新能源汽车电机控制器噪声研究

2月前浏览1389

摘要：文章介绍了新能源汽车中电机控制器（简称控制器）噪声的测点布置及测量工况。针对控制器在不同工况下的声学特征，结合国际上主流的噪声评价方法给出了控制器的整体噪声水平。分析比较了不同工况下的噪声数据，揭示了控制器噪声与工作电压、电流大小和电流频率的关系，为控制噪声源头的分析打下坚实的基础。文中介绍的控制器噪声测试和分析方法具有重要的工程应用价值。

关键词：新能源；控制器；噪声；声压

1 控制器噪声测试方法
1. 1 噪声测试测点布置
控制器的噪声测试是在半消音室内进行，如图1 所示，控制器噪声采集由布置在控制器周围的五个麦克风实现，具体的布置信息见表 1，采用距离控制器 10 cm 的五个麦克风实现噪声数据收集。

1. 2 控制器噪声测试工况
主流控制器按照功能可以分为逆变器（INV）和直流变换器（DC-DC）两大部分，其中 INV 是将高压电池的直流电转换成电机可以使用的交流电，DC- DC 是将高压电池的直流电转换成车载用电器可以使用的低压直流电。
考虑到 INV 和 DC- DC 的功能不同，工作原理也差别很大，因此下文会针对INV和 DC- DC 的噪声进行单独分析。本文噪声测试针对用户驾驶过程中的全油门启动、半油门启动和馈电全油门启动这三种整车工况展开。分解到控制器本身的测试电压、测试电流和测试电流频率如表 2 所示。其中编号 1、3 和 4 是控制器的 INV 单独工作的测试工况，编号 2 是控制器INV 和 DC-DC一起工作的测试工况编号 5 是控制器 DC- DC 单独工作的测试工况。

2 控制器噪声评价

本文针对控制器的五种典型工况，进行了噪声声压级的测量，获得全面评价控制器噪声的声压数据，包括 INV 单独工作时的噪声数据、DC- DC单独工作时的噪声数据、INV 和DC- DC 同时工作时的噪声数据。

2. 1 I NV单独运行
INV 工作时的噪声数据如表 3 所示，从噪声总声压级云图汇总结果看控制器 INV
部分在电压 345 V、电流 231 A和频率 720 Hz 的工况下出现最大噪声，该工况对应整车全油门加速过程中的5400 转速工况，其最大噪声为 61.7 dB（A 计权声压，下同）。

2. 3 I NV和 DC- DC同时运行

INV 和 DC- DC 同时工作时的噪声数据如表 5 所示，从总声压级云图汇总结果看，控制器 INV 和 DC- DC 满功率工作时的最大噪声为 62.2 dB。

综上所述，控制器的噪声主要集中在 INV 侧，DC- DC 单独工作时的噪声是非常小的。INV 和 DC- DC 同时运行时最大噪声为 62.2 dB。

从噪声测试实验结果看，该控制器的噪声声压整体水平并不高，在距离控制器 10 厘米位置的最大声压在 63 dB以内，远远低于传统车的内燃机和电动汽车的电机。
但是控制器的噪声依然存在一些啸叫的成分，如果是严苛的用户会产生不满，因此有必要对控制器的INV 噪声频谱进行分析，进一步揭示噪声的分布规律，为噪声来源分析和降噪工作提供理论依据。

3 控制器噪声研究

3. 1 I NV 噪声与工作电压的关系

为了研究 INV 噪声和电压的关系，本文选取表 2 中编号 1 全油门加速（345 V）和表2 中编号 3 馈电全油门启动（290 V）中相同电流和相同电流频率的声压进行对比。对比结果如图 2 所示，从对比结果看，在仅仅改变电压情况下，高电压运行的噪声比低电压运行的噪声要高。

为了进一步揭示 INV 噪声和电压的关系，选取噪声声压差异最大的两种条件，即：335A/267Hz/ 290V 的声压频率直方图和 335A/267Hz/345V 的声压频率直方图进行对比分析。两者的声压频率直方图如图 3 所示，从图中可以明显看到两者的噪声主频率都分布在 500 Hz 附近。345 V工况下的主频率声压幅值为 60 dB
左右，290 V 工况下的主频率声压幅值为 50 dB，345 V 电压下控制器噪声主频率的声压幅值比 290 V 电压下的声压幅值高出 10 dB 左右。

综上所述得出以下结论：
1、INV 噪声声压大小跟工作电压直接相关，从测试结果看工作电压越大噪声声压就越大；
2、INV 的工作电压不会影响噪声主频率分布，从测试结果看 345 V 工作电压和 290V 工作电压的噪声声压主频率都在 500 Hz 附近；
3、INV 测工作电压会影响噪声主频率处的声压幅值差异，影响幅度和电压的关系还有待进一步研究。

3. 2 I NV噪声与工作电流频率的关系
为了研究 INV 噪声和工作电流频率的关系，本文选取表 2 编号 1 全油门启动下 26.67 Hz - 720 Hz电流工作频率的声压结果进行对比和分析。将相同电压、相同电流大小、不同电流频率的测试工况噪声测量结果列表进行对比如表 6 所示。从表中可以明显看到 INV 噪声与工作电流频率有直接关联，且工作电流频率越大噪声越大。

为了进一步揭示 INV 噪声和电流频率的关系，选取 26.67 Hz、133.33 Hz 和
392 Hz 下的声压测试数据绘制成声压频率直方图，如图 4 所示。从图中可以明显看到，电流频率 26.67 Hz 工况下的噪声声压主频率出现在 50 - 60 Hz 区间（第一个矩形框），电流频率 133.33 Hz 工况下的噪声声压主频率出现在260 - 270 Hz 区间（第二个矩形框），电流频率 392Hz 工况下的噪声声压主频率出现在700 - 800 Hz区间（第三个矩形框）。

由此可见，INV 控制器噪声声压的主频率与工作电流频率直接相关，更进一步地控制器噪声声压的主频率和电流频率两倍数值有明显关联。

从图 4 的测试结果看INV 侧工作电流频率 133.33Hz 噪声声压主频率下的声
压幅值为 46 d B 左右，工作电流频率 392 Hz 噪声声压主频率下的声压幅值为
52d B 左右。主频率下的噪声成分基本决定了这两个工况下的整体噪声水平，且电流频率越大主频率的声压幅值越大。因此如果要降低 INV 侧的噪声，可以先研究
INV 工作时主频率附近噪声的来源，重点降低主频率噪声的声压幅值就可以有效降低INV 侧的噪声。

3. 3 I NV噪声与工作电流大小的关系
为了研究 INV 噪声和电流大小的关系，本文选取表 2 中 345 V / 27 Hz 下三个电流值 129 A，165 A和 335 A 的工况进行噪声声压对比。在保持转速和电流频率相同的情况下，测量得到三组不同电流下的噪声声压如表 7 所示。从上表中可以明显看到，335 A 电流下控制器噪声的整体声压幅值比165 A 电流下的声压幅值高
。由此可见，电流会造成全频率下的声压幅值差异，并且电流越大，声压幅值越大。

为了进一步揭示 INV 噪声和电流频率的关系，选取 335A 和 165A 下的声压测试数据绘制成声压频率直方对比图，如图 5 所示。在小的电流频率下噪声主频率为两倍电流频率的规律并不明显，因为其它频率下的噪声幅值也比较大。

从图中可以明显看到，335 A 电流下 INV 侧噪声的整体声压幅值比165 A 电流下的声压幅值高。INV 在165 A 工况下 1 kHz 附近的噪声声压幅值为 10 dB 左右，在 335 A 工况下 1 k Hz 附近的噪声声压幅值为 30dB 左右。
由此可见，工作电流大小会影响全频率下的声压幅值，并且电流越大，声压幅值越大。

4 结论
本文针对新能源汽车电机控制器噪声的声学特征，首先介绍了控制器噪声的测试方法，包含测点布置和测试工况；然后根据测试结果对控制器的整体噪声水平进行评价；最后介绍了控制器噪声测试结果的分析方法，根据试验获得的声压云图和频谱图进行对比分析，揭示了控制器 INV 噪声和电压、电流大小和电流频率的关系。
本文介绍的电机控制器噪声的测试和分析方法可应用于控制器研发阶段的
噪声分析和噪声优化。