某四驱电动车电磁噪声大问题优化
【摘要】电动汽车电驱动噪声为高频噪声的主要声源，且主要表现为高频阶次噪声，噪声突出、频带较窄，根据心理声学中掩蔽效应的特征，电驱动的高频噪声很难被掩蔽，尤其当高频阶次噪声突然变大时， 很容易引发抱怨；本文针对某车型控制器伞状阶次噪声的问题，通过试验及分析，找出问题的解决措施：通过在高压线束增加磁屏蔽盖板，降低高频磁场对地板的力的作用，从而减小地板振动，达到降低辐射噪 声的效果；本文的方法（磁屏蔽）对于由线束纹波电流直接产生的声学问题具有普遍适用性。关键词：电驱动，高压线束，振动噪声，磁屏蔽
1 前言
随着社会的日益进步和科学技术的不断发展，人们对汽车舒适性的要求也越来越高。汽车在正常行驶和停车等各种工况下良好的 NVH(Noise、Vibration &Harshness)性能是评判现代汽车质量优劣的重要标志。伴随着汽车的电动化，以电驱动阶次噪声为代表的高频噪声成为 NVH 的重要研究课题。电驱动的阶次噪声中，控制器的伞状阶次噪声为重要的噪声源之一。控制器在工作时，功率开关元件的开通与关断会导致电流纹波的出现，电流纹波作用在电机磁路中产生力的作用会辐射出相应的噪声，或通过传到线束辐射出相应的纹波磁场，进而激励起临近钣金的振动从而产生噪声问题。本文的案例中，由于高压线束未加屏蔽层，四驱车的高压线束从地板下方通过，且距离地板较近，本文重点介绍线束中纹波电流辐射出的磁场引发的问题。2 控制器伞状阶次噪声问题
一般驱动电机转子的旋转，需要借助于定子绕组电流产生的圆形旋转磁场→若想获得圆形旋转磁场，需要三相对称绕组通以三相对称电流→电动车电池供应的为直流电，要想获得三相对称电流，需要控制器通过脉冲宽度调制的方式获得→脉冲宽度调制的输出函数可以使用双重傅里叶级数表示，存在边带谐波；电机的基础原理这里就不介绍了，我们直接从脉宽调制说起。在采样控制理论中有这样一个理论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果（输出的响应波形）基本相同。假设脉冲信号为 f(t)，则冲量指的是 f(t)dt，即图 1 中绿色 区域的面积 S。电机的绕组在电路中充当电感的作用，而电感在通交流电时具有”惯性“的特点，因此可以用一系列等幅不等宽的脉冲来代替正弦波；对于 SVPWM(Space VectorPulse Width Modulation)，其基本原理也类似，只是将磁链作为一个整体进行控制，这里就不深入介绍了。
对于普通的 SPWM(SinusoidalPulse Width Modulation)、三次谐波注入的 SPWM、SVPWM 都是由载波、调制波双变量共同决定的，将单变量的傅里叶变换进行拓展，脉宽调制的输出函数可以使用双重傅里叶级数表示。双重傅里叶级数展开式中存在存在基波电流分量cos𝜔𝜔!𝑡𝑡、死区效应引起的谐波分量、边带谐波电流分量cos (𝑚𝑚𝜔𝜔"𝑡𝑡± 𝑛𝑛𝜔𝜔!𝑡𝑡+ 𝜑𝜑)，对于边带谐波分量，m、n 为整数，𝜔𝜔"为载波角频率，𝜔𝜔!为调制波角频率，𝜑𝜑为相位角。由控制器引起的电流谐波分量作用于整个电路，导致高压直流线束中也出现相同的电流纹波。
根据电磁学相关知识，存在电流的地方必然存在磁场，当磁路一定时，磁感应强度 B 与电流 I 成正比，因此磁场中同样存在由基波电流、死区效应谐波电流以及边带谐波电流引起的磁场分量；根据麦克斯韦应力张量，当磁路磁导率一定时，磁场力的大小与总磁感应强度 B 的平方成正比，由于总的磁感应强度 B 为多个分量的合成，且电流的基波分量最大，因此伞状阶次的力中，最大的为磁感应强度基波分量与边带谐波的磁感应强度分量相互作用力； 由于高压线束距离地板最近处仅 1-2cm，且高压线束无屏蔽层，导致线束中纹波电流产生的磁场直接辐射出来，地板为钢板，是导磁材料，会受到磁场力的作用，这个力直接导致了地板的振动。根据声学中常用的源→路径→响应分析模型，有以下措施可选：1.从源头解决的措施有：如调整控制策略减小电流纹波、控制器内部增加滤波电容等滤波措施；2.路径优化：（1）增加屏蔽措施，分为电屏蔽和磁屏蔽，电屏蔽为使用带屏蔽层线束、线束与地板之间增加导电的罩盖（使用涡流效应屏蔽磁场），磁屏蔽为在线束与地板之间增加导磁的罩盖，使磁场在罩盖处形成回路，从而屏蔽磁场。3.响应优化：这里的响应选取为地板振动，优化地板振动措施为振动较大处增加阻尼（如贴沥青垫片），优化地板至耳旁噪声可在地毯与地板之间加吸音棉。
对于源头措施，由于项目处于后期阶段，这些措施无法施行；对于响应的优化也进行了相关的验证，但效果较路径优化略差，因此选择了路径优化中的电屏蔽：使用铝罩盖（非最优措施，但结合项目最终选取此措施）。
3 结论
新能源车型中电驱动噪声作为传统车发动机噪声的“替代”，其产生机理增加了电/磁的影响，因此需要深入理解电、磁、机械三者之间的关系，才能评估出最优的解决方案。本文中最终选取的方案为铝罩盖，其实对于隔磁来说，硅钢罩盖及线束加屏蔽层的效果要优于此方案，但声学的解决方案也是多方平衡后才能选择的，比如硅钢方案，由于硅钢的“脆”的特征，其生产、安装工艺及耐久上可能无法满足要求，而屏蔽层方面前期取消也是基于成本等因素考量的结果；也就是说任何措施的量产都有各种因素需要考虑，并从中选取综合各因素后最优的措施。本文中的问题出现后，首先进行了原理上的分析，基于原理制定相应的方案，评估可行性并验证效果，最终选择高压线束增加铝罩盖的方案，将问题顺利解决。作者单位：岚图科技有限公司
来源：2023年汽车NVH国际研讨会论文集
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首次发布时间：2024-05-17
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