混合动力电动汽车减振降噪技术研究

廖连莹，李新文

（1.常州工学院机电工程学院，常州213002；2.中国人民解放军驻东风公司军代室，十堰 442000）

混合动力电动汽车除了在环保和节能上有出色表现外，在噪声与振动整体控制上也体现出了一定的优势。然而，混合动力电动汽车相对于传统内燃机汽车，增加了电池组和电机等零部件，在结构上较为复杂，工作状态也发生了变化，由此引起的噪声与振动源和其特性上发生了较大改变。如噪声和振动源的增加且呈分散特点，导致噪声和振动特性分析难度加大；整车室内外声学环境噪声的减小，改变了噪声源的贡献比，从而导致了车室内外声品质和噪声等级的改变；发动机和电机等设备的频繁起停引起瞬态冲击振动和高频噪声现象突出；大质量电池的增加和布置导致整车结构模态的改变等。因此混合动力电动汽车的噪声和振动控制的侧重点和控制方法均和内燃机汽车有所不同。本文就混合动力电动汽车结构和工作特点发生变化，引起的噪声和振动特性发生改变进行了分析，并针对这些特点提出减振降噪措施。

1 混合动力电动汽车结构及工作特点

1.1 结构特点

混合动力电动汽车结构形式可分为串联式、并联式和混联式三种。串联式动力系统发动机不直接驱动车轮，而是作为动力源来驱动发电机发电，发出的电一部分输送给电机来驱动车轮，另一部分则给蓄电池充电。并联式动力系统采用两套独立的动力系统——电机动力系统和发动机动力系统。它可以根据不同工况，由发动机单独驱动，电机单独驱动或者两套动力系统同时驱动车轮来获得最佳动力。混联式动力系统，又称串并联式动力系统，它综合了串联和并联的优点，但结构复杂，成本较高[1，2]。 丰田普锐斯（Prius）是典型的混联动力系统，见图1。

从图1中可以看出混合动力电动汽车的结构相比传统汽车已发生了较大的变化[3，4]。具体表现为：

（1）动力源的增加。除了发动机提供的机械动力，还增加了大质量HV电池和变频器总成提供的电能动力。

（2）驱动桥发生了重大改变。混合动力电动汽车驱动桥由传统汽车的单一的变速器，变成了由发电机（MG1）、驱动电机（MG2）和电机减速行星组件（动力耦合装置）组成的驱动桥总成。

（3）结构布置发生改变。发动机、混合驱动桥总成和变频器布置在汽车前端，原发动机舱位置。大质量HV电池布置在汽车后部的行李舱内，这种结构的改变也导致车上质量分布的改变。

1.2 工作特性

以混联式动力系统为例，混合动力电动汽车可以通过动力耦合装置，根据不同工况车辆对动力的需求，来合理控制发动机与电机之间动力输出。与并联式混合动力系统相比，混联式动力系统可以更加灵活地根据工况来调节发动机的功率输出和电机的运转，其工作特性可概括为以下几点。

（1）车辆起动及低负荷时，发动机不工作，HV电池给电机提供电能，由电机单独驱动车轮运转。

（2）正常行驶工况时，发动机开始工作，发动机通过动力耦合装置，将一部分动力分配给发电机为驱动电机运转提供电能，另一部分动力则直接用来驱动车轮运转。

（3）加速或大负荷时，发动机工作，发电机和HV电池同时输出电能，驱动电动机运转，并通过动力耦合装置与发动机共同驱动车轮运转。

（4）减速或制动时，驱动电机转换成发电机，把减速或制动时的动能转换成电能，并给HV电池充电。

（5）当HV电池储存电量低于某一设定值时，发动机运转，驱动发电机给HV电池充电。

（6）当车辆停止时，发动机及电机均不工作。

2 动力源增加引起振动、噪声分析及控制

2.1 动力源振动与噪声源分析

（1）发动机

在混合动力电动汽车中，虽然发动机噪声与振动源得到了一定的改善，但它仍然是噪声与振动的主要来源。混合动力电动汽车的发动机的噪声与传统汽车发动机基本一样，主要包括燃烧噪声、机械噪声和排气噪声等[5]。

（2）HV 电池冷却系统

混合动力电动汽车配备大容量HV电池，HV电池在工作时产生大量热量，因此需要一个冷却系统对其进行必要的冷却。冷却系统一般由进气管、冷却风扇、排气管和气道组成，如图2所示。冷却系统在冷却过程中，气流流动将产生气流噪声，而电池冷却风扇工作也将产生一定的噪声。相比于传统内燃机汽车，HV电池成为混合动力电动汽车新的噪声源。

另外混合动力汽车增加HV电池，其质量都很大，轻的几十公斤，重的达几百公斤。这些电池通常采用刚性连接或者较硬的弹性连接与车身相连，若整车车身刚度和连接刚度不够高，容易出现接触面摩擦异响噪声问题。另外这些质量较大的电池集中布置和支撑会影响到车辆的结构模态。

（3）变频器总成

变频器结构主要由电感和斩波电路组成，当它工作时，斩波电路的高频切换将在电感里产生交流磁场，同时伴随着磁致伸缩、线圈振动和磁芯收缩膨胀等现象的产生。从变频器总成产生的振动和噪声也成为混合动力电动汽车新的振动和噪声源，且噪声的大小随电流的增大而增加，比如在车辆加速和再生制动过程中噪声较大[6]。

2.2 动力源振动与噪声控制技术

（1）发动机

就发动机本身的振动和噪声的控制，主要包括：降低燃烧噪声；降低活塞、正时齿轮、配气机构等运转产生的机械噪声；降低风扇噪声；降低排气噪声等。

（2）HV电池冷却系统

对于HV电池冷却系统产生的噪声和振动，首先选用高品质风扇，减少风扇本身产生的振动和发出的噪声；其次冷却系统的进排气口及通风管路进行空气动力学研究，运用仿真计算和试验研究，改善冷却系结构设计，达到降低振动和噪声的目的。

为了降低由于布置和支撑对整车结构模态的影响，可以采取以下措施：一是采用锂电池等比容量大的电池，尽量减少电池的重量；二是运用仿真软件对电池在整车上的布置形式进行仿真研究，找出合理的布置，尽可能把电池布置在靠近整车模态振型的节点处，提高整车模态频率[7－9]。

（3）变频器总成

通过降低变频器磁致伸缩、线圈振动以及磁芯的膨胀收缩产生的噪声，降低从变频器产生的空气传播的噪声和结构传播的噪声，来降低变频器总成在汽车内部的噪声。具体措施为：①提高磁芯材料性能，如适当增加电磁线圈磁芯的硅含量，能有效减小磁致伸缩量[10]，如图3所示；②改进升压电路系统壳体和支架的振动特性的措施，有助于降低结构传播的噪声。

3 驱动桥改变导致的振动、噪声分析及控制

3.1 驱动桥振动、噪声分析

（1）发电机和电机

发电机（MG1）和电机（MG2）在混合动力电动汽车中，除停驶工况外，其他工况均单独或共同参与工作，工作时将产生振动和发出噪声。但是当发动机停止工作时，因少了发动机发出的噪声，导致本底噪声较低，因此发电机和电机产生的噪声和振动就尤为突出。

发电机和电机的噪声主要包括电磁噪声、空气动力性噪声和机械噪声。电磁噪声是发电机和电机最主要的噪声，它的频带通常分布在 400～2 000 Hz之间。在这个频带范围内，人耳具有很高的灵敏度，可能引起强烈的噪声感觉，严重时表现为刺耳的啸叫声。机械噪声是轴承、转子和电刷等部件运转所产生的噪声，随着转速的增加，机械噪声越明显。空气动力性噪声是空气和电机之间的相互作用而产生的噪声。

（2）动力耦合装置

动力耦合装置是并联式和混联式混合动力电动汽车重要的部件，它主要作用是耦合发动机和电机动力来共同驱动车辆。典型的动力耦合装置采用行星齿轮结构，太阳轮与发电机（MG1）相连，行星齿轮架与发动机相连，而齿圈则与电机（MG2）和传动系相连，如图4所示。

动力耦合装置在工作中不可避免的会产生振动和噪声，一是行星齿轮机构运转时产生的机械振动和机械噪声，二是几种动力耦合不平顺所产生的振动冲击和噪声，三是发动机的转矩波动引发的动力耦合装置的振动和噪声。

3.2 驱动桥振动、噪声控制技术

（1）发电机和电机减振降噪措施

减少电机产生噪声的措施包括：一是通过合理设计爪极，选择适当气隙磁密以及合适槽配合等措施减少电磁噪声；二是通过优化转子、定子形状和优化永磁体形状和布置形式来减少电机的扭矩波动；三是通过优化转子、定子、驱动桥壳体的共振频率，提高驱动桥壳体刚度等措施改进电机振动特性。

（2）动力耦合装置减振降噪措施

一方面是改进动力耦合装置的机械结构，减少运动过程中产生的振动和噪声。另一方面更重要的是对几个动力源的耦合进行合理控制，减少耦合过程由于不协调而产生的振动和噪声。以图4所示的行星齿轮机构形式的动力耦合装置为例，可以采用控制电机的手段减少振动和噪声，特别是在减小起动阶段的振动和噪声效果较为明显。根据图4所示的动力耦合装置的结构布置，可以分析出MG1、发动机和MG2的转速关系，如图5所示。

为了减少动力耦合过程中产生的振动和噪声，对MG1采用前馈控制，根据曲轴转角来预测曲轴扭矩波动。根据预测结果，对MG1进行扭矩补偿以改变MG1的转速，使得MG2连同动力输出轴的转速波动最小，从而达到减小动力耦合装置振动和噪声的目的。

4 工作模式改变导致的振动、噪声分析及控制

4.1 振动与噪声分析

（1）频繁起停引起的汽车振动与噪声

发动机起动阶段的噪声与振动信号表现出明显的非稳态特征，且幅值比怠速时大[11]，如图6所示。从混合动力电动汽车的工作原理可以看出，发动机在各种工况运行中，需频繁地在起动和停机中切换，从而不停的产生瞬态冲击和高频噪声，给混合动力电动汽车的噪声和振动控制带来不利影响。

（2）发动机低速运转时导致车身振动和产生嗡嗡声

混合动力电动汽车为了获得较高的热效率，发动机必须在高扭矩区域内工作。当发动机低速运转时，发动机的燃烧将引起最初扭矩的波动。加之发动机与传动系之间没有离合器而直接相连接，使得发动机的扭矩波动激发了传动系的扭转共振，因此发动机将引起车身振动和嗡嗡噪声。

（3）加速时发动机产生的噪声

在混合动力电动汽车中，MG1和MG2往往通过行星齿轮机构相连，并且通过控制两个电机的动力和转速输出，可以实现汽车平稳加速而使发动机保持在最小燃油消耗工况。而且由于MG2的助力，使得混合动力电动汽车的加速性能优于同排量发动机的内燃机汽车。然而，以燃油经济性为优先控制的混合动力电动汽车，在同样加速工况下，其发动机转速要高于传统的自动变速器的汽车上发动机转速。这一特点导致了混合动力电动汽车在加速时，噪声要比传统的自动变速器的汽车噪声大［10］，如图7所示。

4.2 振动与噪声控制技术

（1）发动机起停振动及噪声控制技术

发动机起停振动及噪声控制是混合动力电动汽车振动和噪声控制最关键的技术，可采取的措施较多，主要包括：

①采用电子控制技术，推迟点火提前角，延迟进气门关闭时间，控制燃油喷射量等措施来改善发动机的燃烧，从而降低振动和噪声[12]。

②由电机拖动发动机起动时，产生的振动大小与活塞初始位置有紧密联系，当活塞初始位置在进气门关闭后且接近上止点时，起动振动较小。因此只要在发动机熄火时，通过控制发电机旋转角度，把活塞停止位置控制在预定位置，将能达到较好的噪声和振动控制效果。

③提高充当起动机的发电机起动扭矩，来减少由动力装置扭转共振和发动机支架共振所引发的车辆地板振动。

④通过缩短动力重心与转动弹性轴之间的距离，增加扭振减振阻尼器等方法，来改进发动机的悬置问题。

⑤合理控制混合动力之间的切换[13]。

（2）发动机低速运转时导致车身振动和产生嗡嗡声

一是提高发动机性能，避免发动机扭矩的波动。二是在发动机与变速驱动桥之间安装一个扭振减振器，减少由于发动机振动对传动系共振的影响，从而也降低传动系的共振对车身振动的影响。三是优化发动机的悬置系统，并设计先进的传动系减振器，来降低车身振动和减少嗡嗡声的产生。

（3）发动机加速时产生的噪声

为降低发动机加速时产生的噪声所采取的措施有：一是合理控制发动机转速上升速率；二是通过降低仪表板的振动，优化挡风玻璃的振动特性和优化车顶加固等来减少车身的声压灵敏度；三是降低发动机支架和进排气系统的振动及噪声。

5 结论

根据目前混合动力电动汽车领域的研究开发现状，从混合动力电动汽车结构特点和工作特性出发，总结了混合动力电动汽车常见的振动和噪声问题，但也并不全面，之后对相应问题提出了解决思路。

混合动力电动汽车技术本身就是一项较新的技术，人们对其燃油经济性和排放性能研究较多，但对其振动和噪声控制并未受到很大关注。但振动和噪声问题在混合动力电动汽车上也是个不容忽视的问题，因此在这方面的研究空间还很大。特别是发动机起停时瞬态振动分析和控制技术，动力耦合动态过程分析和控制技术，动态模式切换过程中的振动和噪声控制技术将是未来混合动力电动汽车振动和噪声控制的关键技术。

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