基于定置工況下的純電動汽車子系統(tǒng)噪聲振動控制方法

段德虎

（大運(yùn)汽車股份有限公司，山西 運(yùn)城 044000）

純電動汽車子系統(tǒng)噪聲和振動是指空調(diào)系統(tǒng)開啟后，電子風(fēng)扇、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)聯(lián)動工作表現(xiàn)出的車內(nèi)噪聲振動。對燃油車而言，發(fā)動機(jī)引起的車內(nèi)響應(yīng)不僅可以遮蔽掉子系統(tǒng)的噪聲和振動，并且駕乘人員對發(fā)動機(jī)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(tǒng)在恒定轉(zhuǎn)速工作時表現(xiàn)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(tǒng)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(diǎn)等[2]分別通過增加壓縮機(jī)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(jī)和外殼體隔振降低鼓風(fēng)機(jī)的電磁噪聲；劉鐵軍等[4]發(fā)現(xiàn)電子風(fēng)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(fēng)扇安裝襯套的硬度和安裝襯套的安裝方式；金明等[5]經(jīng)過試驗(yàn)研究表明，電動壓縮機(jī)不但需要避開其他激勵源的轉(zhuǎn)頻，同時也需要避開本體的剛體模態(tài)。目前行業(yè)對純電動子系統(tǒng)聯(lián)動工作時的車內(nèi)振動噪聲問題研究較少，缺少系統(tǒng)性的解決調(diào)教方案。本文以某款純電動車的子系統(tǒng)噪聲開發(fā)調(diào)教為例，從子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制策略方面，介紹純電動汽車子系統(tǒng)噪聲和振動的控制方法。

1 建立客觀避頻矩陣

1.1 鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)噪聲水平控制

本文闡述的控制方法關(guān)鍵點(diǎn)其一是以鼓風(fēng)機(jī)充當(dāng)遮蔽聲源，遮蔽壓縮機(jī)子系統(tǒng)工作時的噪聲。因此，首先要鎖定鼓風(fēng)機(jī)各擋位下滿足主機(jī)廠噪聲目標(biāo)的工作轉(zhuǎn)速，然后在此基礎(chǔ)上確定壓縮機(jī)子系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速的區(qū)間。鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)擋位轉(zhuǎn)速確定方法有以下幾種。

1.1.1 鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)噪聲目標(biāo)制定

以主機(jī)廠某款純電動汽車開發(fā)為例，本車型性能大綱制定鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)最低擋噪聲目標(biāo)為39 dB(A)，最高擋噪聲目標(biāo)為64 dB(A)。本車型鼓風(fēng)機(jī)共有8 個擋位，參考數(shù)據(jù)庫中各車型鼓風(fēng)機(jī)擋位噪聲實(shí)測值的排列情況，測試工況為吹面、內(nèi)循環(huán)；測點(diǎn)為駕駛員右耳；噪聲單位為dB(A)，采取線性插值的方式補(bǔ)全中間擋位的噪聲目標(biāo)，插值微調(diào)后的鼓風(fēng)機(jī)各擋位目標(biāo)如表1 所示。由表1 可知，哈佛、MG 和本車型鼓風(fēng)機(jī)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(yōu)于這兩款車?？紤]到供應(yīng)商水平、車型定位和性能大綱最終采用表1 中各擋位目標(biāo)值作為本車型鼓風(fēng)機(jī)噪聲目標(biāo)，其他主機(jī)廠開發(fā)時，可以制定符合其性能指標(biāo)的目標(biāo)值。

表1 鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)噪聲目標(biāo)設(shè)定 單位：dB(A)

1.1.2 鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)噪聲測試及目標(biāo)轉(zhuǎn)速標(biāo)定

標(biāo)定基本原理為鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)噪聲隨電機(jī)轉(zhuǎn)速升高而變大，電機(jī)轉(zhuǎn)速與外接電源的電壓值呈線性關(guān)系。因此，可以通過改變外接電源的電壓值從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時帶來鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)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(jiān)測鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)電機(jī)端振動傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速（1 階動不平衡量換算得出）和車內(nèi)麥克風(fēng)的噪聲水平，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)噪聲值達(dá)到設(shè)定的擋位噪聲目標(biāo)時，記錄此時的鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。標(biāo)定原理如圖1 所示。

圖1 標(biāo)定原理圖

某款純電動汽車鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)各擋位目標(biāo)噪聲所對應(yīng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速結(jié)果如表2 所示，其測試工況為吹面、內(nèi)循環(huán)；測點(diǎn)為駕駛員右耳、鼓風(fēng)機(jī)端蓋。至此初步鎖定鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)各擋位的工作轉(zhuǎn)速和所需要的工作電壓。后續(xù)利用聲音的掩蔽效應(yīng)，鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)工作噪聲遮蔽空調(diào)壓縮機(jī)的工作噪聲，從而確定鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)各擋位下空調(diào)壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速的上限值。

表2 鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)噪聲標(biāo)定結(jié)果

1.2 壓縮機(jī)、電子風(fēng)扇子系統(tǒng)噪聲振動測試

本文闡述的控制方法關(guān)鍵點(diǎn)其二是通過客觀掃頻測試、方向盤和壓縮機(jī)系統(tǒng)模態(tài)測試方式，確定客觀上不達(dá)標(biāo)、需要避開子系統(tǒng)模態(tài)頻率的轉(zhuǎn)速區(qū)間。結(jié)合1.1 小節(jié)中鎖定的鼓風(fēng)機(jī)擋位轉(zhuǎn)速，輸出客觀避頻矩陣，詳細(xì)方法如下：

1.2.1 方向盤和壓縮機(jī)本體頻響測試

對方向盤和壓縮機(jī)本體進(jìn)行頻響測試，得到方向盤X、Y向模態(tài)為27 Hz，Z向模態(tài)為33 Hz，如圖 2 所示。對應(yīng)子系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速分別為1 620 r/min、1 980 r/min，得到壓縮機(jī)本體X向模態(tài)為37 Hz，Z向模態(tài)為54.69 Hz，如圖3 所示，對應(yīng)子系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速分別為2 220 r/min、3 280 r/min，后續(xù)對子系統(tǒng)掃頻測試需要重點(diǎn)關(guān)注這些轉(zhuǎn)速。如果有共振問題導(dǎo)致車內(nèi)響應(yīng)變大，需要進(jìn)行避頻處理或采用文獻(xiàn)[1-4]方案進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 方向盤頻響函數(shù)

圖3 壓縮機(jī)本體頻響函數(shù)

1.2.2 電子風(fēng)扇掃頻測試

采用行業(yè)常規(guī)的噪聲測試方式，在駕駛員右耳布置麥克，在座椅導(dǎo)軌、方向盤12 點(diǎn)、電子風(fēng)扇本體上布置振動傳感器，通過外接穩(wěn)壓電源的方式控制電子風(fēng)扇端電壓，從而控制電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化。電子風(fēng)扇布置的振動傳感器監(jiān)測電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，每隔100 r/min 對電子風(fēng)扇做升速掃頻測試，原理圖可以參考鼓風(fēng)機(jī)噪聲標(biāo)定，工況為整車靜止、AC、OFF；測點(diǎn)為駕駛員右耳、方向盤12 點(diǎn)。某款純電動車的電子風(fēng)扇測試結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 電子風(fēng)扇掃頻測試駕右聲壓級

圖5 電子風(fēng)扇掃頻測試方向盤振動

依據(jù)主機(jī)廠制定的性能大綱和二級目標(biāo)，電子風(fēng)扇低速擋車內(nèi)駕右噪聲目標(biāo)為 37 dB(A)，高速擋車內(nèi)駕右噪聲目標(biāo)為 45 dB(A)，方向盤振動小于0.3 m/s2?？陀^數(shù)據(jù)表明，電子風(fēng)扇低速擋位可選轉(zhuǎn)速為1 500～1 700 r/min，高速擋可選轉(zhuǎn)速為1 700～2 400 r/min，高速擋避開2 300 r/min，方向盤模態(tài)對應(yīng)的激勵頻率轉(zhuǎn)速對整車影響較小，不需要避頻處理。結(jié)合冷卻系統(tǒng)散熱對電子風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速的需求，綜合評估后得到低速擋轉(zhuǎn)速為1 700 r/min，高速擋轉(zhuǎn)速為2 400 r/min。至此，初步鎖定電子風(fēng)扇的工作目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

1.2.3 電動壓縮機(jī)掃頻測試

在駕駛員右耳布置麥克，在座椅導(dǎo)軌、方向盤12 點(diǎn)、壓縮機(jī)端蓋布置振動傳感器。采用控制變量的方式，將鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)處于1 擋狀態(tài)，電子風(fēng)扇采用標(biāo)定后的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，確保其他子系統(tǒng)的環(huán)境背景噪聲盡量不干擾壓縮機(jī)子系統(tǒng)的測試結(jié)果。設(shè)定測試環(huán)境溫度不低于38 ℃，使空調(diào)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Control Area Network, CAN）信號控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，每隔200 r/min 對壓縮機(jī)做升速掃頻測試，工況為吹面、內(nèi)循環(huán)，鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)1 擋、電子風(fēng)扇最低擋、室溫＞38 ℃；測點(diǎn)為駕駛員右耳、方向盤12 點(diǎn)、壓縮機(jī)本體端蓋。某款車的壓縮機(jī)座椅導(dǎo)軌掃頻最終測試結(jié)果如圖6、圖7 所示。

圖6 壓縮機(jī)座椅導(dǎo)軌振動掃頻測試

圖7 壓縮機(jī)方向盤12 點(diǎn)振動掃頻測試

依據(jù)主機(jī)廠制定的性能大綱和二級目標(biāo)，座椅導(dǎo)軌振動目標(biāo)線為0.04 m/s2，方向盤振動目標(biāo)線為0.3 m/s2。從客觀測試數(shù)據(jù)可以表明，當(dāng)壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速在4 500 r/min 以上時座椅導(dǎo)軌振動突破客觀目標(biāo)線，最高達(dá)到0.068 m/s2；當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)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(biāo)線最高為0.6 m/s2，需要避開壓縮機(jī)本體共振模態(tài)轉(zhuǎn)速3 280 r/min。至此得到客觀上壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對方向盤和座椅導(dǎo)軌振動影響的避頻區(qū)間，壓縮機(jī)子系統(tǒng)噪聲可以利用鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)噪聲進(jìn)行遮蔽處理。

1.3 客觀避頻矩陣

綜合上述鎖定的鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)目標(biāo)噪聲轉(zhuǎn)速（表2），結(jié)合壓縮機(jī)子系統(tǒng)避頻區(qū)間（圖6、圖7）、方向盤和壓縮機(jī)本體頻響測試得到的避頻轉(zhuǎn)速，建立鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)擋位轉(zhuǎn)速和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速聯(lián)動的客觀避頻矩陣，如表3 所示。此矩陣中鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速經(jīng)過標(biāo)定已滿足整車噪聲目標(biāo)要求，唯一變量為空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對車內(nèi)噪聲的影響，后續(xù)可以利用遮蔽效應(yīng)確定符合整車噪聲要求的空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。鼓風(fēng)機(jī)擋位轉(zhuǎn)速和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速聯(lián)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(yīng)

本文闡述的控制方法關(guān)鍵點(diǎn)其三是利用掩蔽效應(yīng)，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(xiàn)象被稱為掩蔽效應(yīng)，掩蔽效果和聲音之間的頻率及聲壓相關(guān)，低頻聲對高頻聲可以產(chǎn)生可觀的掩蔽效應(yīng)，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(fēng)機(jī)噪聲主要頻率成分比壓縮機(jī)低，且駕乘人員對鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲比壓縮機(jī)產(chǎn)生的噪聲更容易接受，因此，將純電動車的鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)作為掩蔽聲源，掩蔽開啟空調(diào)系統(tǒng)后壓縮機(jī)激勵產(chǎn)生的噪聲。

2.2 主觀評價矩陣

基于表3 中鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)噪聲目標(biāo)轉(zhuǎn)速結(jié)果，將鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)擋位與鼓風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速綁定。在鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)每個擋位下，開展壓縮機(jī)子系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速的主觀評價，可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)對壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速差較大的項(xiàng)進(jìn)行免測，減小工作量。主觀評價需綜合對車內(nèi)噪聲和振動進(jìn)行評分，特別是對表3 中問題轉(zhuǎn)速進(jìn)行著重評價，以問題轉(zhuǎn)速為中心，通過增加或減小轉(zhuǎn)速在兩側(cè)進(jìn)行主觀評價，以尋找可接受的替代轉(zhuǎn)速。以鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)擋位為橫坐標(biāo)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為縱坐標(biāo)，主觀評價得分為Z軸，組成主觀評價矩陣，后期輸出子系統(tǒng)控制策略時會依據(jù)實(shí)際情況排除本矩陣主觀小于6分的轉(zhuǎn)速。

評價時需保持室溫＞38 ℃，電子風(fēng)扇位于低擋位，以排除外界激勵源的干擾，并使空調(diào)系統(tǒng)盡可能處于正常工作狀態(tài)。某款車的主觀評價得分矩陣最終評價結(jié)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(guān)鍵點(diǎn)其四是以車內(nèi)溫度差為聯(lián)系變量，將鼓風(fēng)機(jī)擋位轉(zhuǎn)速與壓縮機(jī)實(shí)際工作轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)，確保在每個鼓風(fēng)機(jī)擋位下有多個壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可選擇，盡量滿足不同性能方向的需求，則車內(nèi)溫度差T2為

式中，T1為車內(nèi)溫度傳感器采集到車內(nèi)實(shí)際溫度；T0為乘客設(shè)定的車內(nèi)目標(biāo)溫度，溫度差T2為聯(lián)系變量，將鼓風(fēng)機(jī)擋位轉(zhuǎn)速與壓縮機(jī)實(shí)際工作轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)。以某款純電動汽車為例，首先依據(jù)表3客觀測試避頻矩陣和表4 主觀評價矩陣，輸出鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)各擋位下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍及避頻轉(zhuǎn)速，對問題轉(zhuǎn)速快速通過，然后以溫度差T2為聯(lián)系變量，通過設(shè)定不同T2值，將滿足車內(nèi)噪聲振動要求的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與鼓風(fēng)機(jī)擋位相關(guān)聯(lián)，最后輸出控制策略。既可滿足車內(nèi)振動噪聲要求，同時也有節(jié)能提高續(xù)航的作用。經(jīng)與空調(diào)性能專業(yè)人員確認(rèn)某款純電動汽車子系統(tǒng)詳細(xì)控制策略如表5 所示。電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速采用1.2.2 小節(jié)確定的轉(zhuǎn)速，低擋位為1 700 r/min，高擋位為2 400 r/min。

表5 鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)擋位轉(zhuǎn)速策略

壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速按照表5 執(zhí)行，即可滿足整車對子系統(tǒng)噪聲和振動要求。以車輛定置時電子風(fēng)扇低擋，鼓風(fēng)機(jī)置于5 擋，溫度差T2為3 ℃為例，此時電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1 700 r/min，鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 580 r/min，壓縮機(jī)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，當(dāng)車內(nèi)溫度差T2降低為1 ℃時，壓縮機(jī)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變?yōu)? 200 r/min。上述例子中的子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速經(jīng)過客觀和主觀評價確認(rèn)，均可以滿足車內(nèi)對子系統(tǒng)噪聲振動要求。

4 子系統(tǒng)控制策略驗(yàn)證

以某純電動汽車為例，將表5 中子系統(tǒng)控制策略寫入熱管理控制器中，搭載樣車驗(yàn)證。因?yàn)閴嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速依據(jù)溫度差T2變化而改變，所以將消聲室溫度設(shè)定為38 ℃，車輛設(shè)置內(nèi)循環(huán)、吹面、最冷，使子系統(tǒng)充分發(fā)揮工作性能，以主觀綜合評價為主，結(jié)合客觀輔助測試對子系統(tǒng)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，評價結(jié)果如表6 所示。隨著鼓風(fēng)機(jī)擋位提高，鼓風(fēng)機(jī)工作噪聲對壓縮機(jī)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(jié)果

5 結(jié)論

首先將鼓風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)作為遮蔽激勵源進(jìn)行噪聲目標(biāo)轉(zhuǎn)速標(biāo)定，然后對電子風(fēng)扇、壓縮機(jī)子系統(tǒng)進(jìn)行客觀測試，綜合客觀測試結(jié)果得到子系統(tǒng)客觀避頻矩陣，接著利用聲音的掩蔽效應(yīng)和客觀避頻矩陣進(jìn)行主觀評價得出主觀評價矩陣，最后以溫度差為聯(lián)系變量輸出子系統(tǒng)的控制策略。本文從子系統(tǒng)標(biāo)定轉(zhuǎn)速方向介紹了系統(tǒng)性控制子系統(tǒng)噪聲振動的方法，不同車型子系統(tǒng)裝配、布置、減振結(jié)構(gòu)的差異性對本方法影響較小，具有較高的可復(fù)制性和參考性。