電驅(qū)動NVH主觀評價標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用

摘 要：本文介紹了新能源汽車電驅(qū)動領(lǐng)域NVH現(xiàn)狀，詳細(xì)闡述了一種電驅(qū)動NVH主觀評價的方法，為其他需要NVH主觀評價標(biāo)準(zhǔn)的機構(gòu)提供方向及參考；并通過具體案例及測試分析的方法闡述了PWM諧波產(chǎn)生高頻嘯叫的機理及消除方法，介紹了傅里葉變換FFT vs Time時頻圖譜在NVH分析的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 電驅(qū)動 NVH 噪音 PWM

1 緒論

NVH是噪聲、振動和舒適性等各項指標(biāo)的總稱。由于結(jié)構(gòu)振動會產(chǎn)生噪聲，噪聲會影響到舒適性，而舒適性有問題的時候，必然存在一定的振動噪聲問題，因此三者在汽車領(lǐng)域同時出現(xiàn)并密不可分，在汽車領(lǐng)域常常放在一起研究。隨著近些年新能源車尤其是純電車的發(fā)展，其NVH性能相較于傳統(tǒng)燃油汽車具有一定的優(yōu)勢，例如電機驅(qū)動的平順性和低噪音特性，但其頻譜更集中，且主要處于人耳的敏感范圍，以至于更容易被乘客感受與抱怨。新能源汽車的NVH性能是衡量其駕乘體驗的重要指標(biāo)之一，其中電驅(qū)動NVH是電動汽車中的一個重要的研究領(lǐng)域，其性能直接影響到整車的駕駛舒適性和用戶體驗[1]。

2 電驅(qū)動NVH的現(xiàn)狀分析

由于電驅(qū)動總成的集成度越來越高，整個系統(tǒng)涉及電磁、結(jié)構(gòu)、振動和噪聲多個物理場的耦合，耦合模態(tài)發(fā)生的變化，使得NVH問題的產(chǎn)生與分析變得越來越復(fù)雜，其中高頻噪聲和振動的具體成因主要涉及以下幾個方面。

高頻電磁噪音：由于電動車沒有ICE的遮蔽效應(yīng)，電磁噪音顯得更為明顯，尤其是電機本體的電磁諧波以及逆變器的IGBT開關(guān)PWM諧波引起的高頻噪音問題。

扭矩沖擊明顯：電機的扭矩響應(yīng)速度明顯高于ICE，這導(dǎo)致瞬時扭矩沖擊，從而加劇了傳動系統(tǒng)的抖動和高頻振動問題。

齒輪嚙合誤差：齒輪嚙合傳遞誤差也會導(dǎo)致高頻振動和噪聲。這種誤差會傳遞到電機殼體，從而產(chǎn)生輻射噪音[1]。

階梯特征豐富：多合一的結(jié)構(gòu)包含了電機階次，逆變器中功率器件開關(guān)階次，減速器階次以及軸承階次等。（圖1-圖3）

電機高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致共振風(fēng)險擴大：與ICE對比，電驅(qū)動逐步向高轉(zhuǎn)速發(fā)展，目前市場主流的電機最高轉(zhuǎn)速在13000-25000rpm，電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍更寬，意味著振動激勵和共振風(fēng)險的范圍更廣[3]。

3 電驅(qū)動NVH主觀評價

由于駕駛者對車輛的NVH提出越來越高的要求，對噪音的評價除了使用專用的儀器設(shè)備等，由經(jīng)過訓(xùn)練的NVH專家結(jié)合經(jīng)驗通過人耳評價也是非常重要的一種手段。目前行業(yè)有一套主觀評價噪音的參考標(biāo)準(zhǔn)，其通過評分的方式對感知的噪音進(jìn)行主觀評價，如表１。

在上述描述中，通過評價內(nèi)容、探測度、投訴來源等維度對NVH的表現(xiàn)給與1-10分的量化評價，并用于是否制定優(yōu)化措施的參考。若主觀評價處于1-3分的情況下，NVH異常，不可被接受，可能會對電驅(qū)動甚至車輛產(chǎn)生一定的損壞，進(jìn)而影響安全，此時需要盡快分析原因制定優(yōu)化措施；處于8-10分的情況下，NVH表現(xiàn)優(yōu)異，通常情況下不需要繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，避免導(dǎo)致額外的質(zhì)量成本；處于4-7分的情況下，NVH表現(xiàn)一般，會被較為敏感的用戶抱怨，對于NVH的優(yōu)化需要持續(xù)進(jìn)行，并且如果處于4-5分的情況下，需要在最短的時間內(nèi)完成優(yōu)化，避免抱怨的持續(xù)升級，造成進(jìn)一步的批量抱怨事件。

4 電驅(qū)動NVH主觀評價應(yīng)用案例

在某車型項目階段，在路試中接到抱怨，車輛在低速行駛中約5-10km/h時，在車輛外部聽到后驅(qū)電機發(fā)出嘯叫聲，在車輛窗戶全關(guān)的情況下，車內(nèi)未聽到此聲，車速高于15km/h時，該聲徹底消失，NVH整體評分為6分，要求對該問題進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，提升車輛的舒適性。在主觀評價過程中也可以結(jié)合需求使用一些測試設(shè)備等工具用于噪音分貝值及頻率等進(jìn)行量化，以便用于輔助主觀評價，尋找噪音產(chǎn)生的根因及問題分析。如圖4，是使用HEAD acoustic SQuadriga III便攜數(shù)采設(shè)備采集的噪音數(shù)據(jù)，我們可以看到較為明顯的尖峰噪音異常。

在進(jìn)行NVH分析的時候，了解信號的頻率相關(guān)分布是最基礎(chǔ)的分析過程。此時三維幅值譜FFT vs Time分析是一種常用的手段，F(xiàn)FT（快速傅里葉變換）在實時監(jiān)控噪聲和振動變化中發(fā)揮著重要作用，主要通過將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號來實現(xiàn)。FFT vs Time分析是一種結(jié)合了FFT分析和時間域分析的方法。在這種方法中，F(xiàn)FT結(jié)果隨時間變化而變化，通常以三維彩圖的形式顯示各個數(shù)據(jù)塊的結(jié)果，所以很容易根據(jù)時間軸及頻率軸定位噪音特征點。該算法能分析非平穩(wěn)信號，計算過程是先數(shù)據(jù)分段，求解每段數(shù)據(jù)的傅里葉變換，進(jìn)而按照時間片展開所有的數(shù)據(jù)結(jié)果。對比該產(chǎn)品對應(yīng)的上一代逆變器的FFT vs Time時頻分析圖譜發(fā)現(xiàn)，上一代產(chǎn)品逆變器時頻特征為傘形分布，如圖6。被抱怨電驅(qū)的逆變器的頻譜為階梯分布，初步判定問題原因為升級產(chǎn)品對IGBT的開關(guān)策略變?yōu)樽冾l控制，PWM諧波處理不佳，在特定的頻率區(qū)間產(chǎn)生了異常噪音。

為進(jìn)一步確定該原因，分別在電驅(qū)動（車輛底盤后軸附近）及主駕駛座椅頭枕側(cè)布置麥克風(fēng)，通過開窗及關(guān)窗進(jìn)行噪音數(shù)據(jù)采集。圖5可以看出在開窗情況下，在6k-6.5k Hz頻率下有一較為明顯的噪音。通過頻譜分析，鎖定噪音來源于逆變器，進(jìn)一步判斷該嘯叫為IGBT開關(guān)PWM諧波產(chǎn)生的高頻嘯叫。

5 PWM諧波產(chǎn)生的高頻嘯叫的機理及消除

PWM（脈寬調(diào)制）諧波產(chǎn)生的高頻嘯叫主要是由于PWM信號在逆變器或電機控制中的應(yīng)用所引起的。PWM信號通常是由一系列占空比不同的方波電壓組成，這些方波電壓用于模擬正弦波電壓，從而驅(qū)動電機或其他設(shè)備。然而，這種方波電壓會產(chǎn)生高次諧波，這些諧波再產(chǎn)生高頻電流諧波，進(jìn)而導(dǎo)致電磁噪音。具體來說，PWM信號的基波及其高次諧波頻率上的騷擾水平較高，這會導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)尖銳的“吱吱”或“呲呲”的嘯叫聲。這種嘯叫聲通常是因為PWM信號的頻率較高，接近或落入音頻范圍，導(dǎo)致穩(wěn)壓電源電路輸出的開關(guān)電流產(chǎn)生交變磁場，從而引起電感線圈振動并發(fā)出聲音。SHEPWM（特定諧波消除脈寬調(diào)制）技術(shù)通過計算PWM波的開關(guān)時刻，消除特定的低階諧波。其基本原理是通過控制逆變器脈寬調(diào)制電壓的波形，利用脈寬平均法將逆變器輸出的方波電壓轉(zhuǎn)換成等效的正弦波，從而消除某些特定的低階諧波。SHEPWM通過對開關(guān)時刻的優(yōu)化選擇，產(chǎn)生PWM信號來消除選定的低次諧波。通過計算和選擇合適的開關(guān)角，以確保輸出電壓波形中特定低階諧波被有效消除。依據(jù)該技術(shù)，通過軟件優(yōu)化，優(yōu)化后的噪音值降低約15dB，主觀評價從6分變?yōu)?分，如圖7&8。

6 總結(jié)

隨著電驅(qū)動從三合一到多合一，電壓等級的提高，轉(zhuǎn)速高速化，輕量化的發(fā)展趨勢，未來電驅(qū)動NVH的開發(fā)、評價及分析會面臨更多的挑戰(zhàn)，需要探索更多創(chuàng)新的方式、方法及工具。

參考文獻(xiàn)：

[1]占雨蘭.電驅(qū)動NVH特點以及研究現(xiàn)狀[J].時代汽車，2021，06（05）：109-121

[2]李志申，崔慶濤，方順亭.新能源驅(qū)動電機NVH開發(fā)研究[J].內(nèi)燃機與配件，2022（19）：109-111.

[3]崔慶濤，馬志杰，李志申.混合動力總成NVH開發(fā)技術(shù)研究[J].內(nèi)燃機與配件，2022（13）：20-23.