混合動力電動汽車減振降噪技術研究

廖連瑩，李新文

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

混合動力電動汽車除了在環保和節能上有出色表現外，在噪聲與振動整體控制上也體現出了一定的優勢。然而，混合動力電動汽車相對于傳統內燃機汽車，增加了電池組和電機等零部件，在結構上較為復雜，工作狀態也發生了變化，由此引起的噪聲與振動源和其特性上發生了較大改變。如噪聲和振動源的增加且呈分散特點，導致噪聲和振動特性分析難度加大；整車室內外聲學環境噪聲的減小，改變了噪聲源的貢獻比，從而導致了車室內外聲品質和噪聲等級的改變；發動機和電機等設備的頻繁起停引起瞬態沖擊振動和高頻噪聲現象突出；大質量電池的增加和布置導致整車結構模態的改變等。因此混合動力電動汽車的噪聲和振動控制的側重點和控制方法均和內燃機汽車有所不同。本文就混合動力電動汽車結構和工作特點發生變化，引起的噪聲和振動特性發生改變進行了分析，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構及工作特點

1.1 結構特點

混合動力電動汽車結構形式可分為串聯式、并聯式和混聯式三種。串聯式動力系統發動機不直接驅動車輪，而是作為動力源來驅動發電機發電，發出的電一部分輸送給電機來驅動車輪，另一部分則給蓄電池充電。并聯式動力系統采用兩套獨立的動力系統——電機動力系統和發動機動力系統。它可以根據不同工況，由發動機單獨驅動，電機單獨驅動或者兩套動力系統同時驅動車輪來獲得最佳動力。混聯式動力系統，又稱串并聯式動力系統，它綜合了串聯和并聯的優點，但結構復雜，成本較高[1，2]。 豐田普銳斯（Prius）是典型的混聯動力系統，見圖1。

從圖1中可以看出混合動力電動汽車的結構相比傳統汽車已發生了較大的變化[3，4]。具體表現為：

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

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

（3）結構布置發生改變。發動機、混合驅動橋總成和變頻器布置在汽車前端，原發動機艙位置。大質量HV電池布置在汽車后部的行李艙內，這種結構的改變也導致車上質量分布的改變。

1.2 工作特性

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

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

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

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

（4）減速或制動時，驅動電機轉換成發電機，把減速或制動時的動能轉換成電能，并給HV電池充電。

（5）當HV電池儲存電量低于某一設定值時，發動機運轉，驅動發電機給HV電池充電。

（6）當車輛停止時，發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）發動機

在混合動力電動汽車中，雖然發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。混合動力電動汽車的發動機的噪聲與傳統汽車發動機基本一樣，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

混合動力電動汽車配備大容量HV電池，HV電池在工作時產生大量熱量，因此需要一個冷卻系統對其進行必要的冷卻。冷卻系統一般由進氣管、冷卻風扇、排氣管和氣道組成，如圖2所示。冷卻系統在冷卻過程中，氣流流動將產生氣流噪聲，而電池冷卻風扇工作也將產生一定的噪聲。相比于傳統內燃機汽車，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，容易出現接觸面摩擦異響噪聲問題。另外這些質量較大的電池集中布置和支撐會影響到車輛的結構模態。

（3）變頻器總成

變頻器結構主要由電感和斬波電路組成，當它工作時，斬波電路的高頻切換將在電感里產生交流磁場，同時伴隨著磁致伸縮、線圈振動和磁芯收縮膨脹等現象的產生。從變頻器總成產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

（1）發動機

就發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、配氣機構等運轉產生的機械噪聲；降低風扇噪聲；降低排氣噪聲等。

（2）HV電池冷卻系統

對于HV電池冷卻系統產生的噪聲和振動，首先選用高品質風扇，減少風扇本身產生的振動和發出的噪聲；其次冷卻系統的進排氣口及通風管路進行空氣動力學研究，運用仿真計算和試驗研究，改善冷卻系結構設計，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構模態的影響，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振型的節點處，提高整車模態頻率[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生的噪聲，降低從變頻器產生的空氣傳播的噪聲和結構傳播的噪聲，來降低變頻器總成在汽車內部的噪聲。具體措施為：①提高磁芯材料性能，如適當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改進升壓電路系統殼體和支架的振動特性的措施，有助于降低結構傳播的噪聲。

3 驅動橋改變導致的振動、噪聲分析及控制

3.1 驅動橋振動、噪聲分析

（1）發電機和電機

發電機（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，工作時將產生振動和發出噪聲。但是當發動機停止工作時，因少了發動機發出的噪聲，導致本底噪聲較低，因此發電機和電機產生的噪聲和振動就尤為突出。

發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，人耳具有很高的靈敏度，可能引起強烈的噪聲感覺，嚴重時表現為刺耳的嘯叫聲。機械噪聲是軸承、轉子和電刷等部件運轉所產生的噪聲，隨著轉速的增加，機械噪聲越明顯。空氣動力性噪聲是空氣和電機之間的相互作用而產生的噪聲。

（2）動力耦合裝置

動力耦合裝置是并聯式和混聯式混合動力電動汽車重要的部件，它主要作用是耦合發動機和電機動力來共同驅動車輛。典型的動力耦合裝置采用行星齒輪結構，太陽輪與發電機（MG1）相連，行星齒輪架與發動機相連，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生振動和噪聲，一是行星齒輪機構運轉時產生的機械振動和機械噪聲，二是幾種動力耦合不平順所產生的振動沖擊和噪聲，三是發動機的轉矩波動引發的動力耦合裝置的振動和噪聲。

3.2 驅動橋振動、噪聲控制技術

（1）發電機和電機減振降噪措施

減少電機產生噪聲的措施包括：一是通過合理設計爪極，選擇適當氣隙磁密以及合適槽配合等措施減少電磁噪聲；二是通過優化轉子、定子形狀和優化永磁體形狀和布置形式來減少電機的扭矩波動；三是通過優化轉子、定子、驅動橋殼體的共振頻率，提高驅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構，減少運動過程中產生的振動和噪聲。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調而產生的振動和噪聲。以圖4所示的行星齒輪機構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。根據圖4所示的動力耦合裝置的結構布置，可以分析出MG1、發動機和MG2的轉速關系，如圖5所示。

為了減少動力耦合過程中產生的振動和噪聲，對MG1采用前饋控制，根據曲軸轉角來預測曲軸扭矩波動。根據預測結果，對MG1進行扭矩補償以改變MG1的轉速，使得MG2連同動力輸出軸的轉速波動最小，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

發動機起動階段的噪聲與振動信號表現出明顯的非穩態特征，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，從而不停的產生瞬態沖擊和高頻噪聲，給混合動力電動汽車的噪聲和振動控制帶來不利影響。

（2）發動機低速運轉時導致車身振動和產生嗡嗡聲

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

（3）加速時發動機產生的噪聲

在混合動力電動汽車中，MG1和MG2往往通過行星齒輪機構相連，并且通過控制兩個電機的動力和轉速輸出，可以實現汽車平穩加速而使發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于同排量發動機的內燃機汽車。然而，以燃油經濟性為優先控制的混合動力電動汽車，在同樣加速工況下，其發動機轉速要高于傳統的自動變速器的汽車上發動機轉速。這一特點導致了混合動力電動汽車在加速時，噪聲要比傳統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

（1）發動機起停振動及噪聲控制技術

發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鍵的技術，可采取的措施較多，主要包括：

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

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

③提高充當起動機的發電機起動扭矩，來減少由動力裝置扭轉共振和發動機支架共振所引發的車輛地板振動。

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

⑤合理控制混合動力之間的切換[13]。

（2）發動機低速運轉時導致車身振動和產生嗡嗡聲

一是提高發動機性能，避免發動機扭矩的波動。二是在發動機與變速驅動橋之間安裝一個扭振減振器，減少由于發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。三是優化發動機的懸置系統，并設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生。

（3）發動機加速時產生的噪聲

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

5 結論

根據目前混合動力電動汽車領域的研究開發現狀，從混合動力電動汽車結構特點和工作特性出發，總結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，之后對相應問題提出了解決思路。

混合動力電動汽車技術本身就是一項較新的技術，人們對其燃油經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。特別是發動機起停時瞬態振動分析和控制技術，動力耦合動態過程分析和控制技術，動態模式切換過程中的振動和噪聲控制技術將是未來混合動力電動汽車振動和噪聲控制的關鍵技術。

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