控制器開關頻率對電驅動總成噪聲影響研究

李基芳，付玉成，孫守富，季 祥

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300399）

噪聲水平是衡量新能源汽車電驅動總成的重要指標之一，對提升新能源汽車的舒適性和品質具有重要影響。

電驅動總成一般由控制器、永磁同步電機和減速器組成，其噪聲主要包括電機電磁力引起的高頻階次噪聲、減速器齒輪嚙合產生的階次噪聲以及控制器逆變電路脈寬調制產生的開關頻率噪聲［1］。上述3類噪聲雖然產生機理不同，但是具有一個相同的重要特征：高頻成分能量較高，易使人感到極度不適。對于高頻噪聲，A計權聲壓級不能充分反映人對于噪聲的多維度主觀感覺，聲品質評價已經成為電驅動總成高頻噪聲關注的重點［2］。

本文從A計權聲壓級和音噪比兩方面評價控制器開關頻率對電驅動總成噪聲的影響。

1 控制器開關頻率噪聲概述

1.1 開關頻率噪聲產生機理

控制器逆變電路大多采用三相橋式正弦脈寬調制（SPWM）［3］，逆變過程中會在開關頻率及其倍數附近產生一系列諧波電流。諧波電流會在氣隙磁場中引起高速旋轉的空間諧波磁場，進而對電磁力的幅值和次數產生明顯影響，使電機噪聲變大。尤其當電磁力的激勵頻率和電機的固有頻率相同或接近時，電機噪聲將顯著惡化。因此，控制器供電已經成為電機噪聲的主要來源之一［4］。

上述諧波電流引起的電磁激振力的頻率f可以表示為［5］：

式中：fT——控制器的開關頻率；f0——電機轉速對應的頻率；k1、k2——奇偶相反的正整數。這些激振力作用于電機定子引起同頻率的開關頻率噪聲。

1.2 開關頻率噪聲的評價

噪聲的評價最終需要反映人耳對聲音的感覺，由于人耳對不同頻率的聲音敏感程度不同，因此對于聲音的評價需要同時考慮聲音的物理特征和人耳的聽覺特性。

A計權聲壓級是汽車行業廣泛采用的噪聲評價指標之一，通過對不同頻率下的聲壓級進行加權，能夠較好地反映人對噪聲的評價。

但是當噪聲中某一頻率噪聲較突出時，雖然A計權聲壓級不大，但是會使人主觀認為聲音刺耳、甚至煩躁［6］。因此對于這類噪聲既要評價其A計權聲壓級大小，又要關注聲品質。

聲品質評價包含多種參數，其中音噪比（tone to noise ratio）更加適用于具有多個相近階次的噪聲評價［7］。音噪比定義為單調音的能量與單調音所在臨界頻帶內的其它噪聲能量的比值，單調音頻率越高，臨界頻帶范圍越寬。音噪比越大，聲品質越差，對于高于1000Hz的單調音，音噪比限值為8［8］，音噪比超過8則容音引起人的抱怨。

2 電驅動總成噪聲測試評價

被測對象為永磁同步電機、減速器及控制器組成的集成式三合一電驅動總成，所以無法采集相電流。但是根據前文的分析，開關頻率噪聲的頻率和大小可以反映開關頻率及其附近諧波電流的頻率和幅值。

該總成在不同的轉速選取的控制器開關頻率不同，其中電機轉速2500～5200r/min范圍內（以下稱之為“低轉速段”）開關頻率為6000Hz、電機轉速5200～8000r/min范圍內（以下稱之為“高轉速段”）開關頻率為8000Hz。

測試在半消聲室內進行，測試系統主要包括Siemens SCM2E05數采、GRAS 46AE傳聲器、Simcenter Testlab測試分析軟件等。傳聲器分別布置在電驅動總成前、后、左、右、上方，距離總成表面均為1m。圖1為試驗照片，傳聲器位于紅色圓圈標注位置。

圖1 電驅動總成噪聲測試照片

測試工況為電機額定扭矩由2500r/min加速到8000r/min，A計權聲壓級（以下簡稱“聲壓級”）計算5個噪聲測點的平均值、音噪比只計算總成前方（電機在前、減速器在后）1m處測點的結果。

圖2是聲壓級隨轉速變化的測試結果，圖中5200r/min左右出現了明顯的峰值，是由于開關頻率在該轉速下變化引起的。另外低轉速段聲壓級高于高轉速段聲壓級。

圖2 電驅動總成聲壓級

圖3是噪聲的頻譜圖，即聲壓級在頻域上的分布，顏色越深表示噪聲越大。由圖3可知，噪聲以電機和減速器階次噪聲（圖中①所標示）、控制器開關頻率噪聲（圖中②、③所標示）為主。其中電機和減速器階次噪聲基本隨著電機轉速的上升而升高；而低轉速段（②標示區域）的開關頻率噪聲明顯高于高轉速段（③標示區域）的開關頻率噪聲。

圖3 電驅動總成噪聲頻譜

綜合圖2、圖3，低轉速段開關頻率噪聲對聲壓級具有較大的貢獻，高轉速段開關頻率噪聲對聲壓級貢獻量較小。

圖4是電驅動總成前方1m處測點的音噪比計算結果，顏色越深表示聲品質越差。可見聲品質問題主要集中在開關頻率附近。

圖4 電驅動總成前方1m測點音噪比

綜上所述，開關頻率噪聲對被測電驅動總成的聲壓級和音噪比影響較大，尤其在開關頻率較低的低轉速段內。

3 開關頻率噪聲優化方法及驗證

3.1 開關頻率噪聲的優化方法

優化控制器引起的開關頻率噪聲主要通過提高開關頻率和隨機PWM調制開關策略兩種方法［9］。

開關頻率提高，控制過程的周期變小，電流的變化幅度減小，因此開關頻率及其倍頻附近的諧波電流減小，從而降低開關頻率噪聲。但是受限于控制器的物理特性，開關頻率不能隨意提高，提高開關頻率會引起控制器功率損耗增加、壽命降低。因此控制器開關頻率的選擇需要綜合考慮可靠性、成本、功率損耗、噪聲等因素，而且它們之間一般是相互矛盾的［10］。

隨機PWM調制技術是引入隨機變量把開關頻率隨機化，使開關頻率及其倍頻處的諧波電流分散到各個頻率上以降低開關頻率噪聲。隨機PWM調制并沒有降低諧波電流的總能量，而是通過把總能量分散從而降低諧波電流的幅值。

本文分別采用提高開關頻率（以下稱之為“方案1”）和隨機PWM調制（以下稱之為“方案2”）方案優化開關頻率噪聲。重復測試第2節中試驗工況，并與開關頻率變化之前（以下稱之為“原方案”）的噪聲對比。

在不改變控制器、不明顯增加功率損耗的前提下，實施上述方案1和方案2。不同方案的開關頻率對比見表1。

3.2 提高開關頻率對噪聲的影響

對比提高控制器開關頻率前后的電驅動總成聲壓級和音噪比變化，即表1中的原方案和方案1。

表1 不同方案的開關頻率

圖5、圖6分別是兩種方案的聲壓級和噪聲頻譜對比結果。

圖5 電驅動總成聲壓級對比

圖6 電驅動總成噪聲頻譜對比

低轉速段內，開關頻率噪聲明顯降低，因其影響，電驅動總成聲壓級5200r/min處的峰值由原來的83.4dB（A）降至78.3dB（A），降低了5.1dB（A）；聲壓級平均降低2.4dB（A）。

高轉速段內，開關頻率噪聲同樣降低。由于該轉速段開關頻率噪聲對總成聲壓級的貢獻量較小，所以總成聲壓級降幅不明顯，平均降低約0.5dB（A）。

圖7是兩種方案的音噪比對比結果。

圖7 電驅動總成音噪比對比

低轉速段內，音噪比雖然得到一定程度改善，但是仍然存在超過限值8的開關頻率噪聲。這是因為開關頻率噪聲的能量雖然減小，但是開關頻率提高后其所在臨界頻帶范圍變大，頻帶范圍內的其它噪聲能量降低更多。

高轉速段內，開關頻率噪聲音噪比基本不超過限值8，聲品質明顯改善。

總之，控制器開關頻率提高后，開關頻率噪聲的聲壓級、音噪比降低，聲品質提升。

3.3 隨機PWM調制對噪聲的影響

對比隨機PWM調制前后的電驅動總成聲壓級和音噪比變化，即表1中的原方案和方案2。

圖8、圖9分別是兩種方案的聲壓級和噪聲頻譜對比結果。

圖8 電驅動總成聲壓級對比

圖9 電驅動總成噪聲頻譜對比

由圖8可知，在整個測試轉速范圍內，兩種方案的電驅動總成聲壓級沒有明顯的改變。本文第1.2節已經指出：隨機PWM調制不會降低總的諧波電流能量，而是把能量分散到附近頻率上。因此，方案2的開關頻率噪聲的主要階次變得“模糊”，聲壓級幅值變小、分布范圍變大，見圖9。

圖10是兩種方案的音噪比對比。由于方案2的開關頻率的主要階次噪聲能量變小，同時其所在臨界頻帶范圍內其它噪聲能量變大，因此音噪比變小。方案2在整個測試轉速范圍內，開關頻率噪聲音噪比基本降至限值8以下，聲品質明顯改善。

圖10 電驅動總成音噪比對比

4 結論

本文以某電驅動總成為研究對象，分別驗證了提高控制器開關頻率和隨機PWM調制開關策略對其噪聲的影響。得出以下結論。

1）提高控制器開關頻率，開關頻率噪聲聲壓級明顯降低，總成聲壓級的改善情況由開關頻率噪聲對其貢獻量大小而決定。在低轉速段，開關頻率由6000Hz提高到8000Hz，開關頻率噪聲音噪比改善不明顯；在高轉速段，開關頻率由8000Hz提高到9500Hz，開關頻率噪聲音噪比明顯改善，總成聲品質提升。

2）采用隨機PWM調制開關策略，開關頻率噪聲總能量基本不變，只是分散到附近頻率上，因此總成聲壓級無明顯變化。開關頻率噪聲音噪比明顯降低，總成聲品質顯著提升。