某新能源車電驅總成噪聲優化

趙敏 田蜀東 李杰

（比亞迪汽車工業有限公司產品規劃及汽車新技術研究院）

近年來，隨著能源的緊缺和環保壓力的加劇，各大汽車廠都開始布局新能源汽車（純電動、混動）開發，市場競爭也日趨激烈，其中新能源車的NVH 品質是車企占領市場的核心競爭力之一。新能源車在純電模式下，由于電驅系統沒有了發動機噪聲的掩蓋，電驅噪聲問題更加突出，電驅噪聲也成為汽車行業的共性難題。行業內對新能源車的電機電磁噪聲[1-5]、電機控制器噪聲產生原理[1,6]和減速器齒輪嘯叫、傳遞誤差進行了大量研究[7-10]，但這些研究主要集中在電機、減速器或電控等單個部件，沒有對電驅總成進行系統性研究。文章以某款電驅總成為例，對其噪聲產生原因及改進方案進行系統性論述。

1 電驅總成噪聲問題

以某雙模車為研究對象，其后驅為電驅動總成。在純電模式下，整車全油門加速和松油門滑行過程中，電驅總成噪聲較大，且噪聲尖銳刺耳，主觀評價為不可接受，需要改進。初步分析電驅總成噪聲為電機電磁噪聲、減速器齒輪嘯叫和電控開關高頻噪聲。

通過測試電機圓柱殼體中間、減速器軸承端和電控上蓋處的振動加速度、近場噪聲，以及車內駕駛員和后排人耳處噪聲，發現電機24 階和48 階振動及電磁噪聲較大，超出工程目標，在起步階段尤為明顯；減速器1 級傳動齒輪嚙合階次27 階和其倍頻54 階聲壓級超出目標；電控的IGBT 開關高頻噪聲通過電控上蓋板輻射明顯。

針對以上噪聲問題，分工況分階次，從電驅總成激勵源（自身結構）、控制策略、結構傳遞路徑和聲學包裹等方案著手，實測各方案效果，同時考慮時間周期和成本因素，明確最終解決方案。

2 噪聲解決方案

2.1 結構殼體加強

對電驅總成的殼體加強包括：對電機端蓋、圓柱殼體、減速器殼體加筋，在電機和減速器軸承座處以及懸置安裝點加強剛度等。通過這些措施，可減弱電驅總成的表面振動及輻射噪聲。本案例中通過CAE 優化，對減速器殼體加筋，如圖1 綠色部分所示，提高其模態和軸承、懸置安裝點處動剛度。在純電全油門加速工況下，加強前后的車內噪聲頻譜，如圖2 所示。

圖1 某新能源車減速器殼體加強方案

圖2 某新能源車減速器殼體加強前后車內噪聲頻譜

從圖2 可見：優化后，車內噪聲在 700～1 400 Hz 頻段內整體改善非常明顯，主要改善的階次為24 階、27 階，對應的轉速段在 2 000～3 000 r/min；48 階噪聲在1 000～2 000 r/min 轉速段有明顯改善；81 階噪聲在3 500～4 500 r/min 轉速段有明顯改善。

2.2 電機斜極設計

定子斜槽或轉子斜極使徑向力沿電機長度方向出現相位移，降低平均徑向力，減小電機振動和噪聲。對轉子進行4 段式斜極優化設計后，純電加速工況下，車內48 階噪聲和電驅總成48 階振動都有明顯的改善，如圖3 和圖4 所示。

圖3 某新能源車電機斜極優化前后車內48 階噪聲對比

圖4 某新能源車電機轉子斜極優化前后電驅48 階振動對比

2.3 齒輪改進

純電模式下，整車以60～20 km/h 的速度帶擋滑行，電驅27 階嘯叫明顯，如圖5 所示，識別為減速器1 級傳動齒輪嚙合階次。通過對此齒輪進行修形，使其接觸斑更合理，同時為齒輪輪輻增加減重孔。優化后，27 階嘯叫改善整體均超過10 dB；54 階噪聲在3 000 r/min以上轉速段改善明顯（約4～6 dB），如圖5 所示。齒輪修形要兼顧不同工況和階次優化，盡量改善多數工況嘯叫，且不能使某一工況或階次大幅惡化。

圖5 某新能源車帶擋滑行車內噪聲頻譜

圖6 某新能源車27 階噪聲改進情況

2.4 控制策略優化

2.4.1 電控載波頻率提升

電機控制器的噪聲，主要來自于里面的IGBT 開關頻率，其頻譜特征在Colormap 圖中以傘狀階次出現，傘狀階次的起始點頻率是電控的載波頻率，這些開關頻率及其諧頻隨著轉速的增加而逐漸遠離載波頻率，從而形成了傘狀階次線。有2 種方法改變這些開關頻率，從而降低其噪聲水平：1）提高開關的基頻，振動速度降低，輻射噪聲減少，但載波頻率不能無限制提高，其有物理特性限制。圖7 示出某電控載波頻率從7 300 Hz提高到8 000 Hz 時的噪聲頻譜圖。從圖7 可以看出，噪聲明顯降低，主觀感受較好。2）也有行業內專家提出用隨機化的PWM開關策略來替代離散的方式，使離散的階次噪聲變成寬帶噪聲，降低幅值和純聲成分。

圖7 某新能源車電控噪聲Colormap 圖

2.4.2 優化起步加載扭矩

純電模式起步階段（電機轉速為100～410 r/min），電驅總成“嗚嗚”聲較明顯，對應頻率段為50～145 Hz，其主要貢獻為電機24 階和48 階噪聲，相對應階次電機本體振動也嚴重超標。通過試驗，電機起步噪聲隨扭矩加載速率的降低而減小，但同時會降低整車的動力性。綜合考慮，在起步瞬間將原加載速率由360 N·m/s降低到194 N·m/s，噪聲改善明顯，如圖8 所示，且對動力性影響可接受。

圖8 某新能源車加載速率車內噪聲頻譜圖

2.5 傳遞路徑優化

傳遞路徑優化主要是從電驅總成的懸置隔振率、懸置支架動剛度、副車架模態等方面進行提升，降低通過結構傳遞到車內的振動噪聲。本案例中通過CAE 分析，識別出前懸置被動端動剛度較低、隔振率差，如圖9所示，主要是由于懸置支架及副車架前橫梁模態較低導致，通過對其結構進行加強，提升剛度及模態，最終使中低頻噪聲傳遞有所改善。

圖9 某新能源車前懸置被動端支架動剛度曲線

2.6 聲學包裹方案

從前面分析可知，整車純電模式下加速過程中主要存在 24 階、27 階、48 階和 54 階噪聲。對電驅總成增加聲學包裹，如圖10 所示，其可阻隔電驅噪聲傳遞到車內。圖11 示出電驅總成加包裹前后的車內噪聲，從圖11b 可以看出，各主要階次噪聲都有降低，其中高頻范圍內最大降幅達到8 dB，總噪聲降低約3 dB。同時，增加聲學包裹需考慮成本、散熱和可靠性等問題。

圖10 某新能源車電驅總成聲學包裹

圖11 某新能源車電驅總成加包裹前后車內噪聲對比

3 結論

電驅總成在整車起步、加速、減速等各工況運行中，表現出不同的噪聲問題。基于試驗和CAE 分析，識別出具體原因，并加以針對性解決。通過采取總成殼體結構加強、電機轉子斜極設計、減速器齒輪修形、控制策略調試、傳遞路徑優化和加聲學包裹等措施，最終實現電驅總成降噪：24 階噪聲降低8 dB，48 階噪聲降低5 dB；減速器27 階嘯叫降低10 dB；電控噪聲基本聽不到。整體上電驅總成主觀評價提升到6.75 分，僅在起步階段有輕微“嗚嗚”聲，此電驅系統NVH 性能在競品對標中處于領先水平。同時通過此案例，為電驅總成噪聲系統性的解決方案積累了經驗。