陳茜兵，程仁恒，陳龍崗，王棟

奇瑞商用車(安徽)有限公司,安徽蕪湖 241000

0 引言

目前純電動乘用車采用前驅(qū)或后驅(qū)布置，在后驅(qū)中大部分是半軸懸置結(jié)構(gòu)。通過兩個半軸三點懸置固定，屬于彈性體結(jié)構(gòu)。然而在純電動城市物流車中，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，是電機與后橋集成以橋包的形式體現(xiàn)減速器，驅(qū)動電機通過一端與后橋橋包對接固定，另一端通過支架板固定在后橋上，屬于非彈性體結(jié)構(gòu)，其振動等級可達(dá)到約11g加速度，然而其控制器是通過支架固定在車身上，因而加速度較小，一般在3.0～4.5g。由此可見，非彈性體設(shè)計非常嚴(yán)苛，對系統(tǒng)要求較高。目前在售的五菱宏光miniEV是一款微型A00級乘用車，根據(jù)目前公開的信息，也是采用后置后驅(qū)Y型集成橋方案。這類車輛特點在于車長普遍在3 m左右，在沒有隔音或聲學(xué)包的作用下，很難提升整車NVH品質(zhì)，其噪聲、嘯叫等方面明顯體驗較差。主要有如下特性，階次特征：電機階次、 電控階次、 減速器階次；頻率特征： 以高頻為主，并通過電流諧波耦合；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級車輛進(jìn)行整車主觀質(zhì)量AUDIT評價中，出現(xiàn)主觀噪聲評價扣分項目，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，通過對其工作工況及臺架和整車的測試分析，鎖定發(fā)生問題的原因，對比測試排查，并對驅(qū)動電機的內(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、振動與聲振粗糙度(noise、vibration、harshness)的英文縮寫，通過頻率段、聲壓級及音質(zhì)、振幅等進(jìn)行振源考核，通過路面對駕駛者進(jìn)行不舒適的路面激勵反應(yīng)評價改進(jìn)的專業(yè)技術(shù)。

其噪聲來源點：氣隙中的變換磁場使得磁密度發(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)耦合傳動到驅(qū)動電機及非彈性體的支架板固定，支架板直接通過螺栓方式連接固定在后橋上面，隨著車輛行駛工況振動與隨機沖擊，電機端面配合公差傳遞并放大系統(tǒng)誤差，在內(nèi)外部激勵共同作用下產(chǎn)生嘯叫，由控制轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的脈動可以形成抖動、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分別為磁場空間角度和時間;u0為磁導(dǎo)率;B(θ，t)為磁密。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]對徑向力的研究，對應(yīng)于設(shè)計存在48槽電機結(jié)構(gòu)，有對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)子磁場產(chǎn)生電磁力密度;Psf為定子磁場磁力密度;Ppm-s為Ppm與Psf共同作用產(chǎn)生，由磁場中氣隙產(chǎn)生。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]可知，在氣隙增大時，其磁密呈下降趨勢，感應(yīng)電動勢計算公式為：

(3)

式中：Ei為感應(yīng)電動勢;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，勵磁磁勢需要通過開關(guān)頻率f和直軸電流id增加及交軸電流iq變化實現(xiàn)控制[4]，其磁密減少，電機磁極的角度有所不同時，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[5]，通過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5次和11次等諧波進(jìn)行抑制，并驗證斜極角度及段數(shù)的合理性。

設(shè)計極對數(shù)P=4，槽48，徑向電磁力可通過定子槽產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩、不同載荷狀態(tài)下影響到氣隙磁場激勵產(chǎn)生，對載頻存在分倍影響，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磁電感；Ψs為定子磁場磁鏈；Ψf為永磁體磁鏈。

在轉(zhuǎn)子到達(dá)最高位置時出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩，此時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，需要通過定子電感Ls、定子電流is來改變，通過定子電壓Us發(fā)波來實現(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)中會帶來諧波產(chǎn)生，影響到電流的脈沖和轉(zhuǎn)矩脈動。在轉(zhuǎn)子基速值ωrb到達(dá)Usmax最大時，其計算公式為：

(9)

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

由于凸極磁場，氣隙不均勻，在磁勢和磁導(dǎo)的影響下，諧波次數(shù)與P極對數(shù)有關(guān)，定子和轉(zhuǎn)子磁場在徑向力諧波磁場影響下，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程中，d軸電流id=0控制及d-q軸電流id和iq同時控制定子電流is時，高速時載頻發(fā)波PWM和永磁體結(jié)構(gòu)尤其斜極角度對氣隙形狀狀態(tài)影響非常明顯。如圖1所示，因控制轉(zhuǎn)矩問題存在轉(zhuǎn)矩波動，而導(dǎo)致主觀駕駛出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。

圖1 轉(zhuǎn)矩波動

本文討論的驅(qū)動系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

表1 驅(qū)動系統(tǒng)主要參數(shù)

后驅(qū)集成Y型橋基本參數(shù)見表2。

表2 后驅(qū)集成Y型橋基本參數(shù)

2 噪聲機制分析

驅(qū)動系統(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車速勻速狀態(tài)存在嘯叫，噪聲較為明顯;②全油門加速工況(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，在整車由待機狀態(tài)全油門100%加速至100 km/h;蠕行工況，是整車在靜止?fàn)顟B(tài)下，由踩制動到松開直至車輛達(dá)到最大蠕行轉(zhuǎn)矩和最高車速的過程。

2.1 測試分析

針對問題點進(jìn)行臺架和整車復(fù)測，具體如下：

(1)整車NVH對比測試。主要對測試目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)合格車輛及NVH問題整車AUDIT評審車輛進(jìn)行對比分析，并采集電流波形進(jìn)行測試分析。

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

圖2 測試布置

2.2 蠕行緩慢行駛

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

圖3 蠕行工況下的測試分析結(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，整體數(shù)據(jù)對比相當(dāng)，但是在頻率為300 Hz左右，且轉(zhuǎn)速為100～260 r/min范圍內(nèi)明顯存在異常現(xiàn)象，頻率計算公式為：

(8)

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

2.3 蠕行加速行駛

對蠕行加速模式進(jìn)行工況測試，依據(jù)測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AUDIT評審存在問題的裝配布置測試蠕行加速96階次以及標(biāo)準(zhǔn)合格樣件裝配布置測試蠕行加速96階次測試切片進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，在96階次電磁噪聲分別為問題點54 dB(A)和34 dB(A)，差異明顯，不滿足需求。

2.4 WOT加速工況

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

圖5 WOT加速工況下后排噪聲測試結(jié)果

由圖5可以看到，上述兩套驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合在整車后驅(qū)集成橋搭載分別在360 Hz和830 Hz兩個頻率段附近，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問題樣車在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)合格樣車反而較大，此時AUDIT問題樣車出現(xiàn)偏小，約65 dB(A)。

2.5 電流波形測試

根據(jù)上述整車布置及測試來看，兩種驅(qū)動狀態(tài)在整車搭載情況下出現(xiàn)了較大差異。通過對階次噪聲分析，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)速對應(yīng)蠕行轉(zhuǎn)速如200 r/min，有時轉(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，因此需要對電流控制波形進(jìn)行測試，觀察波形正弦對極尖峰紋等情況。

基于上述分析，在臺架上對兩種整車的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行測試對比，結(jié)果顯示，臺架上已經(jīng)脫離了驅(qū)動集成Y型橋的耦合。電流測試波形如圖6所示。通過對AUDIT評審問題樣件與標(biāo)準(zhǔn)合格樣件的波形進(jìn)行對比，可以明顯看出圖6b的正弦度較差，且有尖峰毛刺。

圖6 電流測試波形

完成驅(qū)動電機端的噪聲排查后，對控制器進(jìn)行控制及載頻核查，通過對48階次數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，AUDIT問題樣車對應(yīng)的控制器開關(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范圍對應(yīng)關(guān)聯(lián);在標(biāo)準(zhǔn)合格整車搭載，控制器頻率較高約6 700 Hz，與諧波范圍48階次無關(guān)聯(lián)重合，如圖7所示。

圖7 載頻對應(yīng)測試結(jié)果

由圖7可以看到，兩種載頻存在差異，具體見表3和表4，從低速到高速整個開關(guān)頻率范圍不同。

表3 標(biāo)準(zhǔn)合格樣車的頻率分段

表4 AUDIT樣車的頻率分段評審問題

上述頻率分段后，對控制器進(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)動電機外特性的變化匹配整車行駛工況，快速的開關(guān)脈沖能力也會導(dǎo)致很高的諧波信號，這些信號在系統(tǒng)回路里面產(chǎn)生振蕩電流觸發(fā)磁場形成，影響信號傳遞并帶來諧波噪聲，通過PWM發(fā)波實現(xiàn)開關(guān)變載頻控制，基于動態(tài)解耦的載波比控制電流技術(shù)匹配隨機PWM周期值變化，分散系統(tǒng)噪聲頻譜分布顯得特別重要，通過零矢量隨機分布和脈沖位置分布，提升PWM驅(qū)動信號隨機載頻效果，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。階次改善前后對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 階次改善前后對比結(jié)果

3.2 分段斜極

針對采用的轉(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，整車效果改善明顯。改善后分段斜極測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 改善后分段斜極測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文對純電動汽車后驅(qū)集成橋帶來的NVH設(shè)計問題進(jìn)行主觀駕駛感知和臺架及整車測試，并進(jìn)行驗證優(yōu)化分析。通過理論分析方法對控制器的策略控制載頻進(jìn)行優(yōu)化，對于驅(qū)動電機通過轉(zhuǎn)子磁極分段設(shè)計來實施，改善徑向力和高頻特性對NVH的影響，提升了主觀駕評效果，為后續(xù)驅(qū)動集成橋-Y型橋平臺化方案提供了分析基礎(chǔ)，降低了整車開發(fā)成本。