基于定置工况下的纯电动汽车子系统噪声振动控制方法

段德虎

（大运汽车股份有限公司，山西 运城 044000）

纯电动汽车子系统噪声和振动是指空调系统开启后，电子风扇、压缩机、鼓风机子系统联动工作表现出的车内噪声振动。对燃油车而言，发动机引起的车内响应不仅可以遮蔽掉子系统的噪声和振动，并且驾乘人员对发动机的噪声和振动接受程度较高。与之相比，纯电动汽车缺少遮蔽激励源，且子系统在恒定转速工作时表现出窄频能量较为集中的特性，容易被驾乘人员感知且驾乘人员接受度较低，因此，子系统噪声在纯电动汽车的噪声、振动与声振粗糙度（Noise, Vibration,Harshness, NVH）中越来越突出。

秦望等[1]和谭雨点等[2]分别通过增加压缩机支架衬套和提高被动端支架刚度来改善衬套的力传递特性；张静等[3]通过改善电机和外壳体隔振降低鼓风机的电磁噪声；刘铁军等[4]发现电子风扇动不平衡量是影响方向盘振动的主要因素，其次是电子风扇安装衬套的硬度和安装衬套的安装方式；金明等[5]经过试验研究表明，电动压缩机不但需要避开其他激励源的转频，同时也需要避开本体的刚体模态。目前行业对纯电动子系统联动工作时的车内振动噪声问题研究较少，缺少系统性的解决调教方案。本文以某款纯电动车的子系统噪声开发调教为例，从子系统转速控制策略方面，介绍纯电动汽车子系统噪声和振动的控制方法。

1 建立客观避频矩阵

1.1 鼓风机子系统噪声水平控制

本文阐述的控制方法关键点其一是以鼓风机充当遮蔽声源，遮蔽压缩机子系统工作时的噪声。因此，首先要锁定鼓风机各挡位下满足主机厂噪声目标的工作转速，然后在此基础上确定压缩机子系统工作转速的区间。鼓风机子系统挡位转速确定方法有以下几种。

1.1.1 鼓风机子系统噪声目标制定

以主机厂某款纯电动汽车开发为例，本车型性能大纲制定鼓风机子系统最低挡噪声目标为39 dB(A)，最高挡噪声目标为64 dB(A)。本车型鼓风机共有8 个挡位，参考数据库中各车型鼓风机挡位噪声实测值的排列情况，测试工况为吹面、内循环；测点为驾驶员右耳；噪声单位为dB(A)，采取线性插值的方式补全中间挡位的噪声目标，插值微调后的鼓风机各挡位目标如表1 所示。由表1 可知，哈佛、MG 和本车型鼓风机噪声与BMW相比均有一定差距，本车型最低挡噪声和哈弗、MG 基本一致，中间挡和高挡位均优于这两款车。考虑到供应商水平、车型定位和性能大纲最终采用表1 中各挡位目标值作为本车型鼓风机噪声目标，其他主机厂开发时，可以制定符合其性能指标的目标值。

表1 鼓风机子系统噪声目标设定 单位：dB(A)

1.1.2 鼓风机子系统噪声测试及目标转速标定

标定基本原理为鼓风机子系统噪声随电机转速升高而变大，电机转速与外接电源的电压值呈线性关系。因此，可以通过改变外接电源的电压值从而改变电机转速，同时带来鼓风机子系统噪声的改善。通过振动噪声测试软件（Simcenter Testlab）的在线测试功能可以监测鼓风机子系统电机端振动传感器的电机转速（1 阶动不平衡量换算得出）和车内麦克风的噪声水平，当鼓风机子系统噪声值达到设定的挡位噪声目标时，记录此时的鼓风机转速。标定原理如图1 所示。

图1 标定原理图

某款纯电动汽车鼓风机子系统各挡位目标噪声所对应的目标转速结果如表2 所示，其测试工况为吹面、内循环；测点为驾驶员右耳、鼓风机端盖。至此初步锁定鼓风机子系统各挡位的工作转速和所需要的工作电压。后续利用声音的掩蔽效应，鼓风机子系统工作噪声遮蔽空调压缩机的工作噪声，从而确定鼓风机子系统各挡位下空调压缩机工作转速的上限值。

表2 鼓风机子系统噪声标定结果

1.2 压缩机、电子风扇子系统噪声振动测试

本文阐述的控制方法关键点其二是通过客观扫频测试、方向盘和压缩机系统模态测试方式，确定客观上不达标、需要避开子系统模态频率的转速区间。结合1.1 小节中锁定的鼓风机挡位转速，输出客观避频矩阵，详细方法如下：

1.2.1 方向盘和压缩机本体频响测试

对方向盘和压缩机本体进行频响测试，得到方向盘X、Y向模态为27 Hz，Z向模态为33 Hz，如图 2 所示。对应子系统工作转速分别为1 620 r/min、1 980 r/min，得到压缩机本体X向模态为37 Hz，Z向模态为54.69 Hz，如图3 所示，对应子系统工作转速分别为2 220 r/min、3 280 r/min，后续对子系统扫频测试需要重点关注这些转速。如果有共振问题导致车内响应变大，需要进行避频处理或采用文献[1-4]方案进行优化。

图2 方向盘频响函数

图3 压缩机本体频响函数

1.2.2 电子风扇扫频测试

采用行业常规的噪声测试方式，在驾驶员右耳布置麦克，在座椅导轨、方向盘12 点、电子风扇本体上布置振动传感器，通过外接稳压电源的方式控制电子风扇端电压，从而控制电子风扇转速变化。电子风扇布置的振动传感器监测电子风扇转速，每隔100 r/min 对电子风扇做升速扫频测试，原理图可以参考鼓风机噪声标定，工况为整车静止、AC、OFF；测点为驾驶员右耳、方向盘12 点。某款纯电动车的电子风扇测试结果如图4、图5 所示。

图4 电子风扇扫频测试驾右声压级

图5 电子风扇扫频测试方向盘振动

依据主机厂制定的性能大纲和二级目标，电子风扇低速挡车内驾右噪声目标为 37 dB(A)，高速挡车内驾右噪声目标为 45 dB(A)，方向盘振动小于0.3 m/s2。客观数据表明，电子风扇低速挡位可选转速为1 500～1 700 r/min，高速挡可选转速为1 700～2 400 r/min，高速挡避开2 300 r/min，方向盘模态对应的激励频率转速对整车影响较小，不需要避频处理。结合冷却系统散热对电子风扇高转速的需求，综合评估后得到低速挡转速为1 700 r/min，高速挡转速为2 400 r/min。至此，初步锁定电子风扇的工作目标转速。

1.2.3 电动压缩机扫频测试

在驾驶员右耳布置麦克，在座椅导轨、方向盘12 点、压缩机端盖布置振动传感器。采用控制变量的方式，将鼓风机子系统处于1 挡状态，电子风扇采用标定后的目标转速，确保其他子系统的环境背景噪声尽量不干扰压缩机子系统的测试结果。设定测试环境温度不低于38 ℃，使空调系统处于正常工作状态。通过控制器局域网络（Control Area Network, CAN）信号控制压缩机转速，每隔200 r/min 对压缩机做升速扫频测试，工况为吹面、内循环，鼓风机子系统1 挡、电子风扇最低挡、室温＞38 ℃；测点为驾驶员右耳、方向盘12 点、压缩机本体端盖。某款车的压缩机座椅导轨扫频最终测试结果如图6、图7 所示。

图6 压缩机座椅导轨振动扫频测试

图7 压缩机方向盘12 点振动扫频测试

依据主机厂制定的性能大纲和二级目标，座椅导轨振动目标线为0.04 m/s2，方向盘振动目标线为0.3 m/s2。从客观测试数据可以表明，当压缩机工作转速在4 500 r/min 以上时座椅导轨振动突破客观目标线，最高达到0.068 m/s2；当压缩机转速工作在3 200 r/min、3 500～3 900 r/min、4 100～4 300 r/min 和4 700 r/min 以上时，突破方向盘振动目标线最高为0.6 m/s2，需要避开压缩机本体共振模态转速3 280 r/min。至此得到客观上压缩机转速对方向盘和座椅导轨振动影响的避频区间，压缩机子系统噪声可以利用鼓风机子系统噪声进行遮蔽处理。

1.3 客观避频矩阵

综合上述锁定的鼓风机子系统目标噪声转速（表2），结合压缩机子系统避频区间（图6、图7）、方向盘和压缩机本体频响测试得到的避频转速，建立鼓风机子系统挡位转速和压缩机转速联动的客观避频矩阵，如表3 所示。此矩阵中鼓风机子系统转速经过标定已满足整车噪声目标要求，唯一变量为空调压缩机转速对车内噪声的影响，后续可以利用遮蔽效应确定符合整车噪声要求的空调压缩机转速。鼓风机挡位转速和压缩机转速联动的客观避频矩阵如表3 所示。

表3 客观避频矩阵 单位：r/min

2 建立主观评价矩阵

2.1 掩蔽效应

本文阐述的控制方法关键点其三是利用掩蔽效应，由于某种声音的存在而使人耳对别的声音听觉灵敏度降低的现象被称为掩蔽效应，掩蔽效果和声音之间的频率及声压相关，低频声对高频声可以产生可观的掩蔽效应，随着掩蔽声的声压级升高，掩蔽的频率范围也会越来越大。因鼓风机噪声主要频率成分比压缩机低，且驾乘人员对鼓风机子系统产生的噪声比压缩机产生的噪声更容易接受，因此，将纯电动车的鼓风机子系统作为掩蔽声源，掩蔽开启空调系统后压缩机激励产生的噪声。

2.2 主观评价矩阵

基于表3 中鼓风机子系统噪声目标转速结果，将鼓风机子系统挡位与鼓风电机转速绑定。在鼓风机子系统每个挡位下，开展压缩机子系统在不同转速的主观评价，可依据经验对压缩机和鼓风机转速差较大的项进行免测，减小工作量。主观评价需综合对车内噪声和振动进行评分，特别是对表3 中问题转速进行着重评价，以问题转速为中心，通过增加或减小转速在两侧进行主观评价，以寻找可接受的替代转速。以鼓风机子系统挡位为横坐标，压缩机转速为纵坐标，主观评价得分为Z轴，组成主观评价矩阵，后期输出子系统控制策略时会依据实际情况排除本矩阵主观小于6分的转速。

评价时需保持室温＞38 ℃，电子风扇位于低挡位，以排除外界激励源的干扰，并使空调系统尽可能处于正常工作状态。某款车的主观评价得分矩阵最终评价结果如表4 所示。

表4 主观评价得分矩阵

3 策略输出策略

本文阐述的控制方法关键点其四是以车内温度差为联系变量，将鼓风机挡位转速与压缩机实际工作转速相关联，确保在每个鼓风机挡位下有多个压缩机转速可选择，尽量满足不同性能方向的需求，则车内温度差T2为

式中，T1为车内温度传感器采集到车内实际温度；T0为乘客设定的车内目标温度，温度差T2为联系变量，将鼓风机挡位转速与压缩机实际工作转速相关联。以某款纯电动汽车为例，首先依据表3客观测试避频矩阵和表4 主观评价矩阵，输出鼓风机子系统各挡位下压缩机转速调节范围及避频转速，对问题转速快速通过，然后以温度差T2为联系变量，通过设定不同T2值，将满足车内噪声振动要求的压缩机转速与鼓风机挡位相关联，最后输出控制策略。既可满足车内振动噪声要求，同时也有节能提高续航的作用。经与空调性能专业人员确认某款纯电动汽车子系统详细控制策略如表5 所示。电子风扇转速采用1.2.2 小节确定的转速，低挡位为1 700 r/min，高挡位为2 400 r/min。

表5 鼓风机和压缩机挡位转速策略

压缩机和鼓风机子系统工作转速按照表5 执行，即可满足整车对子系统噪声和振动要求。以车辆定置时电子风扇低挡，鼓风机置于5 挡，温度差T2为3 ℃为例，此时电子风扇转速为1 700 r/min，鼓风机转速为2 580 r/min，压缩机子系统转速为3 000 r/min，当车内温度差T2降低为1 ℃时，压缩机子系统转速变为2 200 r/min。上述例子中的子系统转速经过客观和主观评价确认，均可以满足车内对子系统噪声振动要求。

4 子系统控制策略验证

以某纯电动汽车为例，将表5 中子系统控制策略写入热管理控制器中，搭载样车验证。因为压缩机转速依据温度差T2变化而改变，所以将消声室温度设定为38 ℃，车辆设置内循环、吹面、最冷，使子系统充分发挥工作性能，以主观综合评价为主，结合客观辅助测试对子系统控制策略进行验证，评价结果如表6 所示。随着鼓风机挡位提高，鼓风机工作噪声对压缩机工作噪声掩盖效果更加明显，方向盘振动主观、客观都可接受，整体主观综合评价满足客户要求。

表6 评价结果

5 结论

首先将鼓风机子系统作为遮蔽激励源进行噪声目标转速标定，然后对电子风扇、压缩机子系统进行客观测试，综合客观测试结果得到子系统客观避频矩阵，接着利用声音的掩蔽效应和客观避频矩阵进行主观评价得出主观评价矩阵，最后以温度差为联系变量输出子系统的控制策略。本文从子系统标定转速方向介绍了系统性控制子系统噪声振动的方法，不同车型子系统装配、布置、减振结构的差异性对本方法影响较小，具有较高的可复制性和参考性。