电驱动NVH主观评价标准及应用

摘 要：本文介绍了新能源汽车电驱动领域NVH现状，详细阐述了一种电驱动NVH主观评价的方法，为其他需要NVH主观评价标准的机构提供方向及参考；并通过具体案例及测试分析的方法阐述了PWM谐波产生高频啸叫的机理及消除方法，介绍了傅里叶变换FFT vs Time时频图谱在NVH分析的应用。

关键词：新能源汽车 电驱动 NVH 噪音 PWM

1 绪论

NVH是噪声、振动和舒适性等各项指标的总称。由于结构振动会产生噪声，噪声会影响到舒适性，而舒适性有问题的时候，必然存在一定的振动噪声问题，因此三者在汽车领域同时出现并密不可分，在汽车领域常常放在一起研究。随着近些年新能源车尤其是纯电车的发展，其NVH性能相较于传统燃油汽车具有一定的优势，例如电机驱动的平顺性和低噪音特性，但其频谱更集中，且主要处于人耳的敏感范围，以至于更容易被乘客感受与抱怨。新能源汽车的NVH性能是衡量其驾乘体验的重要指标之一，其中电驱动NVH是电动汽车中的一个重要的研究领域，其性能直接影响到整车的驾驶舒适性和用户体验[1]。

2 电驱动NVH的现状分析

由于电驱动总成的集成度越来越高，整个系统涉及电磁、结构、振动和噪声多个物理场的耦合，耦合模态发生的变化，使得NVH问题的产生与分析变得越来越复杂，其中高频噪声和振动的具体成因主要涉及以下几个方面。

高频电磁噪音：由于电动车没有ICE的遮蔽效应，电磁噪音显得更为明显，尤其是电机本体的电磁谐波以及逆变器的IGBT开关PWM谐波引起的高频噪音问题。

扭矩冲击明显：电机的扭矩响应速度明显高于ICE，这导致瞬时扭矩冲击，从而加剧了传动系统的抖动和高频振动问题。

齿轮啮合误差：齿轮啮合传递误差也会导致高频振动和噪声。这种误差会传递到电机壳体，从而产生辐射噪音[1]。

阶梯特征丰富：多合一的结构包含了电机阶次，逆变器中功率器件开关阶次，减速器阶次以及轴承阶次等。（图1-图3）

电机高转速导致共振风险扩大：与ICE对比，电驱动逐步向高转速发展，目前市场主流的电机最高转速在13000-25000rpm，电机的转速调节范围更宽，意味着振动激励和共振风险的范围更广[3]。

3 电驱动NVH主观评价

由于驾驶者对车辆的NVH提出越来越高的要求，对噪音的评价除了使用专用的仪器设备等，由经过训练的NVH专家结合经验通过人耳评价也是非常重要的一种手段。目前行业有一套主观评价噪音的参考标准，其通过评分的方式对感知的噪音进行主观评价，如表１。

在上述描述中，通过评价内容、探测度、投诉来源等维度对NVH的表现给与1-10分的量化评价，并用于是否制定优化措施的参考。若主观评价处于1-3分的情况下，NVH异常，不可被接受，可能会对电驱动甚至车辆产生一定的损坏，进而影响安全，此时需要尽快分析原因制定优化措施；处于8-10分的情况下，NVH表现优异，通常情况下不需要继续进行优化，避免导致额外的质量成本；处于4-7分的情况下，NVH表现一般，会被较为敏感的用户抱怨，对于NVH的优化需要持续进行，并且如果处于4-5分的情况下，需要在最短的时间内完成优化，避免抱怨的持续升级，造成进一步的批量抱怨事件。

4 电驱动NVH主观评价应用案例

在某车型项目阶段，在路试中接到抱怨，车辆在低速行驶中约5-10km/h时，在车辆外部听到后驱电机发出啸叫声，在车辆窗户全关的情况下，车内未听到此声，车速高于15km/h时，该声彻底消失，NVH整体评分为6分，要求对该问题进行持续优化，提升车辆的舒适性。在主观评价过程中也可以结合需求使用一些测试设备等工具用于噪音分贝值及频率等进行量化，以便用于辅助主观评价，寻找噪音产生的根因及问题分析。如图4，是使用HEAD acoustic SQuadriga III便携数采设备采集的噪音数据，我们可以看到较为明显的尖峰噪音异常。

在进行NVH分析的时候，了解信号的频率相关分布是最基础的分析过程。此时三维幅值谱FFT vs Time分析是一种常用的手段，FFT（快速傅里叶变换）在实时监控噪声和振动变化中发挥着重要作用，主要通过将时域信号转换为频域信号来实现。FFT vs Time分析是一种结合了FFT分析和时间域分析的方法。在这种方法中，FFT结果随时间变化而变化，通常以三维彩图的形式显示各个数据块的结果，所以很容易根据时间轴及频率轴定位噪音特征点。该算法能分析非平稳信号，计算过程是先数据分段，求解每段数据的傅里叶变换，进而按照时间片展开所有的数据结果。对比该产品对应的上一代逆变器的FFT vs Time时频分析图谱发现，上一代产品逆变器时频特征为伞形分布，如图6。被抱怨电驱的逆变器的频谱为阶梯分布，初步判定问题原因为升级产品对IGBT的开关策略变为变频控制，PWM谐波处理不佳，在特定的频率区间产生了异常噪音。

为进一步确定该原因，分别在电驱动（车辆底盘后轴附近）及主驾驶座椅头枕侧布置麦克风，通过开窗及关窗进行噪音数据采集。图5可以看出在开窗情况下，在6k-6.5k Hz频率下有一较为明显的噪音。通过频谱分析，锁定噪音来源于逆变器，进一步判断该啸叫为IGBT开关PWM谐波产生的高频啸叫。

5 PWM谐波产生的高频啸叫的机理及消除

PWM（脉宽调制）谐波产生的高频啸叫主要是由于PWM信号在逆变器或电机控制中的应用所引起的。PWM信号通常是由一系列占空比不同的方波电压组成，这些方波电压用于模拟正弦波电压，从而驱动电机或其他设备。然而，这种方波电压会产生高次谐波，这些谐波再产生高频电流谐波，进而导致电磁噪音。具体来说，PWM信号的基波及其高次谐波频率上的骚扰水平较高，这会导致系统中出现尖锐的“吱吱”或“呲呲”的啸叫声。这种啸叫声通常是因为PWM信号的频率较高，接近或落入音频范围，导致稳压电源电路输出的开关电流产生交变磁场，从而引起电感线圈振动并发出声音。SHEPWM（特定谐波消除脉宽调制）技术通过计算PWM波的开关时刻，消除特定的低阶谐波。其基本原理是通过控制逆变器脉宽调制电压的波形，利用脉宽平均法将逆变器输出的方波电压转换成等效的正弦波，从而消除某些特定的低阶谐波。SHEPWM通过对开关时刻的优化选择，产生PWM信号来消除选定的低次谐波。通过计算和选择合适的开关角，以确保输出电压波形中特定低阶谐波被有效消除。依据该技术，通过软件优化，优化后的噪音值降低约15dB，主观评价从6分变为8分，如图7&8。

6 总结

随着电驱动从三合一到多合一，电压等级的提高，转速高速化，轻量化的发展趋势，未来电驱动NVH的开发、评价及分析会面临更多的挑战，需要探索更多创新的方式、方法及工具。

参考文献：

[1]占雨兰.电驱动NVH特点以及研究现状[J].时代汽车，2021，06（05）：109-121

[2]李志申，崔庆涛，方顺亭.新能源驱动电机NVH开发研究[J].内燃机与配件，2022（19）：109-111.

[3]崔庆涛，马志杰，李志申.混合动力总成NVH开发技术研究[J].内燃机与配件，2022（13）：20-23.