一種A00純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)集成橋系統(tǒng)的NVH優(yōu)化

陳茜兵，程仁恒，陳龍崗，王棟

奇瑞商用車(chē)(安徽)有限公司,安徽蕪湖 241000

0 引言

目前純電動(dòng)乘用車(chē)采用前驅(qū)或后驅(qū)布置，在后驅(qū)中大部分是半軸懸置結(jié)構(gòu)。通過(guò)兩個(gè)半軸三點(diǎn)懸置固定，屬于彈性體結(jié)構(gòu)。然而在純電動(dòng)城市物流車(chē)中，尤其是2.5～3.5 T領(lǐng)域，采用的是Y型集成橋后驅(qū)后置方案，是電機(jī)與后橋集成以橋包的形式體現(xiàn)減速器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)一端與后橋橋包對(duì)接固定，另一端通過(guò)支架板固定在后橋上，屬于非彈性體結(jié)構(gòu)，其振動(dòng)等級(jí)可達(dá)到約11g加速度，然而其控制器是通過(guò)支架固定在車(chē)身上，因而加速度較小，一般在3.0～4.5g。由此可見(jiàn)，非彈性體設(shè)計(jì)非常嚴(yán)苛，對(duì)系統(tǒng)要求較高。目前在售的五菱宏光miniEV是一款微型A00級(jí)乘用車(chē)，根據(jù)目前公開(kāi)的信息，也是采用后置后驅(qū)Y型集成橋方案。這類(lèi)車(chē)輛特點(diǎn)在于車(chē)長(zhǎng)普遍在3 m左右，在沒(méi)有隔音或聲學(xué)包的作用下，很難提升整車(chē)NVH品質(zhì)，其噪聲、嘯叫等方面明顯體驗(yàn)較差。主要有如下特性，階次特征：電機(jī)階次、 電控階次、 減速器階次；頻率特征： 以高頻為主，并通過(guò)電流諧波耦合；噪聲特征： 高頻嘯叫。

本文基于Y型集成橋方案搭載應(yīng)用A00級(jí)車(chē)輛進(jìn)行整車(chē)主觀質(zhì)量AUDIT評(píng)價(jià)中，出現(xiàn)主觀噪聲評(píng)價(jià)扣分項(xiàng)目，如蠕行0～6 km/h、高速行駛70 km/h左右出現(xiàn)較高的噪聲和嘯叫等現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)其工作工況及臺(tái)架和整車(chē)的測(cè)試分析，鎖定發(fā)生問(wèn)題的原因，對(duì)比測(cè)試排查，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制器載頻的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，可以達(dá)到較好的效果。

1 NVH特性及原理分析

NVH是噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度(noise、vibration、harshness)的英文縮寫(xiě)，通過(guò)頻率段、聲壓級(jí)及音質(zhì)、振幅等進(jìn)行振源考核，通過(guò)路面對(duì)駕駛者進(jìn)行不舒適的路面激勵(lì)反應(yīng)評(píng)價(jià)改進(jìn)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)。

其噪聲來(lái)源點(diǎn)：氣隙中的變換磁場(chǎng)使得磁密度發(fā)生變化，產(chǎn)生了電磁力，取決于氣隙形狀、 齒槽形狀等；交變電磁力作用在定子齒槽上，產(chǎn)生電磁力，在永磁同步PMSM(permanent-magnet synchronous motor)系統(tǒng)中，存在徑向力及切向力，其中徑向分量占比較大，影響很大，一般徑向電磁力施加到定子齒槽上，結(jié)合齒槽轉(zhuǎn)矩影響，使得定子振動(dòng)而發(fā)出噪聲嘯叫。

本文采用Y型集成橋方案，橋包內(nèi)齒與齒間加工精度，正反齒等嚙合及軸承與軸結(jié)構(gòu)耦合傳動(dòng)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)及非彈性體的支架板固定，支架板直接通過(guò)螺栓方式連接固定在后橋上面，隨著車(chē)輛行駛工況振動(dòng)與隨機(jī)沖擊，電機(jī)端面配合公差傳遞并放大系統(tǒng)誤差，在內(nèi)外部激勵(lì)共同作用下產(chǎn)生嘯叫，由控制轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的脈動(dòng)可以形成抖動(dòng)、異響等。根據(jù)麥克斯韋張量法[1]，徑向電磁力可用公式進(jìn)行描述：

(1)

式中:θ、t分別為磁場(chǎng)空間角度和時(shí)間;u0為磁導(dǎo)率;B(θ，t)為磁密。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]對(duì)徑向力的研究，對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)存在48槽電機(jī)結(jié)構(gòu)，有對(duì)8和16階數(shù)，其產(chǎn)生的頻率與f有關(guān)，有6倍、8倍、10倍、14倍、16倍、24倍等、密度表達(dá)式為：

(2)

式中：Ppm為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁力密度;Psf為定子磁場(chǎng)磁力密度;Ppm-s為Ppm與Psf共同作用產(chǎn)生，由磁場(chǎng)中氣隙產(chǎn)生。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]可知，在氣隙增大時(shí)，其磁密呈下降趨勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算公式為：

(3)

式中：Ei為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);N為導(dǎo)體數(shù);f為頻率;Ψ為磁鏈;Φm為磁通。

由于永磁體磁鏈Ψf不變，勵(lì)磁磁勢(shì)需要通過(guò)開(kāi)關(guān)頻率f和直軸電流id增加及交軸電流iq變化實(shí)現(xiàn)控制[4]，其磁密減少，電機(jī)磁極的角度有所不同時(shí)，其平均氣隙磁密也必然發(fā)生相應(yīng)的變化。轉(zhuǎn)子磁極在斜極時(shí)[5]，通過(guò)等效直極在軸向形成不均勻分布，進(jìn)行等效求和，改變并調(diào)整斜極位置角度及極弧數(shù)等參數(shù)，在小于直極下，對(duì)5次和11次等諧波進(jìn)行抑制，并驗(yàn)證斜極角度及段數(shù)的合理性。

設(shè)計(jì)極對(duì)數(shù)P=4，槽48，徑向電磁力可通過(guò)定子槽產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩、不同載荷狀態(tài)下影響到氣隙磁場(chǎng)激勵(lì)產(chǎn)生，對(duì)載頻存在分倍影響，另由于永磁同步PMSM采用的是插入式凸極方案，其d-q軸的Ld和Lq不相等，d-q軸的磁阻也不相同[6]，Ld和Lq分別為d、q軸電感。其電磁轉(zhuǎn)矩、電壓方程[7]、磁鏈[7]的計(jì)算公式分別為：

(4)

(5)

(6)

(7)

Ψs=Lsis+Ψf

(8)

式中：Te為轉(zhuǎn)矩;Ud、Uq為d-q軸電壓；Us為定子電壓；id、iq、Ld、Lq為d-q軸電流和電感；Rs為定子電阻；is為Rs的電流；Ls為定子自感包括漏感和勵(lì)磁電感；Ψs為定子磁場(chǎng)磁鏈；Ψf為永磁體磁鏈。

在轉(zhuǎn)子到達(dá)最高位置時(shí)出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩，此時(shí)Te的q軸上獲得最大值，采用MTPA最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，使得定子電壓Us電壓上升，由于Ψf磁鏈為恒值，需要通過(guò)定子電感Ls、定子電流is來(lái)改變，通過(guò)定子電壓Us發(fā)波來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)PWM波形，在換相及id和iq的d-q軸電流曲線與轉(zhuǎn)矩PID比例積分調(diào)節(jié)中會(huì)帶來(lái)諧波產(chǎn)生，影響到電流的脈沖和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在轉(zhuǎn)子基速值ωrb到達(dá)Usmax最大時(shí)，其計(jì)算公式為：

(9)

式中：Usmax為定子電壓達(dá)到Us允許最大值;Lf為永磁體勵(lì)磁等效電感;if為其通過(guò)電流。

由于凸極磁場(chǎng)，氣隙不均勻，在磁勢(shì)和磁導(dǎo)的影響下，諧波次數(shù)與P極對(duì)數(shù)有關(guān)，定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在徑向力諧波磁場(chǎng)影響下，與階次及力波幅值有關(guān)，所以，在蠕行至高速行駛外特性曲線過(guò)程中，d軸電流id=0控制及d-q軸電流id和iq同時(shí)控制定子電流is時(shí)，高速時(shí)載頻發(fā)波PWM和永磁體結(jié)構(gòu)尤其斜極角度對(duì)氣隙形狀狀態(tài)影響非常明顯。如圖1所示，因控制轉(zhuǎn)矩問(wèn)題存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，而導(dǎo)致主觀駕駛出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象。

圖1 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

本文討論的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)

后驅(qū)集成Y型橋基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 后驅(qū)集成Y型橋基本參數(shù)

2 噪聲機(jī)制分析

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要表現(xiàn)為：①在低速蠕行0～6 km/h緩慢自由行駛、6 km/h車(chē)速勻速狀態(tài)存在嘯叫，噪聲較為明顯;②全油門(mén)加速工況(wide-open throttle，WOT)狀態(tài)高轉(zhuǎn)速區(qū)間噪聲較大，0～70 km/h加速過(guò)程中96、8階次電磁噪聲偏大。

上述工況定義如下：WOT工況，在整車(chē)由待機(jī)狀態(tài)全油門(mén)100%加速至100 km/h;蠕行工況，是整車(chē)在靜止?fàn)顟B(tài)下，由踩制動(dòng)到松開(kāi)直至車(chē)輛達(dá)到最大蠕行轉(zhuǎn)矩和最高車(chē)速的過(guò)程。

2.1 測(cè)試分析

針對(duì)問(wèn)題點(diǎn)進(jìn)行臺(tái)架和整車(chē)復(fù)測(cè)，具體如下：

(1)整車(chē)NVH對(duì)比測(cè)試。主要對(duì)測(cè)試目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)合格車(chē)輛及NVH問(wèn)題整車(chē)AUDIT評(píng)審車(chē)輛進(jìn)行對(duì)比分析，并采集電流波形進(jìn)行測(cè)試分析。

(2)蠕行工況及加速工況。主要對(duì)驅(qū)動(dòng)單件前后端蓋、本體振動(dòng)進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)試及前后排座椅出噪聲等進(jìn)行布置(圖2)，并對(duì)15 nm(100～1 000 r/min)電流波形記錄抓取。

圖2 測(cè)試布置

2.2 蠕行緩慢行駛

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到蠕行工況下的測(cè)試分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 蠕行工況下的測(cè)試分析結(jié)果

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，在頻率為100 Hz范圍內(nèi)且轉(zhuǎn)速為20～350 r/min時(shí)，整體數(shù)據(jù)對(duì)比相當(dāng)，但是在頻率為300 Hz左右，且轉(zhuǎn)速為100～260 r/min范圍內(nèi)明顯存在異?，F(xiàn)象，頻率計(jì)算公式為：

(8)

由式(8)可以計(jì)算出在轉(zhuǎn)速為200 r/min附近，頻率約320 Hz，從而獲得N=96。因此96階次噪聲需要重點(diǎn)關(guān)注并分析優(yōu)化。

2.3 蠕行加速行駛

對(duì)蠕行加速模式進(jìn)行工況測(cè)試，依據(jù)測(cè)試布置獲得蠕行加速噪聲階次切片，如圖4所示。

圖4 蠕行加速噪聲階次切片

由圖4可以看到，對(duì)AUDIT評(píng)審存在問(wèn)題的裝配布置測(cè)試蠕行加速96階次以及標(biāo)準(zhǔn)合格樣件裝配布置測(cè)試蠕行加速96階次測(cè)試切片進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，在96階次電磁噪聲分別為問(wèn)題點(diǎn)54 dB(A)和34 dB(A)，差異明顯，不滿(mǎn)足需求。

2.4 WOT加速工況

對(duì)WOT工況進(jìn)行測(cè)試，按照AUDIT問(wèn)題件和標(biāo)準(zhǔn)合格件進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試獲取WOT加速工況下后排噪聲測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 WOT加速工況下后排噪聲測(cè)試結(jié)果

由圖5可以看到，上述兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合在整車(chē)后驅(qū)集成橋搭載分別在360 Hz和830 Hz兩個(gè)頻率段附近，都有噪聲放大且處于散狀效果，初步認(rèn)為整車(chē)在此位置處有共振，需要排查系統(tǒng)耦合。

由圖5還可以看到，在2 700 r/min左右，8階次360 Hz噪聲達(dá)到最大為71 dB(A)左右，AUDIT問(wèn)題樣車(chē)在2 000 r/min 24階次830 Hz 附件出現(xiàn)較大噪聲約70 dB(A),兩者基本相當(dāng)。在1 000 r/min附件48階次830 Hz，出現(xiàn)大的維持，標(biāo)準(zhǔn)合格樣車(chē)反而較大，此時(shí)AUDIT問(wèn)題樣車(chē)出現(xiàn)偏小，約65 dB(A)。

2.5 電流波形測(cè)試

根據(jù)上述整車(chē)布置及測(cè)試來(lái)看，兩種驅(qū)動(dòng)狀態(tài)在整車(chē)搭載情況下出現(xiàn)了較大差異。通過(guò)對(duì)階次噪聲分析，主要在8階次、24階次、48階次、96階次等，觀察頻率段出現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)蠕行轉(zhuǎn)速如200 r/min，有時(shí)轉(zhuǎn)速甚至達(dá)到上千，按照70 km/h換算轉(zhuǎn)速在5 500 r/min 附近，因此需要對(duì)電流控制波形進(jìn)行測(cè)試，觀察波形正弦對(duì)極尖峰紋等情況。

基于上述分析，在臺(tái)架上對(duì)兩種整車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，結(jié)果顯示，臺(tái)架上已經(jīng)脫離了驅(qū)動(dòng)集成Y型橋的耦合。電流測(cè)試波形如圖6所示。通過(guò)對(duì)AUDIT評(píng)審問(wèn)題樣件與標(biāo)準(zhǔn)合格樣件的波形進(jìn)行對(duì)比，可以明顯看出圖6b的正弦度較差，且有尖峰毛刺。

圖6 電流測(cè)試波形

完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)端的噪聲排查后，對(duì)控制器進(jìn)行控制及載頻核查，通過(guò)對(duì)48階次數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，AUDIT問(wèn)題樣車(chē)對(duì)應(yīng)的控制器開(kāi)關(guān)頻率較低約3 800 Hz，其諧波范圍為傘狀曲線，與48階次頻率范圍交叉重合，并與轉(zhuǎn)速3 000～5 500 Hz范圍對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián);在標(biāo)準(zhǔn)合格整車(chē)搭載，控制器頻率較高約6 700 Hz，與諧波范圍48階次無(wú)關(guān)聯(lián)重合，如圖7所示。

圖7 載頻對(duì)應(yīng)測(cè)試結(jié)果

由圖7可以看到，兩種載頻存在差異，具體見(jiàn)表3和表4，從低速到高速整個(gè)開(kāi)關(guān)頻率范圍不同。

表3 標(biāo)準(zhǔn)合格樣車(chē)的頻率分段

表4 AUDIT樣車(chē)的頻率分段評(píng)審問(wèn)題

上述頻率分段后，對(duì)控制器進(jìn)行了更新，更新后的噪聲分布得到了優(yōu)化，改善效果顯著。

3 載頻及分段斜極分析

3.1 載頻

目前采用的是SVPWM，隨著驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性的變化匹配整車(chē)行駛工況，快速的開(kāi)關(guān)脈沖能力也會(huì)導(dǎo)致很高的諧波信號(hào)，這些信號(hào)在系統(tǒng)回路里面產(chǎn)生振蕩電流觸發(fā)磁場(chǎng)形成，影響信號(hào)傳遞并帶來(lái)諧波噪聲，通過(guò)PWM發(fā)波實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)變載頻控制，基于動(dòng)態(tài)解耦的載波比控制電流技術(shù)匹配隨機(jī)PWM周期值變化，分散系統(tǒng)噪聲頻譜分布顯得特別重要，通過(guò)零矢量隨機(jī)分布和脈沖位置分布，提升PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)隨機(jī)載頻效果，改善控制系統(tǒng)控制及諧波抑制能力，使得系統(tǒng)噪聲品質(zhì)達(dá)到可以感受并接受的狀態(tài)。

基于上述控制器軟件載頻發(fā)波控制策略差異，對(duì)控制器進(jìn)行了更新，更新后的噪聲分布得到了優(yōu)化，改善效果明顯。階次改善前后對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 階次改善前后對(duì)比結(jié)果

3.2 分段斜極

針對(duì)采用的轉(zhuǎn)子方案分段V斜極進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后3段2.5°+5°V斜極，進(jìn)行起步蠕行工況和WOT加速行駛，其中蠕行工況覆蓋0～6 km/h，加速行駛工況覆蓋蠕行0～5 500 r/min工況，按照4 Hz分辨率及階次分析帶寬2進(jìn)行優(yōu)化測(cè)試，48階噪聲在200～350 r/min稍差，96階噪聲有明顯改善，基本消除96階噪聲，整車(chē)效果改善明顯。改善后分段斜極測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 改善后分段斜極測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)后驅(qū)集成橋帶來(lái)的NVH設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行主觀駕駛感知和臺(tái)架及整車(chē)測(cè)試，并進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化分析。通過(guò)理論分析方法對(duì)控制器的策略控制載頻進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)子磁極分段設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)施，改善徑向力和高頻特性對(duì)NVH的影響，提升了主觀駕評(píng)效果，為后續(xù)驅(qū)動(dòng)集成橋-Y型橋平臺(tái)化方案提供了分析基礎(chǔ)，降低了整車(chē)開(kāi)發(fā)成本。