高性能電驅動系統NVH實驗室工藝設計

馮旭翀 劉 淵 鄧劍波

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

0 引言

電驅動系統的NVH（Noise、Vibration、Harshness）測試主要指的是電驅動系統的噪聲、振動和結構強度的測試，目前國內電驅動系統的NVH測試方法主要參考QC/T 1132—2020[1]和GB/T 18488.2—2015[2]進行。而電驅動系統NVH測試的結果與以下因素有關系：

（1）被測電機本體參數，包括電機的極對數、齒槽數、電機殼體與電機轉軸的固有共振頻率等；

（2）電機控制器的開關頻率；

（3）電驅動系統測試臺架及半消聲室產生的背景噪聲等；

（4）麥克風、聲學電纜等測量儀器的測試精度等。

因此，一個性能優異的電驅動系統NVH實驗室可以為電驅動系統NVH測試提供一個良好的測試環境，協助研發工程師迅速定位NVH問題產生的根本原因。本文將重點討論如何進行電驅動NVH實驗室的工藝設計。

1 電驅動系統NVH測試流程介紹

電驅動系統NVH測試流程如下：

（1）首先需準備好電機及電機控制器（以下簡稱電驅動系統）NVH測試所需要的測量儀器及設備，包括且不限于高性能電驅動系統臺架、半消聲室、數據采集儀、麥克風、加速度傳感器、絕緣低噪聲電纜、CAN信號采集電纜、風球、噪聲和振動校準器等；

（2）準備NVH測試用的電驅動系統測試臺架和半消聲室，保證臺架及半消聲室所產生的背景噪聲至少比電驅動系統所產生的噪聲低10 dB[3]；

（3）保證高性能電驅動系統測試臺架以及麥克風等聲學測量設備正常運行，并符合GB/T 6882—2016[4]中11.5的1級精度要求；

（4）保證電驅動系統在電動和發電狀態下的峰值扭矩、峰值功率、持續扭矩、持續功率滿足設計要求；

（5）參考QC/T 1132—2020附錄B，在電驅動系統周邊的指定位置進行麥克風和振動傳感器測量點的布置；

（6）讓電驅動系統運行在試驗大綱要求的試驗工況下，并用數據采集軟件記錄噪聲及振動測試數據；

（7）對電驅動系統噪聲及振動數據進行階次分析，試驗結束。

2 電驅動系統NVH實驗室建設方案對比

根據調研分析，本文對現有的三種主流電驅動NVH實驗室建設方案進行了性能對比。

如圖1所示，方案A的結構形式是電驅動系統的安裝端面為反射面，其余墻面均為安裝了吸聲材料的自由聲場。該結構的特點是：

圖1 電驅動系統NVH實驗室建設方案A

（1）其聲學材料主要采用非對稱吸聲結構或寬頻復合共振板吸聲結構；

（2）由于電驅動系統的安裝端面為反射面，沒有安裝吸聲材料，故電驅動系統測試臺架傳動軸系可采用短軸形式，傳動軸系整體長度不超過1.0 m，臺架的峰值轉速可達到20 000 r/min，可滿足高性能電驅動系統的NVH測試和動態響應測試需求；

（3）半消聲室的建設尺寸最小，建設成本最低。

如圖2所示，方案B的結構形式是半消聲室的反射面為半消聲室的地面，其余墻面均為安裝了吸聲材料的自由聲場。該結構的特點是：

圖2 電驅動系統NVH實驗室建設方案B

（1）其聲學材料既可以采用尖劈吸聲結構，也可以采用寬頻復合共振板吸聲結構；

（2）由于電驅動系統的測量中心為半消聲室的中心位置，因此電驅動系統測試臺架需采用碳纖維長軸形式，臺架的整體傳動軸系需達到2.0 m以上，傳動軸系的一階模態共振轉速為16 000 r/min，故臺架的峰值轉速不能超過16 000 r/min，不能滿足高性能電驅動系統的測試需求；

（3）半消聲室的建設尺寸最大，建設成本最高。

如圖3所示，方案C的結構形式是半消聲室的反射面為實驗室的地面，電驅動系統的安裝端面為無聲學材料的楔形結構，其余墻面均為安裝了吸聲材料的自由聲場。該結構的特點是：

圖3 電驅動系統NVH實驗室建設方案C

（1）由于受聲學結構限制，聲學材料只能采用寬頻復合共振板吸聲結構；

（2）電驅動系統的聲學測量中心為半消聲室的中心位置，但由于電驅動系統的安裝端面不能安裝聲學材料，需對該部分的背景噪聲和環境噪聲進行參數修正，對聲學測量精度有一定影響；

（3）臺架的整體軸系不超過1.0 m，臺架的峰值轉速可達到20 000 r/min，既可滿足高速電驅動系統的NVH測試需求，也可滿足電驅動系統的動態響應測試需求；

（4）半消聲室的建設尺寸中等，建設成本中等。

綜合考慮聲學性能指標、臺架性能指標、實驗室的建設成本等因素，最終選擇方案A作為本次高性能電驅動系統NVH實驗室的建設方案。

3 電驅動系統NVH實驗室工藝參數確定

本文中的半消聲室參數需滿足GB/T 3767—2016[5]中使用半球法測量電驅動系統聲功率的測試需求。考慮新能源電驅動系統的噪聲頻率多為500～7 000 Hz的高頻率單調音，同時參考QC/T 1132—2020中第4.1.2條建議的測試頻率范圍為中心頻率100～20 000 Hz（1/3倍頻帶），考慮一定的測量余量，本文中的半消聲室噪聲測量截止頻率選擇為63 Hz。

背景噪聲確定，半消聲室在所有設備停止工作時的背景噪聲為20dB（A），僅開啟空調時背景噪聲為25dB（A）。參考QC/T 1132—2020中第4.2條表2內容，測試方法為1級精度的半球法，ΔL≥10 dB。通過選取合適的電驅動系統總噪聲平均值，可以計算出電驅動系統測試臺架在各位置各轉速下的背景噪聲限值要求。電驅動系統測試臺架噪聲限值測試麥克風布置如圖4所示，具體噪聲限值如圖5所示。

圖4 電驅動系統測試臺架噪聲限值測試麥克風布置圖（俯視圖）

圖5 電驅動系統測試臺架在各轉速下的背景噪聲限值要求

半消聲室自由場半徑確定，參考GB/T 6882—2016[5]中8.2的相關要求，測量半徑r≥λ/4和0.75 m中的較大者，其中λ為聲波波長，由于半消聲室的最低測量頻率為63 Hz，由公式λ=c/f（c為聲波在空氣中的傳播速度，f 為聲波頻率）可得其聲波波長λ=c/f=（340 m/s）/63 Hz≈5.4 m，測量半徑r≥λ/4=5.4 m/4=1.35 m，考慮一定的測量余量，取半消聲室的自由場半徑r=1.5 m。

半消聲室自由聲場測得的聲壓級與平方反比定律理論值的最大允許偏差確定，參考GB/T 6882—2016以及歐洲主流主機廠的半消聲精度測量標準，確定其自由場偏差如下：在中心頻率≤630 Hz時，自由聲場的允許偏差≤±1.5 dB；在中心頻率＞800 Hz時，自由聲場的允許偏差≤±1.0 dB。

半消聲室隔振參數確定，半消聲室周邊的其他設備振動源會對聲學測試精度造成一定影響，如測功機間運行中的電驅動系統測試臺架等設備。為了隔斷其他設備通過地面傳來的振動，半消聲室需置于隔振系統之上，隔振系統的固有頻率需≤10 Hz，隔振效率≥95%，減振結構產生彈性形變的載荷范圍應該比較寬，最大可用載荷應是最小可用載荷的5倍。

半消聲室的內部尺寸確定，參考GB/T 3767—2016的相關標準要求，有以下4條原則：

（1）最低的1/3倍頻程中心頻率為63 Hz的半消聲室，其半消聲室的最小體積應≥200×聲源體積[6]，本文中測試的電驅動系統體積≤0.22 m3；

（2）為了減少頻率簡并對半消聲室聲場均勻性的影響，半消聲室內房的長寬高尺寸比例應不規則；

（3）半消聲室的最長限度Imax≤1.9 V1/3；

（4）考慮半消聲室存在回聲調制問題，需借助計算機輔助設計軟件，對半消聲室內的聲學模態進行抑制。

綜合考慮以上4點原則，可以計算出本文中半消聲室的內房最優尺寸為長×寬×高=4.9 m×7.5 m×7.1 m。

高性能電驅動系統測試臺架組成及關鍵參數確定，臺架主要由永磁同步測功機、變頻柜、扭矩傳感器、測功機隔音降噪裝置、高速傳動軸系、電池模擬器、電驅冷卻液溫控系統以及臺架上位機控制軟件組成。考慮未來電驅動系統往高轉速、高電壓平臺、高功率密度、高度集成化、高動態響應方向發展，最終確定本文中的臺架的峰值穩定轉速為20 000 r/min，額定扭矩為500 N·m，臺架的轉速控制精度為±1 r/min，臺架的轉速響應能力為8 000 r/s。

4 結語

本文通過對比不同結構形式的電驅動系統NVH實驗室的聲學性能指標、臺架性能指標、實驗室的建設成本等維度，最終選擇方案A作為本文中高性能電驅動系統NVH實驗室的建設方案。然后對電驅動系統NVH實驗室的主要工藝參數指標進行了計算，最終確定了半消聲室及高性能電驅動系統測試臺架的主要參數指標，為高性能電驅動系統NVH實驗室的建設以及電驅動系統NVH系統測試夯實了基礎。