天际汽车张帆:整车电驱系统NVH问题挑战和解决方案

NE时代

阅读 588   更新于 2021-06-22 08:57:17

2021年6月17-18日,由NE时代主办,上海电驱动股份有限公司和华域汽车电动系统有限公司战略合作,精达股份总冠名的“2021全球xEV电驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。

以下为天际汽车张帆演讲实录,主题为《整车电驱系统NVH问题挑战和解决方案》。

首先说一下天际汽车,我们公司成立于2015年,公司base在嘉定,我们去年有一款车智能SUV天际ME7已经上市,上海有两家体验店,分别在晶品购物中心(愚园路68号)和宝山郑隆店(潘泾路439号),大家感兴趣可以试乘试驾。 同时在国内主流的一二线城市,像广州、北京、成都、武汉、南京、长沙等等,也有我们的体验店,也欢迎大家试乘试驾。

我今天演讲的主题,是关于整车电驱系统NVH方面的,我主要从八个方面来阐述一下:第一个方面电动汽车NVH面临的挑战,然后是天际电驱NVH的开发流程,接下来是电机控制器相关噪音解决方案,电机的噪音,减速器的噪音,电驱系统噪音解决方案,然后介绍一下电驱系统抖动的解决方案,最后是电驱新技术发展带来一些新的NVH问题。

电动汽车NVH面临的挑战

当前 我们电动 汽车NVH,主要面临这么六个方面挑战:

车外行人警示音;

车身激励频率变化;

方向盘不同模态避频策略;

悬置设计在隔振与抗扭两方面的权衡;

车内的吸音隔音问题;

最后一个动力总成的噪音,也是各家NVH一个老大难的问题,包括减速器的噪音,如减速器的齿轮修形,差速器噪音,轴承噪音等等。电机这边主要是定转子拓扑引起的噪音,定转子扭振的噪音,还有轴承也会存在一些高速情况的噪音,包括低温情况下可能会有一些异响。MCU作为控制器主要是辅助解决噪音问题,是一个辅助的手段。现在比较多的做法是电流谐波补偿,IGBT在低转速位置5K频率优化。复合静音材料的应用,现在做三合一,原来电机跟减速器影响不到控制器,现在是互相影响,材料层面也是要做一些优化。其他像整车系统级的异响,低转速下Tipin/Tip out打齿的声音,减速器电机花键配合,还有悬置半轴尺寸配合,最后就是电驱系统的抖动。

天际电驱NVH开发流程

针对电驱系统NVH问题的解决,天际汽车有着一套完整的开发流程,我们会在前期需求定义阶段,给我们合作伙伴,一个完整的不同转速下全扭矩范围内的噪声限制曲线要求,同时对单阶次的噪声和overall噪声有一个差值的要求。

第二个在产品设计阶段,我们天际电驱团队本身是有电驱设计能力的,所以我们会在前期包括电磁方案的分析,扭振的分析,跟我们的合作伙伴提供一系列的建议包括专利,无偿分享给我们的合作伙伴。从仿真方面,天际也会跟合作伙伴一起做一些噪音,扭振和谐波电磁力的仿真和优化。

样品制造完成之后,接下来是单元测试,一个是组件各个组件模态的测试,包括应用工况下单体组件测试,控制器盖板模态测试等等。接下来是系统测试,我们系统测试并不单指电驱系统台架的NVH测试,还包括在车上测电驱系统的NVH。测出来有问题之后,再回过头对产品进行设计迭代优化。最后确保我们交到天际整车NVH部门手里面的,一定是一个很好的方案,优化过几轮NVH的电驱系统,整车只需要验收就完了。剩下如果再有局部NVH问题,整车再去做一些附加隔音。

天际跟其他OEM不太一样的一点,我们会把电驱NVH问题,在电驱部门内解决掉,不会说产品快到C样甚至PPAP了,交给整车测试部门再测出问题。因为这个时间点就比较晚,产品再改其实是来不及的,这时候再想上一些整车的吸音隔音措施,对于产品NVH问题是很难有效的解决。

电驱NVH问题的解决,一定要解决在前端,包括设计端、仿真端、电驱各个单元及系统测试端。

电机控制器相关噪音解决方案

谐 波 注入, 刚刚都有聊过这个问题。 谐波注入其实就是通过一个谐波抑制算法计算出谐波电压,对电压使用谐波电压进行补偿,我们这边是以5次、7次谐波为例,对应主要是对应24阶的噪音。 天际ME7,我们在早期开发遇到一个问题: 车辆加速或者是滑行的时候有一个尖锐的噪音,分析是来自24阶的噪音,转速范围在1500-2000左右比较低。

针对这个问题做了一个改进,通过前馈控制,使用PI调节,将5,7次电流谐波分量,控制到0。谐波注入呢,受电机基础标定影响较大,电机电感参数标的不准,也是没有办法做好谐波注入降噪的。这个是5,7次谐波的电压方程,这个是谐波抑制算法的控制框图介绍。

这个是软件优化做的测试对比,可以从图上看出来,无论是整车测试还是台架测试,谐波注入对24阶噪音有很大的削弱效果,不同台架工况共振峰值处噪音降低12分贝以上,针对整车抱怨工况峰值处噪音降低13分贝。

主要是针对低转速下24阶噪音有效,针对48阶噪音其实效果很有限,48阶噪音整车和台架测出来的NVH问题,更多集中在弱磁区域。现在使用的芯片还有一个负载率的问题,一般目前做的比较成熟的是解决一个阶次的噪音问题,还没有看到有两个噪音阶次都解决的。

跟MCU相关的噪音,还有一项新技术,就是复合静音盖板材料。我们ME5车呢,在开发早期遇到了中速段啸叫,分析下来,噪音频率与电机控制器盖板一阶弯曲模态吻合,这块存在噪音尖峰点。就是这两个位置,这两根线一个是电机噪音阶次,一个是减速器的。这是我们自己做的一个模态测试结果。

我们当时考虑做了两版优化,原来一阶弯曲频率是460Hz,我们当时考虑把这个盖板做成凹凸提高刚度,模态提升到807Hz。当时想把这个噪声峰值点往后移,移到整车车速提上来之后,希望路噪胎噪可以把这个声音给遮掉。第二个措施想上静音复合板材料,国外MSA和国内保力迈拓也在做这种材料。这个材料跟我们普通的铝材料不同,是在两层冲压铝板中间有一个阻尼材料,加了阻尼材料之后,在有噪声源的情况下,是很有优势的。盖板在变形的过程中,通过两套铝板之间拉动阻尼层,通过阻尼层受拉动的耗能衰减这个振动,最终减少往外辐射的噪声。

这个是我们针对原来状态跟两种改进方案的测试对比,通过测试,可以发现针对减速器的6.58阶的噪声,(注:红的是原状态,蓝的是改变模态往后移的,绿的是使用静音复合材料的),静音复合材料把整个噪声尖峰点都摸平了,没有特别突出的点。在电机的8阶噪声也是有同样的表现,甚至说在这组其实弱化的更厉害。减速器21阶更不用说了,提高钢度这种在低转速NVH恶化蛮明显,绿的(注:复合静音材料)这个基本没有太大的恶化。提高盖板刚度对局部的噪声有改善,但噪音突起点后移,且没有被路噪胎噪覆盖掉,主观评价不接受。静音复合盖板对NVH有很大的改善,主观评价可以接受,目前这个材料在天际ME5新车型上面已经有了应用。

电机噪声解决方案

电机大家都知道电机噪音不可避免,因为定转子拓扑结构决定的。针对电磁噪音问题,天际汽车有一套完整的电磁NVH分析的方法论。图中我们给出了三种电磁方案,其中第三种是天际自主设计的。我们在隔磁孔上面做了很多优化,包括谐波引流,以及dq轴中间转子表面开槽等等。

我们知道,6倍频和12倍频电磁力是导致24阶和48阶噪音的两个源头。那么天际分析下来,我们的方案在这两个谐波电磁力,还是有很大优势的,大家可以看到这两个值都比较低,12倍频电磁力更是远低于行业水平。

转子开槽有些家开在d轴上,一定是因为生产线好装夹,对NVH改善没效果。直接开在q轴,整个扭矩性能会掉下来,一般是开在dq轴中间。这个是提取谐波电磁力,对特殊的工况点,峰值扭矩的工况点做了声压跟振动的计算。我们取了两个读数点,这个声压值比较大,振动跟声压在电磁力波频率处在幅值。电机声压和振动趋势比较吻合,通过完全闭环的分析,在前期能够给合作伙伴在电机电磁方案设计上,提供一个参考意见,完成多目标优化。

电机除了电磁噪音,当然还有机械噪音,最突出的就是轴承跑圈噪音,尤其是浮动端的后轴承。这个是我们在ME7开发早期遇到的一个问题,电驱系统加速工况下,存在2/3/4/5/6/7/8/9阶异常阶次噪音,这里面呢2/3/7/9阶为电机输入轴系的动平衡问题;最后分析下来是电机B端轴承出现跑圈现象,引起旋转动平衡噪音问题。我们最后通过轴承钢套提高硬度和使用带O圈的轴承,有效解决了轴承跑圈问题,彻底根治了这个噪音问题。

去年冬标,我们遇到个新问题,电机轴承低温噪音。当然了,这个问题,我了解到,基本是行业通病。零下30℃环境温度,电驱系统冷启动,存在分数阶3.63阶及4.64阶系列倍频,与电机轴承阶次是吻合的。最后发现是低温下轴承润滑脂粘度大,低温冷启动时,轴承不能充分润滑导致了异响。解决方法很简单,更换低粘度轴承油脂。这两种是克虏伯和协同的轴承油脂,配SKF和FAG轴承的,这两种是SKF自己开发的油脂,其中这三种就是我们所说的低粘度油脂。

当然了各家整车销售的地区和环境不一样,这个更换还是要在确保可靠性前提下,确保电机高温耐久试验没问题,才敢切换。

减速器噪音解决方案

减速器开发过程中,一定要经过至少两轮的齿轮修形,他的金刚滚轮才能投下去,否则做出来的东西NVH一定是不友好的。 不同转速下,齿轮是有形变量的,而且是不同的,这个就需要我们根据整车对减速器的实际使用情况,确定最常用的工况范围,我们根据这个工况来做设计优化。 这些修形呢,主要有这么6个齿形量。 天际ME7开发我们总共做了至少3轮齿轮修形。 这个是我们通过修形,优化鼓形量和斜形量,优化了齿轮传递误差,通过测试发现NVH峰值点优化了至少8个分贝,效果非常明显,措施有效。

再一个差速器垫片,最近看了好几家找我问这个问题。这种噪音呢,正常你直线行驶不会发现,就是在转弯的时候,左右轮速有速差,差速器工作,才有问题。这里有一个差速器垫片,产生摩擦的噪声异响。大家能想到的解决方案:

半轴齿轮垫片,由原来的金属材料改为高强度自润滑工程塑料;

再一个降低差速器内部摩擦副的振动激励;

还有半轴增加动力吸振器;

最后更换极压添加剂和抗磨剂更好的润滑油,改善润滑效果。

后面三个大家不用试了,没有效果,只有第一个措施有效。大家可以关注下,就是这个位置。

电驱系统噪音解决方案

NVH包含了三个意思,噪音,振动和声振粗糙度。我接下来说下振动引起的抱怨。Tip in tip out问题。电动车因为节能的需求,开发了单踏板模式,伴随着踩油门松油门,电驱减速器因为扭矩过零切换打齿,容易引起抱怨,这是个行业共性问题。这块是我们产品开发早期实采数据。

大家能想到的解决办法也挺多,比如VCU扭矩需求标定,减小扭矩过零斜率;阻尼片隔振;总成2级隔振;总成质心与悬置中心重合;减小传动系统间隙到0.06~0.16这个天际已经做到合理区间。

我们试了下,对VCU请求扭矩,在过零位置进行斜率优化,时间从0.07秒延长到了1秒,但是异响依然存在,主观感受变化不明显。证明刚讲的第一个办法无效。在噪音源上面贴阻尼片,进行隔振,发现从振动冲击信号对比来看,被动吸振降噪方案效果不明显;冲击信号噪声时频分析来看,被动吸振降噪方案甚微,第二个办法pass。最后呢,上了两个措施,一个是电驱总成质心位置与悬置几何中心位置重合,再一个是电机悬置改成了二级隔振,我们发现明显隔振效果和打齿声音比以前优化了很多,对单踏板模式tipin/tip out打齿噪音非常有效。

接下来说下电驱系统传动系扭振问题。扭振问题,主要表现为电机与减速器,或者其他传动系组件,在低转速段发生共振。共振带内,电机阶次噪音,减速器阶次噪音都比较大,且随着扭矩波动变小,电机阶次噪音越低。

天际提供了一种解决扭振问题的方法论。产品设计初期,针对传动系,建立一套完整的集中质量模型,包括电机转子,减速器齿轮,差速器,车轮和整车平移质量,我们针对不同的组件和连接,赋值不同的转动惯量和扭转刚度。

根据这套模型,分析得出一阶扭振响应在各部件均较大,整车出现扭振峰值,引起整车抖动;电机转子及车轮上主要是一阶和二阶扭振;减速器各齿轴出现三阶和四阶扭振,也会带来噪音问题。通过分析,我们可以在产品设计前期优化电机转子的斜极,以及减速器的齿比选择。

电驱系统抖动解决方案

电驱 系统 抖动影响驾驶舒适性,亦是NVH重点优化对象。 我们的目标呢,主要是要消除传动系间隙造成的转速波动,针对不同转速,不同扭矩下的补偿系数和补偿扭矩给出二维表,给出不同的补偿扭矩,作为输出扭矩一部分,消除抖动。

Damping补偿一定要特别注意防止补偿反相,补反了容易造成发散;同时要选择合适的补偿扭矩大小,补偿过大了,扭矩响应延迟,跟随性变差;补偿过小呢,减小抖动效果又不明显;再一个damping标定前,一定要确保车辆状态良好,清除传动系上的异物,比如车辆轮毂上的积雪等等。同时,天际汽车认为对于高频的抖动,damping补偿效果不大。

这个是我们ME7电驱做的damping标定测试对比,Damping开启,补偿扭矩,有效抑制转速波动消除抖动,转速平滑变化,提高了舒适性。天际ME7damping标定,覆盖了低附路面,高低附切换路面,高速扭矩过零切换等诸多工况,做的工作还是非常全面的。

驻坡模式,主要用在单踏板停车,优势是消除传统AutoHold驻车的噪声及起步时的释放EPB的扭矩冲击。而且MCU直接控电机停车,避开了can网络上跟VCU和EPB交互时间,响应也要快一些。我们的控制目标是转速扭矩同时到0,尽量减少超调,确保整车无后溜。减速度呢,向一个方向变化,平滑过渡。

主要是通过双闭环控制:转速环、稳定后锁定转子位置;需要特别注意进入、退出时的扭矩衔接,退出时要考虑外界的干扰,如刹车、油门、EPB、Creep,进入时VCU只给模式指令,不给扭矩,MCU进行控制。整个过程中呢,上坡、下坡、平路、梯形坡,动态检测坡度变化(加速度、整车惯量计算)。轻踩油门:不退出驻坡模式。

当然面临的挑战就是加速度我们希望朝一个方向变化、先缓后急,另外一个电机高频抖动问题的解决,这个可以通过一些谐波注入。

电驱新技术带来的NVH的问题

整 车 对电驱NVH要求越来越高,主要体现在主动降噪,引入和弦概念,以声消声。 丰田NVH专家说过: “当噪声达到70分贝以下时,继续降低噪声需要花费大量的人力、物力、财力,所以我们要去改变噪声,让噪声变成我们想要的音乐……”通过优秀的声品质设计,打造车辆专属的声音品牌。 当然这也是天际汽车对自己的要求。

未来电驱产品发展,无非几个大的方向,多合一总成,800V高压系统,辅驱脱开机构抑或是异步电机等等。这里面我们面临的几个新问题主要有,多合一总成附属结构件模态问题,800V电驱系统升压boost功能,带来的电机抖动问题,以及四驱控制策略带来的辅驱电驱系统相关噪音问题。我觉得这个还需要大家仔细想想。

以上是我的主题分享。感谢大家聆听。天际汽车ME5增程汽车即将上市,这款车续航1012km,在NVH和动力性方面,我们做了很多工作,也欢迎大家关注我们的天际汽车App,或者是ENOVATE天际汽车公众号,预约试驾我们的天际ME5,这款车真的很不错,价格也很友好。

谢谢大家!

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