1、庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 1 电动车驱动系统NVH特征及控制策略 1 庞 剑 2018年4月27日 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 2 2 目录 一电动车NVH特征 二动力传动系统NVH特征及控制 三特殊工况下的NVH特征及控制 四驾驶乐趣、法规的挑战与主动发声 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 3 内燃机车声音 电动车声音 阶次特征：发动机发火阶次及谐阶次为主 频率特征：以低频和中频为主 噪声：轰鸣 阶次特征：电机阶次、电控阶次、减速器阶次 频率特征：以高频为主 噪声：啸叫 1 电动车频谱及声音特征 内燃机车的频谱特
2、征 电动车的频谱特征 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 4 混合动力车的频谱特征 阶次特征： 发动机发火阶次及谐阶次为主 电机阶次、电控阶次 频率特征：以低频和中频为主，伴随高频成分 噪声：低频和中频轰鸣、高频啸叫 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 5 发动机及动力系统噪声发动机及动力系统噪声 动力系统的声品质动力系统的声品质 0 Hz 100 Hz 250 Hz 1000 Hz 5000 Hz 10000 Hz 60km/h 100km/h 路面及轮胎噪声路面及轮胎噪声 风噪风噪 动力系统的声品质动力系统的声品质 0 Hz 100 Hz 250 H
3、z 1000 Hz 5000 Hz 10000 Hz 60km/h 100km/h 路面及轮胎噪声路面及轮胎噪声 风噪风噪 电机驱动噪声 内燃机车 电动车 2 电动车NVH的车速-频率特征 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 6 传统发动机的变化 驱动电机的应用 传动系统的变化 大电机的应用：48V 动力源 车身 车身结构分布变化、重量增加 声学包装的分布变化 底盘 电控 底盘刚度增加，衬套刚度增加 制动能量回收系统 轮毂电机/轮边电机 ACM或电动真空泵 电控系统增加 控制程序复杂、集成度高、多层级联 主动发声系统 车内主动发声 车外主动发声 1.高频啸叫成为主要噪声源：
4、电机啸叫、减速器啸叫、电控系统啸叫、能量回收系统 2.掩盖效应 3.路噪更加凸显 4.风噪：更加凸显 5.热管理的噪声源增加 6.车身、底盘、声学包装 7.驾驶乐趣 8.政府法规 内燃机车 电动车 电动车NVH挑战 3 电动汽车的结构特征及NVH挑战 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 7 7 目录 一电动车NVH特征 二动力传动系统NVH特征及控制 三特殊工况下的NVH特征及控制 四驾驶乐趣、法规的挑战与主动发声 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 1.驱动电机取代传统内燃机 2. 变速器：单极减速器 3. 电动压缩机 4. 电控系统 5. 电池系统复
5、杂 6. 电机和电池热管理系统 1. 驱动电机 路噪与风噪成为主要成分 电机及驱动系统啸叫 声品质特征改变 2. 变速器：比传统车简单 3. 电动压缩机：成为主要动力振动源 4. 电控系统：高频啸叫 5. 电池系统：高频噪声更加凸显 6. 热管理系统：带来新的NVH问题 结构变化 NVH特征 1 动力系统结构变化与NVH特征 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 9 PWM脉宽调制噪声脉宽调制噪声 谐波失真 逆变/整流/控制噪声 径向径向/切向电磁力切向电磁力 转矩波动转矩波动 静/动偏心 齿槽噪声 电机本身 电磁噪声 轴承噪声 动不平衡噪声 结构共振噪声 液冷系统噪声 机械
6、噪声 冷却噪声 电机系统噪声 2 电机系统噪声 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 10 气隙中的磁场使得磁密度发生变化，产生了电磁力 电磁力是与时间相关的交变力 电磁力取决于气隙形状、齿槽形状，等等 除了基阶外，还有高阶成分 交变电磁力作用在定子齿槽上，产生电磁力（径向力及切向力） 径向电磁力施加到定子齿槽上，使得定子振动而发出噪声 电磁力产生的噪声是高频啸叫声 电磁力的频率与电子的固有频率一致或接近时，定子产生共振，辐射噪声急剧增加 切向电磁力对电磁噪声的贡献很小 电磁力 定子振动 声辐射 2.1 电磁力产生的噪声 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征
7、 11 扭矩：转子磁通与定子气隙中变磁导之间的相互关系产生 扭矩波动： 主磁路磁导发生改变 气隙中的磁密度变化 结构不均匀 电磁感应变化 电控系统（如脉宽调制PWM）引起的电流波动 电磁噪声： 扭矩波动产生电磁噪声 低速大转矩时候尤为明显 扭矩波动的控制： 合理的极对数/槽数配合，可调制转矩波动阶次 合理的参数与设计（如气隙等）选择可减少转矩波动 电控 0( )( )rTTT=+2.2 扭矩波动产生的电磁噪声 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 12 转子槽的设计：降低电磁力及转矩脉动引起的电磁噪声沿径向分布的空间集中度，降低转矩脉动幅值 合理的极数/槽数配合：避免转矩波动
8、及噪声的选型的首要原则 降低磁负荷：如齿尖加厚等 气隙：合理的气隙设计 限制导线位移：提升电机槽满率，降低槽内导线空隙，限制导线位移 抑制主动电流谐波：抑制5次7次电流谐波造成的转矩波动引起的电磁噪声，谐波间电流与电动势间耦合产生的48阶转矩波动 定子分段叠压，减小定子铁芯的各向异性 定子结构的控制 壳体的控制：两侧端盖加筋、加厚，提高壳体模态 车身传递路径的控制 2.3 电磁噪声的控制方法 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 13 原状态 优化后 例子 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 14 VCU：Vehicle Control Unit 整车控制
9、器 BMS：Battery Management System 电池管理系统 MCU：Motor Control Unit 驱动电机控制器（亦可称作PCU或IPU） VTMS：Vehicle Thermal Management System 热管理系统（包括车内气候控制系统） 传统车 电控系统 点火提前角 喷油量 进气量 缸内压力 扭矩大小 扭矩波动 噪声 振动 电控系统对内燃机车的影响 TCU对传统内燃机车的NVH影响非常大 电动车控制系统： MCU驱动电机控制系统，负责驱动电机的控制。 通过接收VCU的车辆行驶控制指令，控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶。 实现把动力电池的直流
10、电能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。 MCU对电动车的NVH影响非常大 BMS MCU VTMS VCU 3.1 电控系统 3 电控系统噪声 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 15 1. 系统多：层次复杂，能量、介质分汇流复杂 2. 工况多：控制变量多，协同控制难度大，尤其在驱动模式切换 急加速及急减速等工况下的转矩协同控制 并/卸载转矩冲击控制 低电量 冬季高制热负荷 制动能量回收 3. 控制系统复杂： 控制单元多，如电机控制、电池管理控制、 规则控制与模糊控制并存 4. 性能平衡控制难度大：如何做到动力性、可靠性与舒适性兼具的控制 1. 大扭矩： 纯
11、电/混动加速、怠速充电、上坡起步等低速大扭矩及动力分汇流工况下的NVH表现天然较差； 2. 制动能量回收引起电机啸叫 3. 热管理及冷却系统带来噪声问题 4. 能量切换： 转矩协同、并/卸载转矩等工况带来振动和冲击问题 5. NVH与动力性和可靠性的矛盾 NVH挑战 电控系统 3.2 电控系统及NVH特征 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 16 脉宽调制（Pulse Width Modulation）：按照冲量相等但幅值不同的窄脉冲的输出效果基本相同的原则，用一系列等幅值但宽度不同的脉冲来代替生成正弦波. PWM控制输出的电压是一系列的脉冲，脉冲的宽度和间隔均不相等。 开
12、关频率:决于调制波和载波的交点。开关频率越高，一个周期内脉冲的个数就越多，波形越平滑。 3.3 宽频脉冲控制引起的噪声 例子： MCU控制策略对电机高频噪声的影响 车前0.5m噪声频谱及声压级对比 标准SV-PWM控制 三段PWM控制 实线overall值 虚线-10kHz-16阶噪声 红线标准SV PMW控制 蓝线三段PWM控制 约40dB(A) 约18dB(A) 控制逻辑： 随机PWM 离散PWM SV(Space Vector)PWM 三段PWM 开关频率控制 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 17 复杂的流-气转换 复杂的全程控制逻辑 多套冷却循环系统 双向四通循
13、环两相流 高速电动涡旋压缩机制 不同工作模式的复杂切换 热管理热管理系统系统 发动机 变速器 增压涡轮 热泵空调 动力电池 驱动电机 IPU 充电机 发电机 系统多而复杂 噪声 4 热管理系统噪声 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 18 18 目录 一电动车NVH特征 二动力传动系统NVH特征及控制 三特殊工况下的NVH特征及控制 四驾驶乐趣、法规的挑战与主动发声 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 19 大扭矩 上坡、起步等低速大扭矩 制动能量回收 怠速充电（混动车） 能量切换（混动车） 电驱动与内燃机驱动之间的切换 转矩协同、并/卸载转矩等工况带来
14、振动和冲击问题 1 特殊驾驶工况 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 20 2 制动能量回收引起的噪声 1. 问题： 制动能量回收过程使得扭矩和扭矩波动增加 电机产生啸叫 2. 解决方案： 降低扭矩波动 降低扭矩 0. 007000. 00HzFLR: S ( CH1)800. 006000. 00r pmRpm Ext r ( UNKNO W N1)0. 0070. 00dB( A)Pa7000. 000. 00HzFLR: S ( CH1)6100. 00600. 00r pmRpm Ext r ( UNKNO W N1)70. 000. 00dB( A)Pa庞剑：电动
15、车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 21 1. 问题： 无充电负载时，车内振动水平较好；车辆在怠速工况（电量17%充电时），车内振动偏大 随电量降低时，发动机请求扭矩增大，发动机负载大，车内振动增大 2. 解决方案： 降低扭矩波动 降低扭矩 传递路径控制：悬置设计、车身传递 3 怠速充电（混动车）引起的振动与噪声 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 22 22 在动力模式切换过程中，汽车抖动：EV、充电、自动，等等 解决办法解决办法 同时监测发动机扭矩和转速、电机扭矩和转速、电池电流和电压。 调节VCU, ECU, MCU(IPU) 参数来调整发动机扭矩的波动。
16、EV：纯电动模式 Charge：发动机给电池充电 Auto：自动模式 4 能量切换（混动车）引起的噪声与振动 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 23 23 目录 一电动车NVH特征 二动力传动系统NVH特征及控制 三特殊工况下的NVH特征及控制 四驾驶乐趣、法规的挑战与主动发声 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 24 掩蔽效应：当两个声音A和B同时出现时，声音A把声音B掩盖了，即只能听到声音A，或者声音A很强而声音B很弱。 掩蔽效应的大小：取决于两个声音的频率成分和出现的时间关系 频率掩蔽 宽频掩蔽（或白噪声掩蔽） 窄频掩蔽 单音掩蔽 时间掩蔽 0
17、20 40 60 20 50 100 200 500 1000 10000 20000 2000 5000 频率/Hz 80 声压级 dB 100dB 80dB 60dB 40dB 20dB 1 声音掩盖效应 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 25 动力系统的声品质动力系统的声品质 0 Hz 100 Hz 250 Hz 1000 Hz 5000 Hz 10000 Hz 60km/h 100km/h 路面及轮胎噪声路面及轮胎噪声 风噪风噪 电机驱动噪声 路噪 风噪 电机啸叫 压缩机啸叫 减速器啸叫 水泵啸叫 主要噪声源 没有规律性 声品质差 噪声源特征 2 电动车声音掩盖特
18、征 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 26 012345678愉悦感 奢华感 舒适感 动力感 运动感 兴奋感 刺激感 驾驶乐趣 敏捷感 安静感 声品质精细感 自由驾驶感 声品质：人对一种声音所具有的独特听觉感受，而且这种声音是与其他声音不同。 动力声品质：舒适感、豪华感、运动感 频率、阶次、转速成分决定了三类动力声品质： 频率频率(Frequency)：低频给人以力量和动力的感觉，高频给人明亮与兴奋的感觉 阶次阶次(Order)：单纯的发火阶次给人舒适感，而半阶次给人运动感 转速转速(Speed)：舒适型驾驶和动力型驾驶通常是在低速和中速部位，而运动感会到高转速部位 Pl
19、easant（愉悦感） Luxurious（奢华感） Comfortable （舒适感） Powerful （动力感） Sporty （运动感） Aggressive （刺激感） Exciting（兴奋感） Fun to Drive（驾驶乐趣） Spirited （敏捷） Effortless(自由驾驶感） Quiet（安静） Refined （声音精致） Annoying（烦恼） Bland（平淡无奇） Uncomfortable（不舒适） Weak（动力不足） Conservative （保守感） Subdued(压抑感受) Boring（乏味） Laborious to Drive(驾驶
20、疲乏) Dull（迟钝） Strained（紧张感受） Loud（吵闹） Harsh （声音粗燥） 3 动力声品质与驾驶乐趣 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 27 油门 车速 电机转速 控 制 器 车内音响 声音库 舒适型 运动型 超跑声 长安发动机 定制 利用掩蔽效应，掩盖电动车的高频啸叫利用掩蔽效应，掩盖电动车的高频啸叫 模拟发动机声音，掩蔽电机啸叫、主减啸叫等异常声音。 满足内燃机声音需求满足内燃机声音需求 符合内燃机声音的预期，满足客户对传统车内声音的需求 舒适型舒适型 运动感运动感 超跑声超跑声 长安长安 定制定制 ECU 仪表板仪表板 在自定义控制器上选择声
21、音模式按钮 踩踏板加速 ECU根据油门踏板及车速计算声音信号 车内喇叭发出相应的声音 4 车内主动发声系统 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 28 车外警示音: 新能源车：车外警示音声品质控制 行人安全： 电动车象幽灵一般，让行人恐怖 法规： 美国：NHTSA美国国家公路交通安全局 OICA/EU/ISO： 安静车法规Quiet Road Transport Vehicles (QRTV) NHTSA: 从 2019年9月1日起，所有市场上售卖的电动车在速度每小时低于18.6英里(约合30 千米/小时)的情况下，必须自动发出噪音以提醒行人。 5 车外主动发声：行人安全与法规 庞剑：电动车传动系统庞剑：电动车传动系统NVH特征特征 29 29 谢 谢！
