纯电动汽车电机噪声测试与分析方法研究
[摘要]针对纯电动汽车电机噪声在整车上的声学特征，介绍了在整车上测量电机噪声的测点布置及测量工况，对测试数据进行分析，识别并验证电机噪声成分。分析比较了不同测试工况下的电机阶次噪声，选取具有代表意义的急加速工况进行电机噪声分析，给出了电机阶次噪声的主客观评价方法。文中介绍的电机噪声测试和分析方法具有重要的工程应用价值。由于能源危机和环境污染问题的日益突出,不少国家已经公布了停售传统燃油汽车的时间表，各大汽车厂商正在开发越来越多的电动汽车，消费者在选购电动汽车时，对乘坐舒适性的要求也越来越高。电动汽车的电机噪声是影响乘坐舒适性的关键性能指标。相对于传统内燃机汽车，电动汽车电驱动系统具有转速高、力矩波动大的特点，而其引发的振动和噪声具有中高频成份占比大的特点。由于缺少了发动机噪声的掩盖，电机噪声尤为突出。近年来，国内外学者对电动汽车电机噪声进行了研究，文献[1]研究了某电动车急加速过程中电机噪声，文献[2]研究了电动车匀速工况时车内噪声的声品质，文献[3]采用电机转速信号的谐波来合成掩蔽声场，从而提高车内噪声的声品质。本文系统介绍了电动汽车电机噪声的测试及分析方法。测点需要包含电机舱和乘员舱电机噪声，电机总成支撑的振动以及传动轴转速，如图1所示。表1列出了各个测点的所测量的信号种类、位置及名称。1到6号麦克风用来测量乘员舱的电机噪声，为客观反映人耳在车内听到的声音，当副驾驶和后排没有乘客时，需要在座椅上增加人工头用来模拟人的头部，麦克风分别布置在人工头的左右两侧。人工头在整车上的安装情况如下图2所示：7号麦克风用来测量电机近场噪声，在后期数据分析时也需要通过近场噪声来识别来自电机的噪声成分。8到13号加速度传感器用来分析电机总成悬置系统的三个支撑对电机振动的隔振效果，同时可以分析乘员舱电机噪声是来自固体声还是空气声。14 号光电传感器用来测量传动轴的转速，然后通过传动比换算到电机转速，光电传感器的布置如图3所示：根据用户的驾驶习惯，测量工况通常包含下面四个工况。电机噪声主要来源于转子不平衡及轴承振动引起的机械噪声，散热风扇引起的空气动力噪声以及电磁力引起的电磁噪声，其中电磁噪声是电机噪声的主要成分，根据实际的工程案例分析，发现定子齿槽引起的齿谐波噪声是电磁噪声的主要成分，齿谐波噪声的频率：从公式可知，如果知道了电机定子齿槽数，就可以通过公式计算哪些频率成分是来自电机，但对于竞争车型的电机，通常是无法获取电机定子齿槽数，这就需要通过测试数据的分析来识别。以某一车型的电机噪声为案例进行分析，图4是匀加速的工况时乘员舱左前外耳处噪声的坎贝尔图，横坐标是传动轴的转速，通过回放得到抱怨的噪声是541.5阶的阶次噪声，首先和电机近场噪声比较，如图5所示，可以看出电机近场的541.5阶次噪声明显，初步判断此阶次噪声来自电机。同时变速箱的传动比通常为8到10 之间，如横坐标转换为电机驱动轴的转速，则图中的阶次噪声为54 阶次到 68 阶次，目前主流电机的齿槽数为48,60 和72，可判断此阶次噪声来自60 齿槽的电机。后期证实电机定子齿槽为60 齿，验证了电机噪声识别方法的有效性。图6到图9为某一车型四个工况乘员舱左前外耳麦克风的测试数据，通过对比可知，急加速时工况最恶劣，对应的电机阶次噪声最大。同时，相对于30S匀加速，急加速测试工况的加速过程更容易控制，能保证测试数据的一致性。所以选取具有代表意义的急加速作为评价工况。采用客观评价和主观评价相结合的方法对电机阶次噪声评价，客观评价包含阶次噪声的相对值评价和绝对值评价，相对值评价是通过比较电机阶次噪声的声压级和总声压级来判断阶次噪声在总声压级中是否明显，其中总声压级包含电机阶次噪声和背景噪声。当电机阶次噪声的声压级比总声压级小5dB时，则说明电机噪声相对于总声压级不明显，反之则需要优化。以某一车型的电机噪声为例，传动轴为参考轴时，电机阶次噪声为582阶，在整个加速过程中获得582阶的声压级，电机阶次噪声的阶次宽度为阶次的2%，包含电机阶次噪声和背景噪声的总声压级阶次宽度为阶次的26%，得到的声压级比较如图3所示，当传动轴转速在760RPM时，电机阶次噪声的声压级仅比总声压级低3.4dB，目标是比总声压级低5dB，所以 此转速下电机噪声是潜在的抱怨点。绝对值评价方法是将待评价的车型电机阶次噪声和其他车型的电机阶次噪声比较，判断该车型相对于其他车型是否有竞争优势。如图11 所示，得到四个车型的电机阶次噪声，以待评价的车型A为例，相对于其他三个竞争车型，明显比车型B和车型C有声学优势，比车型D相比略有声学优势。总体来看，该电机阶次噪声是同类型车型中最具竞争力的。主观评价是电机阶次噪声客观评价方法的依据，也是最终的接受标准，打分标准见表1。按照表3的打分标准对图11 涉及到的四种车型进行主观评价并打分，得到表4的主观评价结果，结果和图11 的客观测量数据吻合。
4 结语
基于纯电动汽车电机噪声在整车上的声学特征，首先介绍了电动汽车电机噪声的测试方法，包含测点布置和测试工况然后介绍了电机噪声的分析方法，包含电机噪声的识别，电机噪声的客观评价和主观评价方法。本文介绍的电机噪声的测试和分析方法可应用于电机的开发和验证工作。
作者：严小俊，赵要珍，曹诚，马扎根
作者单位：上汽大众汽车有限公司
来源：2018汽车NVH控制技术国际研讨会论文集
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