李基芳,付玉成,孫守富,季 祥
(中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司,天津 300399)
噪聲水平是衡量新能源汽車電驅(qū)動(dòng)總成的重要指標(biāo)之一,對(duì)提升新能源汽車的舒適性和品質(zhì)具有重要影響。
電驅(qū)動(dòng)總成一般由控制器、永磁同步電機(jī)和減速器組成,其噪聲主要包括電機(jī)電磁力引起的高頻階次噪聲、減速器齒輪嚙合產(chǎn)生的階次噪聲以及控制器逆變電路脈寬調(diào)制產(chǎn)生的開關(guān)頻率噪聲[1]。上述3類噪聲雖然產(chǎn)生機(jī)理不同,但是具有一個(gè)相同的重要特征:高頻成分能量較高,易使人感到極度不適。對(duì)于高頻噪聲,A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)不能充分反映人對(duì)于噪聲的多維度主觀感覺,聲品質(zhì)評(píng)價(jià)已經(jīng)成為電驅(qū)動(dòng)總成高頻噪聲關(guān)注的重點(diǎn)[2]。
本文從A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和音噪比兩方面評(píng)價(jià)控制器開關(guān)頻率對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成噪聲的影響。
控制器逆變電路大多采用三相橋式正弦脈寬調(diào)制(SPWM)[3],逆變過(guò)程中會(huì)在開關(guān)頻率及其倍數(shù)附近產(chǎn)生一系列諧波電流。諧波電流會(huì)在氣隙磁場(chǎng)中引起高速旋轉(zhuǎn)的空間諧波磁場(chǎng),進(jìn)而對(duì)電磁力的幅值和次數(shù)產(chǎn)生明顯影響,使電機(jī)噪聲變大。尤其當(dāng)電磁力的激勵(lì)頻率和電機(jī)的固有頻率相同或接近時(shí),電機(jī)噪聲將顯著惡化。因此,控制器供電已經(jīng)成為電機(jī)噪聲的主要來(lái)源之一[4]。
上述諧波電流引起的電磁激振力的頻率f可以表示為[5]:
式中:fT——控制器的開關(guān)頻率;f0——電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率;k1、k2——奇偶相反的正整數(shù)。這些激振力作用于電機(jī)定子引起同頻率的開關(guān)頻率噪聲。
噪聲的評(píng)價(jià)最終需要反映人耳對(duì)聲音的感覺,由于人耳對(duì)不同頻率的聲音敏感程度不同,因此對(duì)于聲音的評(píng)價(jià)需要同時(shí)考慮聲音的物理特征和人耳的聽覺特性。
A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)是汽車行業(yè)廣泛采用的噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)之一,通過(guò)對(duì)不同頻率下的聲壓級(jí)進(jìn)行加權(quán),能夠較好地反映人對(duì)噪聲的評(píng)價(jià)。
但是當(dāng)噪聲中某一頻率噪聲較突出時(shí),雖然A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)不大,但是會(huì)使人主觀認(rèn)為聲音刺耳、甚至煩躁[6]。因此對(duì)于這類噪聲既要評(píng)價(jià)其A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)大小,又要關(guān)注聲品質(zhì)。
聲品質(zhì)評(píng)價(jià)包含多種參數(shù),其中音噪比(tone to noise ratio)更加適用于具有多個(gè)相近階次的噪聲評(píng)價(jià)[7]。音噪比定義為單調(diào)音的能量與單調(diào)音所在臨界頻帶內(nèi)的其它噪聲能量的比值,單調(diào)音頻率越高,臨界頻帶范圍越寬。音噪比越大,聲品質(zhì)越差,對(duì)于高于1000Hz的單調(diào)音,音噪比限值為8[8],音噪比超過(guò)8則容音引起人的抱怨。
被測(cè)對(duì)象為永磁同步電機(jī)、減速器及控制器組成的集成式三合一電驅(qū)動(dòng)總成,所以無(wú)法采集相電流。但是根據(jù)前文的分析,開關(guān)頻率噪聲的頻率和大小可以反映開關(guān)頻率及其附近諧波電流的頻率和幅值。
該總成在不同的轉(zhuǎn)速選取的控制器開關(guān)頻率不同,其中電機(jī)轉(zhuǎn)速2500~5200r/min范圍內(nèi)(以下稱之為“低轉(zhuǎn)速段”)開關(guān)頻率為6000Hz、電機(jī)轉(zhuǎn)速5200~8000r/min范圍內(nèi)(以下稱之為“高轉(zhuǎn)速段”)開關(guān)頻率為8000Hz。
測(cè)試在半消聲室內(nèi)進(jìn)行,測(cè)試系統(tǒng)主要包括Siemens SCM2E05數(shù)采、GRAS 46AE傳聲器、Simcenter Testlab測(cè)試分析軟件等。傳聲器分別布置在電驅(qū)動(dòng)總成前、后、左、右、上方,距離總成表面均為1m。圖1為試驗(yàn)照片,傳聲器位于紅色圓圈標(biāo)注位置。
圖1 電驅(qū)動(dòng)總成噪聲測(cè)試照片
測(cè)試工況為電機(jī)額定扭矩由2500r/min加速到8000r/min,A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)(以下簡(jiǎn)稱“聲壓級(jí)”)計(jì)算5個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)的平均值、音噪比只計(jì)算總成前方(電機(jī)在前、減速器在后)1m處測(cè)點(diǎn)的結(jié)果。
圖2是聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速變化的測(cè)試結(jié)果,圖中5200r/min左右出現(xiàn)了明顯的峰值,是由于開關(guān)頻率在該轉(zhuǎn)速下變化引起的。另外低轉(zhuǎn)速段聲壓級(jí)高于高轉(zhuǎn)速段聲壓級(jí)。
圖2 電驅(qū)動(dòng)總成聲壓級(jí)
圖3是噪聲的頻譜圖,即聲壓級(jí)在頻域上的分布,顏色越深表示噪聲越大。由圖3可知,噪聲以電機(jī)和減速器階次噪聲(圖中①所標(biāo)示)、控制器開關(guān)頻率噪聲(圖中②、③所標(biāo)示)為主。其中電機(jī)和減速器階次噪聲基本隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升而升高;而低轉(zhuǎn)速段(②標(biāo)示區(qū)域)的開關(guān)頻率噪聲明顯高于高轉(zhuǎn)速段(③標(biāo)示區(qū)域)的開關(guān)頻率噪聲。
圖3 電驅(qū)動(dòng)總成噪聲頻譜
綜合圖2、圖3,低轉(zhuǎn)速段開關(guān)頻率噪聲對(duì)聲壓級(jí)具有較大的貢獻(xiàn),高轉(zhuǎn)速段開關(guān)頻率噪聲對(duì)聲壓級(jí)貢獻(xiàn)量較小。
圖4是電驅(qū)動(dòng)總成前方1m處測(cè)點(diǎn)的音噪比計(jì)算結(jié)果,顏色越深表示聲品質(zhì)越差??梢娐暺焚|(zhì)問(wèn)題主要集中在開關(guān)頻率附近。
圖4 電驅(qū)動(dòng)總成前方1m測(cè)點(diǎn)音噪比
綜上所述,開關(guān)頻率噪聲對(duì)被測(cè)電驅(qū)動(dòng)總成的聲壓級(jí)和音噪比影響較大,尤其在開關(guān)頻率較低的低轉(zhuǎn)速段內(nèi)。
優(yōu)化控制器引起的開關(guān)頻率噪聲主要通過(guò)提高開關(guān)頻率和隨機(jī)PWM調(diào)制開關(guān)策略兩種方法[9]。
開關(guān)頻率提高,控制過(guò)程的周期變小,電流的變化幅度減小,因此開關(guān)頻率及其倍頻附近的諧波電流減小,從而降低開關(guān)頻率噪聲。但是受限于控制器的物理特性,開關(guān)頻率不能隨意提高,提高開關(guān)頻率會(huì)引起控制器功率損耗增加、壽命降低。因此控制器開關(guān)頻率的選擇需要綜合考慮可靠性、成本、功率損耗、噪聲等因素,而且它們之間一般是相互矛盾的[10]。
隨機(jī)PWM調(diào)制技術(shù)是引入隨機(jī)變量把開關(guān)頻率隨機(jī)化,使開關(guān)頻率及其倍頻處的諧波電流分散到各個(gè)頻率上以降低開關(guān)頻率噪聲。隨機(jī)PWM調(diào)制并沒有降低諧波電流的總能量,而是通過(guò)把總能量分散從而降低諧波電流的幅值。
本文分別采用提高開關(guān)頻率(以下稱之為“方案1”)和隨機(jī)PWM調(diào)制(以下稱之為“方案2”)方案優(yōu)化開關(guān)頻率噪聲。重復(fù)測(cè)試第2節(jié)中試驗(yàn)工況,并與開關(guān)頻率變化之前(以下稱之為“原方案”)的噪聲對(duì)比。
在不改變控制器、不明顯增加功率損耗的前提下,實(shí)施上述方案1和方案2。不同方案的開關(guān)頻率對(duì)比見表1。
對(duì)比提高控制器開關(guān)頻率前后的電驅(qū)動(dòng)總成聲壓級(jí)和音噪比變化,即表1中的原方案和方案1。
表1 不同方案的開關(guān)頻率
圖5、圖6分別是兩種方案的聲壓級(jí)和噪聲頻譜對(duì)比結(jié)果。
圖5 電驅(qū)動(dòng)總成聲壓級(jí)對(duì)比
圖6 電驅(qū)動(dòng)總成噪聲頻譜對(duì)比
低轉(zhuǎn)速段內(nèi),開關(guān)頻率噪聲明顯降低,因其影響,電驅(qū)動(dòng)總成聲壓級(jí)5200r/min處的峰值由原來(lái)的83.4dB(A)降至78.3dB(A),降低了5.1dB(A);聲壓級(jí)平均降低2.4dB(A)。
高轉(zhuǎn)速段內(nèi),開關(guān)頻率噪聲同樣降低。由于該轉(zhuǎn)速段開關(guān)頻率噪聲對(duì)總成聲壓級(jí)的貢獻(xiàn)量較小,所以總成聲壓級(jí)降幅不明顯,平均降低約0.5dB(A)。
圖7是兩種方案的音噪比對(duì)比結(jié)果。
圖7 電驅(qū)動(dòng)總成音噪比對(duì)比
低轉(zhuǎn)速段內(nèi),音噪比雖然得到一定程度改善,但是仍然存在超過(guò)限值8的開關(guān)頻率噪聲。這是因?yàn)殚_關(guān)頻率噪聲的能量雖然減小,但是開關(guān)頻率提高后其所在臨界頻帶范圍變大,頻帶范圍內(nèi)的其它噪聲能量降低更多。
高轉(zhuǎn)速段內(nèi),開關(guān)頻率噪聲音噪比基本不超過(guò)限值8,聲品質(zhì)明顯改善。
總之,控制器開關(guān)頻率提高后,開關(guān)頻率噪聲的聲壓級(jí)、音噪比降低,聲品質(zhì)提升。
對(duì)比隨機(jī)PWM調(diào)制前后的電驅(qū)動(dòng)總成聲壓級(jí)和音噪比變化,即表1中的原方案和方案2。
圖8、圖9分別是兩種方案的聲壓級(jí)和噪聲頻譜對(duì)比結(jié)果。
圖8 電驅(qū)動(dòng)總成聲壓級(jí)對(duì)比
圖9 電驅(qū)動(dòng)總成噪聲頻譜對(duì)比
由圖8可知,在整個(gè)測(cè)試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),兩種方案的電驅(qū)動(dòng)總成聲壓級(jí)沒有明顯的改變。本文第1.2節(jié)已經(jīng)指出:隨機(jī)PWM調(diào)制不會(huì)降低總的諧波電流能量,而是把能量分散到附近頻率上。因此,方案2的開關(guān)頻率噪聲的主要階次變得“模糊”,聲壓級(jí)幅值變小、分布范圍變大,見圖9。
圖10是兩種方案的音噪比對(duì)比。由于方案2的開關(guān)頻率的主要階次噪聲能量變小,同時(shí)其所在臨界頻帶范圍內(nèi)其它噪聲能量變大,因此音噪比變小。方案2在整個(gè)測(cè)試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),開關(guān)頻率噪聲音噪比基本降至限值8以下,聲品質(zhì)明顯改善。
圖10 電驅(qū)動(dòng)總成音噪比對(duì)比
本文以某電驅(qū)動(dòng)總成為研究對(duì)象,分別驗(yàn)證了提高控制器開關(guān)頻率和隨機(jī)PWM調(diào)制開關(guān)策略對(duì)其噪聲的影響。得出以下結(jié)論。
1)提高控制器開關(guān)頻率,開關(guān)頻率噪聲聲壓級(jí)明顯降低,總成聲壓級(jí)的改善情況由開關(guān)頻率噪聲對(duì)其貢獻(xiàn)量大小而決定。在低轉(zhuǎn)速段,開關(guān)頻率由6000Hz提高到8000Hz,開關(guān)頻率噪聲音噪比改善不明顯;在高轉(zhuǎn)速段,開關(guān)頻率由8000Hz提高到9500Hz,開關(guān)頻率噪聲音噪比明顯改善,總成聲品質(zhì)提升。
2)采用隨機(jī)PWM調(diào)制開關(guān)策略,開關(guān)頻率噪聲總能量基本不變,只是分散到附近頻率上,因此總成聲壓級(jí)無(wú)明顯變化。開關(guān)頻率噪聲音噪比明顯降低,總成聲品質(zhì)顯著提升。