻率轉(zhuǎn)速對整車影響較小，不需要避頻處理。結(jié)合冷卻系統(tǒng)散熱對電子風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速的需求，綜合評估后得到低速擋轉(zhuǎn)速為1 700 r/min，高速擋轉(zhuǎn)速為2 400 r/min。至此，初步鎖定電子風(fēng)扇的工作目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

1.2.3 電動壓縮機掃頻測試

在駕駛員右耳布置麥克，在座椅導(dǎo)軌、方向盤12 點、壓縮機端蓋布置振動傳感器。采用控制變量的方式，將鼓風(fēng)機子系統(tǒng)處于1 擋狀態(tài)，電子風(fēng)扇采用標(biāo)定后的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，確保其他子系統(tǒng)的環(huán)境背景噪聲盡量不干擾壓縮機子系統(tǒng)的測試結(jié)果。設(shè)定測試環(huán)境溫度不低于38 ℃，使空調(diào)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Control Area Network, CAN）信號控制壓縮機轉(zhuǎn)速，每隔200 r/min 對壓縮機做升速掃頻測試，工況為吹面、內(nèi)循環(huán)，鼓風(fēng)機子系統(tǒng)1 擋、電子風(fēng)扇最低擋、室溫＞38 ℃；測點為駕駛員右耳、方向盤12 點、壓縮機本體端蓋。某款車的壓縮機座椅導(dǎo)軌掃頻最終測試結(jié)果如圖6、圖7 所示。

圖6 壓縮機座椅導(dǎo)軌振動掃頻測試

圖7 壓縮機方向盤12 點振動掃頻測試

依據(jù)主機廠制定的性能大綱和二級目標(biāo)，座椅導(dǎo)軌振動目標(biāo)線為0.04 m/s2，方向盤振動目標(biāo)線為0.3 m/s2。從客觀測試數(shù)據(jù)可以表明，當(dāng)壓縮機工作轉(zhuǎn)速在4 500 r/min 以上時座椅導(dǎo)軌振動突破客觀目標(biāo)線，最高達(dá)到0.068 m/s2；當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速工作在3 200 r/min、3 500～3 900 r/min、4 100～4 300 r/min 和4 700 r/min 以上時，突破方向盤振動目標(biāo)線最高為0.6 m/s2，需要避開壓縮機本體共振模態(tài)轉(zhuǎn)速3 280 r/min。至此得到客觀上壓縮機轉(zhuǎn)速對方向盤和座椅導(dǎo)軌振動影響的避頻區(qū)間，壓縮機子系統(tǒng)噪聲可以利用鼓風(fēng)機子系統(tǒng)噪聲進行遮蔽處理。

1.3 客觀避頻矩陣

綜合上述鎖定的鼓風(fēng)機子系統(tǒng)目標(biāo)噪聲轉(zhuǎn)速（表2），結(jié)合壓縮機子系統(tǒng)避頻區(qū)間（圖6、圖7）、方向盤和壓縮機本體頻響測試得到的避頻轉(zhuǎn)速，建立鼓風(fēng)機子系統(tǒng)擋位轉(zhuǎn)速和壓縮機轉(zhuǎn)速聯(lián)動的客觀避頻矩陣，如表3 所示。此矩陣中鼓風(fēng)機子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速經(jīng)過標(biāo)定已滿足整車噪聲目標(biāo)要求，唯一變量為空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速對車內(nèi)噪聲的影響，后續(xù)可以利用遮蔽效應(yīng)確定符合整車噪聲要求的空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速。鼓風(fēng)機擋位轉(zhuǎn)速和壓縮機轉(zhuǎn)速聯(lián)動的客觀避頻矩陣如表3 所示。

表3 客觀避頻矩陣 單位：r/min

2 建立主觀評價矩陣

2.1 掩蔽效應(yīng)

本文闡述的控制方法關(guān)鍵點其三是利用掩蔽效應(yīng)，由于某種聲音的存在而使人耳對別的聲音聽覺靈敏度降低的現(xiàn)象被稱為掩蔽效應(yīng)，掩蔽效果和聲音之間的頻率及聲壓相關(guān)，低頻聲對高頻聲可以產(chǎn)生可觀的掩蔽效應(yīng)，隨著掩蔽聲的聲壓級升高，掩蔽的頻率范圍也會越來越大。因鼓風(fēng)機噪聲主要頻率成分比壓縮機低，且駕乘人員對鼓風(fēng)機子系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲比壓縮機產(chǎn)生的噪聲更容易接受，因此，將純電動車的鼓風(fēng)機子系統(tǒng)作為掩蔽聲源，掩蔽開啟空調(diào)系統(tǒng)后壓縮機激勵產(chǎn)生的噪聲。

2.2 主觀評價矩陣

基于表3 中鼓風(fēng)機子系統(tǒng)噪聲目標(biāo)轉(zhuǎn)速結(jié)果，將鼓風(fēng)機子系統(tǒng)擋位與鼓風(fēng)電機轉(zhuǎn)速綁定。在鼓風(fēng)機子系統(tǒng)每個擋位下，開展壓縮機子系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速的主觀評價，可依據(jù)經(jīng)驗對壓縮機和鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速差較大的項進行免測，減小工作量。主觀評價需綜合對車內(nèi)噪聲和振動進行評分，特別是對表3 中問題轉(zhuǎn)速進行著重評價，以問題轉(zhuǎn)速為中心，通過增加或減小轉(zhuǎn)速在兩側(cè)進行主觀評價，以尋找可接受的替代轉(zhuǎn)速。以鼓風(fēng)機子系統(tǒng)擋位為橫坐標(biāo)，壓縮機轉(zhuǎn)速為縱坐標(biāo)，主觀評價得分為Z軸，組成主觀評價矩陣，后期輸出子系統(tǒng)控制策略時會依據(jù)實際情況排除本矩陣主觀小于6分的轉(zhuǎn)速。

評價時需保持室溫＞38 ℃，電子風(fēng)扇位于低擋位，以排除外界激勵源的干擾，并使空調(diào)系統(tǒng)盡可能處于正常工作狀態(tài)。某款車的主觀評價得分矩陣最終評價結(jié)果如表4 所示。

表4 主觀評價得分矩陣

3 策略輸出策略

本文闡述的控制方法關(guān)鍵點其四是以車內(nèi)溫度差為聯(lián)系變量，將鼓風(fēng)機擋位轉(zhuǎn)速與壓縮機實際工作轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)，確保在每個鼓風(fēng)機擋位下有多個壓縮機轉(zhuǎn)速可選擇，盡量滿足不同性能方向的需求，則車內(nèi)溫度差T2為

式中，T1為車內(nèi)溫度傳感器采集到車內(nèi)實際溫度；T0為乘客設(shè)定的車內(nèi)目標(biāo)溫度，溫度差T2為聯(lián)系變量，將鼓風(fēng)機擋位轉(zhuǎn)速與壓縮機實際工作轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)。以某款純電動汽車為例，首先依據(jù)表3客觀測試避頻矩陣和表4 主觀評價矩陣，輸出鼓風(fēng)機子系統(tǒng)各擋位下壓縮機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍及避頻轉(zhuǎn)速，對問題轉(zhuǎn)速快速通過，然后以溫度差T2為聯(lián)系變量，通過設(shè)定不同T2值，將滿足車內(nèi)噪聲振動要求的壓縮機轉(zhuǎn)速與鼓風(fēng)機擋位相關(guān)聯(lián)，最后輸出控制策略。既可滿足車內(nèi)振動噪聲要求，同時也有節(jié)能提高續(xù)航的作用。經(jīng)與空調(diào)性能專業(yè)人員確認(rèn)某款純電動汽車子系統(tǒng)詳細(xì)控制策略如表5 所示。電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速采用1.2.2 小節(jié)確定的轉(zhuǎn)速，低擋位為1 700 r/min，高擋位為2 400 r/min。

表5 鼓風(fēng)機和壓縮機擋位轉(zhuǎn)速策略

壓縮機和鼓風(fēng)機子系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速按照表5 執(zhí)行，即可滿足整車對子系統(tǒng)噪聲和振動要求。以車輛定置時電子風(fēng)扇低擋，鼓風(fēng)機置于5 擋，溫度差T2為3 ℃為例，此時電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1 700 r/min，鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速為2 580 r/min，壓縮機子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，當(dāng)車內(nèi)溫度差T2降低為1 ℃時，壓縮機子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變?yōu)? 200 r/min。上述例子中的子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速經(jīng)過客觀和主觀評價確認(rèn)，均可以滿足車內(nèi)對子系統(tǒng)噪聲振動要求。

4 子系統(tǒng)控制策略驗證

以某純電動汽車為例，將表5 中子系統(tǒng)控制策略寫入熱管理控制器中，搭載樣車驗證。因為壓縮機轉(zhuǎn)速依據(jù)溫度差T2變化而改變，所以將消聲室溫度設(shè)定為38 ℃，車輛設(shè)置內(nèi)循環(huán)、吹面、最冷，使子系統(tǒng)充分發(fā)揮工作性能，以主觀綜合評價為主，結(jié)合客觀輔助測試對子系統(tǒng)控制策略進行驗證，評價結(jié)果如表6 所示。隨著鼓風(fēng)機擋位提高，鼓風(fēng)機工作噪聲對壓縮機工作噪聲掩蓋效果更加明顯，方向盤振動主觀、客觀都可接受，整體主觀綜合評價滿足客戶要求。

表6 評價結(jié)果

5 結(jié)論

首先將鼓風(fēng)機子系統(tǒng)作為遮蔽激勵源進行噪聲目標(biāo)轉(zhuǎn)速標(biāo)定，然后對電子風(fēng)扇、壓縮機子系統(tǒng)進行客觀測試，綜合客觀測試結(jié)果得到子系統(tǒng)客觀避頻矩陣，接著利用聲音的掩蔽效應(yīng)和客觀避頻矩陣進行主觀評價得出主觀評價矩陣，最后以溫度差為聯(lián)系變量輸出子系統(tǒng)的控制策略。本文從子系統(tǒng)標(biāo)定轉(zhuǎn)速方向介紹了系統(tǒng)性控制子系統(tǒng)噪聲振動的方法，不同車型子系統(tǒng)裝配、布置、減振結(jié)構(gòu)的差異性對本方法影響較小，具有較高的可復(fù)制性和參考性。