基于定置工況下的純電動汽車子系統噪聲振動控制方法

段德虎

（大運汽車股份有限公司，山西 運城 044000）

純電動汽車子系統噪聲和振動是指空調系統開啟后，電子風扇、壓縮機、鼓風機子系統聯動工作表現出的車內噪聲振動。對燃油車而言，發動機引起的車內響應不僅可以遮蔽掉子系統的噪聲和振動，并且駕乘人員對發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，且子系統在恒定轉速工作時表現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機的電磁噪聲；劉鐵軍等[4]發現電子風扇動不平衡量是影響方向盤振動的主要因素，其次是電子風扇安裝襯套的硬度和安裝襯套的安裝方式；金明等[5]經過試驗研究表明，電動壓縮機不但需要避開其他激勵源的轉頻，同時也需要避開本體的剛體模態。目前行業對純電動子系統聯動工作時的車內振動噪聲問題研究較少，缺少系統性的解決調教方案。本文以某款純電動車的子系統噪聲開發調教為例，從子系統轉速控制策略方面，介紹純電動汽車子系統噪聲和振動的控制方法。

1 建立客觀避頻矩陣

1.1 鼓風機子系統噪聲水平控制

本文闡述的控制方法關鍵點其一是以鼓風機充當遮蔽聲源，遮蔽壓縮機子系統工作時的噪聲。因此，首先要鎖定鼓風機各擋位下滿足主機廠噪聲目標的工作轉速，然后在此基礎上確定壓縮機子系統工作轉速的區間。鼓風機子系統擋位轉速確定方法有以下幾種。

1.1.1 鼓風機子系統噪聲目標制定

以主機廠某款純電動汽車開發為例，本車型性能大綱制定鼓風機子系統最低擋噪聲目標為39 dB(A)，最高擋噪聲目標為64 dB(A)。本車型鼓風機共有8 個擋位，參考數據庫中各車型鼓風機擋位噪聲實測值的排列情況，測試工況為吹面、內循環；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，插值微調后的鼓風機各擋位目標如表1 所示。由表1 可知，哈佛、MG 和本車型鼓風機噪聲與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于這兩款車。考慮到供應商水平、車型定位和性能大綱最終采用表1 中各擋位目標值作為本車型鼓風機噪聲目標，其他主機廠開發時，可以制定符合其性能指標的目標值。

表1 鼓風機子系統噪聲目標設定 單位：dB(A)

1.1.2 鼓風機子系統噪聲測試及目標轉速標定

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

圖1 標定原理圖

某款純電動汽車鼓風機子系統各擋位目標噪聲所對應的目標轉速結果如表2 所示，其測試工況為吹面、內循環；測點為駕駛員右耳、鼓風機端蓋。至此初步鎖定鼓風機子系統各擋位的工作轉速和所需要的工作電壓。后續利用聲音的掩蔽效應，鼓風機子系統工作噪聲遮蔽空調壓縮機的工作噪聲，從而確定鼓風機子系統各擋位下空調壓縮機工作轉速的上限值。

表2 鼓風機子系統噪聲標定結果

1.2 壓縮機、電子風扇子系統噪聲振動測試

本文闡述的控制方法關鍵點其二是通過客觀掃頻測試、方向盤和壓縮機系統模態測試方式，確定客觀上不達標、需要避開子系統模態頻率的轉速區間。結合1.1 小節中鎖定的鼓風機擋位轉速，輸出客觀避頻矩陣，詳細方法如下：

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向模態為27 Hz，Z向模態為33 Hz，如圖 2 所示。對應子系統工作轉速分別為1 620 r/min、1 980 r/min，得到壓縮機本體X向模態為37 Hz，Z向模態為54.69 Hz，如圖3 所示，對應子系統工作轉速分別為2 220 r/min、3 280 r/min，后續對子系統掃頻測試需要重點關注這些轉速。如果有共振問題導致車內響應變大，需要進行避頻處理或采用文獻[1-4]方案進行優化。

圖2 方向盤頻響函數

圖3 壓縮機本體頻響函數

1.2.2 電子風扇掃頻測試

采用行業常規的噪聲測試方式，在駕駛員右耳布置麥克，在座椅導軌、方向盤12 點、電子風扇本體上布置振動傳感器，通過外接穩壓電源的方式控制電子風扇端電壓，從而控制電子風扇轉速變化。電子風扇布置的振動傳感器監測電子風扇轉速，每隔100 r/min 對電子風扇做升速掃頻測試，原理圖可以參考鼓風機噪聲標定，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扇測試結果如圖4、圖5 所示。

圖4 電子風扇掃頻測試駕右聲壓級

圖5 電子風扇掃頻測試方向盤振動

依據主機廠制定的性能大綱和二級目標，電子風扇低速擋車內駕右噪聲目標為 37 dB(A)，高速擋車內駕右噪聲目標為 45 dB(A)，方向盤振動小于0.3 m/s2。客觀數據表明，電子風扇低速擋位可選轉速為1 500～1 700 r/min，高速擋可選轉速為1 700～2 400 r/min，高速擋避開2 300 r/min，方向盤模態對應的激勵頻率轉速對整車影響較小，不需要避頻處理。結合冷卻系統散熱對電子風扇高轉速的需求，綜合評估后得到低速擋轉速為1 700 r/min，高速擋轉速為2 400 r/min。至此，初步鎖定電子風扇的工作目標轉速。

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，將鼓風機子系統處于1 擋狀態，電子風扇采用標定后的目標轉速，確保其他子系統的環境背景噪聲盡量不干擾壓縮機子系統的測試結果。設定測試環境溫度不低于38 ℃，使空調系統處于正常工作狀態。通過控制器局域網絡（Control Area Network, CAN）信號控制壓縮機轉速，每隔200 r/min 對壓縮機做升速掃頻測試，工況為吹面、內循環，鼓風機子系統1 擋、電子風扇最低擋、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軌掃頻最終測試結果如圖6、圖7 所示。

圖6 壓縮機座椅導軌振動掃頻測試

圖7 壓縮機方向盤12 點振動掃頻測試

依據主機廠制定的性能大綱和二級目標，座椅導軌振動目標線為0.04 m/s2，方向盤振動目標線為0.3 m/s2。從客觀測試數據可以表明，當壓縮機工作轉速在4 500 r/min 以上時座椅導軌振動突破客觀目標線，最高達到0.068 m/s2；當壓縮機轉速工作在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線最高為0.6 m/s2，需要避開壓縮機本體共振模態轉速3 280 r/min。至此得到客觀上壓縮機轉速對方向盤和座椅導軌振動影響的避頻區間，壓縮機子系統噪聲可以利用鼓風機子系統噪聲進行遮蔽處理。

1.3 客觀避頻矩陣

綜合上述鎖定的鼓風機子系統目標噪聲轉速（表2），結合壓縮機子系統避頻區間（圖6、圖7）、方向盤和壓縮機本體頻響測試得到的避頻轉速，建立鼓風機子系統擋位轉速和壓縮機轉速聯動的客觀避頻矩陣，如表3 所示。此矩陣中鼓風機子系統轉速經過標定已滿足整車噪聲目標要求，唯一變量為空調壓縮機轉速對車內噪聲的影響，后續可以利用遮蔽效應確定符合整車噪聲要求的空調壓縮機轉速。鼓風機擋位轉速和壓縮機轉速聯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

本文闡述的控制方法關鍵點其三是利用掩蔽效應，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象被稱為掩蔽效應，掩蔽效果和聲音之間的頻率及聲壓相關，低頻聲對高頻聲可以產生可觀的掩蔽效應，隨著掩蔽聲的聲壓級升高，掩蔽的頻率范圍也會越來越大。因鼓風機噪聲主要頻率成分比壓縮機低，且駕乘人員對鼓風機子系統產生的噪聲比壓縮機產生的噪聲更容易接受，因此，將純電動車的鼓風機子系統作為掩蔽聲源，掩蔽開啟空調系統后壓縮機激勵產生的噪聲。

2.2 主觀評價矩陣

基于表3 中鼓風機子系統噪聲目標轉速結果，將鼓風機子系統擋位與鼓風電機轉速綁定。在鼓風機子系統每個擋位下，開展壓縮機子系統在不同轉速的主觀評價，可依據經驗對壓縮機和鼓風機轉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噪聲和振動進行評分，特別是對表3 中問題轉速進行著重評價，以問題轉速為中心，通過增加或減小轉速在兩側進行主觀評價，以尋找可接受的替代轉速。以鼓風機子系統擋位為橫坐標，壓縮機轉速為縱坐標，主觀評價得分為Z軸，組成主觀評價矩陣，后期輸出子系統控制策略時會依據實際情況排除本矩陣主觀小于6分的轉速。

評價時需保持室溫＞38 ℃，電子風扇位于低擋位，以排除外界激勵源的干擾，并使空調系統盡可能處于正常工作狀態。某款車的主觀評價得分矩陣最終評價結果如表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鍵點其四是以車內溫度差為聯系變量，將鼓風機擋位轉速與壓縮機實際工作轉速相關聯，確保在每個鼓風機擋位下有多個壓縮機轉速可選擇，盡量滿足不同性能方向的需求，則車內溫度差T2為

式中，T1為車內溫度傳感器采集到車內實際溫度；T0為乘客設定的車內目標溫度，溫度差T2為聯系變量，將鼓風機擋位轉速與壓縮機實際工作轉速相關聯。以某款純電動汽車為例，首先依據表3客觀測試避頻矩陣和表4 主觀評價矩陣，輸出鼓風機子系統各擋位下壓縮機轉速調節范圍及避頻轉速，對問題轉速快速通過，然后以溫度差T2為聯系變量，通過設定不同T2值，將滿足車內噪聲振動要求的壓縮機轉速與鼓風機擋位相關聯，最后輸出控制策略。既可滿足車內振動噪聲要求，同時也有節能提高續航的作用。經與空調性能專業人員確認某款純電動汽車子系統詳細控制策略如表5 所示。電子風扇轉速采用1.2.2 小節確定的轉速，低擋位為1 700 r/min，高擋位為2 400 r/min。

表5 鼓風機和壓縮機擋位轉速策略

壓縮機和鼓風機子系統工作轉速按照表5 執行，即可滿足整車對子系統噪聲和振動要求。以車輛定置時電子風扇低擋，鼓風機置于5 擋，溫度差T2為3 ℃為例，此時電子風扇轉速為1 700 r/min，鼓風機轉速為2 580 r/min，壓縮機子系統轉速為3 000 r/min，當車內溫度差T2降低為1 ℃時，壓縮機子系統轉速變為2 200 r/min。上述例子中的子系統轉速經過客觀和主觀評價確認，均可以滿足車內對子系統噪聲振動要求。

4 子系統控制策略驗證

以某純電動汽車為例，將表5 中子系統控制策略寫入熱管理控制器中，搭載樣車驗證。因為壓縮機轉速依據溫度差T2變化而改變，所以將消聲室溫度設定為38 ℃，車輛設置內循環、吹面、最冷，使子系統充分發揮工作性能，以主觀綜合評價為主，結合客觀輔助測試對子系統控制策略進行驗證，評價結果如表6 所示。隨著鼓風機擋位提高，鼓風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 評價結果

5 結論

首先將鼓風機子系統作為遮蔽激勵源進行噪聲目標轉速標定，然后對電子風扇、壓縮機子系統進行客觀測試，綜合客觀測試結果得到子系統客觀避頻矩陣，接著利用聲音的掩蔽效應和客觀避頻矩陣進行主觀評價得出主觀評價矩陣，最后以溫度差為聯系變量輸出子系統的控制策略。本文從子系統標定轉速方向介紹了系統性控制子系統噪聲振動的方法，不同車型子系統裝配、布置、減振結構的差異性對本方法影響較小，具有較高的可復制性和參考性。