混合动力车（HEV）及其典型的NVH问题

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HEV是HybridElectricVehicle的缩写，即混合动力汽车。HEV是传统汽车与完全电动汽车的折中：它同时利用传统汽车的内燃机（可以设计的更小）与完全电动汽车（PurelyElectricVehicle)的电机（PMSM或者异步电机）进行混合驱动（包含蓄电池与逆变器环节），减少了对化石燃料的需求，提高了燃油经济性（fueleconomy)，从而达到节能减排和缓解温室效应的效果。丰田普锐斯和本田音赛特是HEV生产的两大巨头。典型的HEV车辆如图1所示。

图1典型HEV车辆

一、混合动力汽车的两种分类方法

1、按动力结构分类

图2按动力机构分类

2、按对电能的依赖程度分

图3按电能依赖程度分类

二、HEV典型的NVH问题

HEV典型的NVH问题包括如下几个方面：

发动机频繁启/停引起的振动问题
发动机低速运行时的嗡嗡声和振动问题
电机/发电机的噪声、振动问题
HEV声品质问题

1、发动机频繁启/停引起的振动问题

传统内燃机车辆通过钥匙或按键由驾驶员操作启动或熄火，HEV发动机启停一般不受驾驶员控制，它是由车辆控制单元依据车辆行驶状态来控制自动启停的。这种启停往往在驾驶员没有预想到情况下进行，这会显著影响车辆的乘适性能。

解决措施：

1.1 优化发动机启动转矩和缸内泵压性能。

启动转矩通过优化启动电机的力矩输出来进行平顺。

缸内泵压对启动振动的影响需通过调整进气阀门关闭时间也进行优化。

停止振动也可以通过以上两个调整方式来优化。

1.2 控制点火之后扭矩快速上升而引起的振动

控制燃油喷射量以稳定燃烧。

延迟点火时间以降低扭矩。

优化气门提前角改善进气体积变化量。

1.3 控制初始曲柄角位置

不同初始曲柄角下，发动机启动振动会有很大的不同，选择能使发动机启动振动最小的初始曲柄角。

1.4 动力总成悬置系统

扭矩直接作用的方向用考虑使用较高的悬置刚度，此外还需考虑增大悬置系统大振幅下的阻尼，并改善悬置系统的P/TRoll和Bounce方向的解耦情况。

图4各种控制手段对振动的影响

参考文献：SAE: 2002-01-0990 Development of the ToytotaMild-Hybrid System (THS-M)

2、发动机频繁启/停引起的振动问题：

2.1 发动机起动过程的振动

2.1.1发动机起动过程可以描述为以下几个阶段

起动机带动发动机旋转，发动机点火燃烧，产生转矩，并由起动机转矩向发动机转矩切换，此时有冲击力产生。

发动机开始工作，随着发动机转速的升高，转矩发生变动。

发动机转速在设定怠速位置固定，转矩变动也趋于稳定。

2.2.2发动机起动时的振动状态是受起动机的驱动转矩控制的，在此过程中，乘员很容易感知到转矩的变动。起动过程中主要的振动成分频率为10Hz左右，这个频率范围包含了动力总成的扭转模态和车身的旋转+扭转模态。

2.2、发动机启停过程可能激发的模态：传动系统扭转模态、动力总成P/TRoll模态、发动机-吸振器扭转模态、车身模态。

3、发动机低速运行时的嗡嗡声和振动问题：

HEV系统，尤其是轻度混合系统（驱动力仅来自发动机），为了改善发动机低速运行时的燃油经济性，需调整发动机使低速时产生更大的扭矩，但由于发动机低速运行时的扭矩波动这趋向于产生更大的车身振动和嗡嗡声。

3.1解决办法：

优化发动机和传动装置之间的扭转减振器，降低输入到传动系统上的扭矩波动
增强车身壁板结构，降低关键路径上的敏感性
优化进排气噪声

3.2车辆起步时车身振动

过渡转矩变动：从怠速到车辆起步前进，发动机输出转矩增加。车身振动与转矩增加的速度和幅度有关。使用手动变速器的汽车，高档位更易发生振动
前置前驱车辆，由于减速器的减速比较大，传递的力会很大，力的波动会激发动力总成刚体模态和传动系统模态，振动表现为低频特性。
悬置系统的设计对起步时的车身振动也具有很大的影响。这需要重点考虑扭矩直接作用的方向和悬置非线性刚度问题。
驱动系统振动-缠绕振动：缠绕振动是采用板簧结构悬架系统的典型的绕车轴中心的振动。缠绕振动引起的车内噪声成为缠绕轰鸣声（wind-up boom）。缠绕振动一般是由于传动轴扭矩变动引起的，有时传动轴的弯曲模态也可能通过传动轴与后桥连接点引起悬架系统绕车轴中心的旋转运动。发动机转矩变动和传动轴不平衡一般是经常存在的。
发动机低速运转时，扭矩变动受气缸内气体压力的影响最大，在加速时伴随着负载的增加，增大了产生缠绕振动的几率。

图5缠绕振动原理

3.3离合器抖动

3.3.1、离合器抖动（ClutchJudder）：车辆前进时，离合器接合过程中或结束时，因驱动系统非正常的扭转振动而激励起来的车辆前后方向的振动，成为离合器抖动。

3.3.2、离合器抖动可以分作两个部分：离合器滑动状态和离合器接合状态。离合器滑动状态时产生的摩擦力会激起传动系统的振动，产生自励振动。此阶段由于离合器处于滑动状态，没有曲轴和飞轮的惯性矩，振动表现为较高频率的振动特性。离合器接合完成后，曲轴和飞轮的惯量被包含进来，此时驱动系统的1阶扭转振动模态降低，表现为低频特性。

图6离合器抖动

3.3.3、解决措施：

增加压盘推力防止离合器打滑
变更离合器摩擦特性防止振动扩散
改善悬置系统刚度和阻尼

4、电机/发电机的噪声和振动问题：

HEV车辆中，电机/发电机起动内燃机过程、单独EV驱动过程以及再生制动过程所产生的振动和电磁噪声是一个非常重要的问题。

5、HEV声品质问题：

传统内燃机车辆中，很多噪声问题都被发动机噪声所掩盖。而在HEV中，当关闭内燃机后，一些特殊的噪声问题会变得比较突出。

HEV车辆的三类NVH问题：

5.1掩蔽效应消失所带来的噪声主要成分的变化

发动机关闭后典型的噪声有：水泵和真空泵的噪声、通风系统的噪声和路面噪声等。

5.2 没有预期到的噪声行为

传统内燃机车辆，车速与发动机转速相连，驾驶员所接收到的车内噪声是行驶状态的反馈。而在HEV车辆中，车速并不由内燃机完全确定，还依赖动力系统布置方式以及扭矩需求和电池的充电状态。一般，发动机转速上升至一定转速时即停止转速上升，而车速仍在增加。因此这需要在能量需求和期望的声音反馈上找到一个平衡。

5.3 HEV特有的声学问题

与传统内燃机车辆相比，HEV增加了一些新的零部件，比如电动机、电子控制单元和高电压电池等。这些新的零部件带来的特有的声学或振动问题为：

负载变化而引起的发动机的频繁的低频启停问题
动力总成自身转动惯量和固有频率发生变化
电动机驱动和再生制动时的马达电磁噪声问题
电池冷却系统的空气动力学噪声问题
动力控制单元的切换噪声问题

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来源：汽车NVH云讲堂

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首次发布时间：2023-04-12

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