導讀：電動汽車的NVH即噪聲、振動以及平順性品質越發受到關注，不良的NVH品質會降低駕駛員的主觀駕乘體驗，電動汽車由于其本身的低阻尼、高轉速特性，其NVH問題在某些方面相比于內燃機汽車更為突出。
1 電動汽車NVH問題剖析
1.1 整機模態彈性共振引起的高頻嘯叫問題
由于車用電機本體齒槽、磁場設計問題,其輸出轉矩中存在與電機轉速成比例的轉矩脈動階次,在某些特定轉速下某階轉矩脈動的頻率會與整機的共振模態頻率一致,導致電機整機的共振,進而產生高頻嘯叫聲。如圖1所示為某款電機的切向力在不同工作點下的轉矩脈動,其在3000rpm時導致整機共振嚴重,進而產生極高的24階噪聲。
(a) 車用電機轉矩脈動
(b)電驅動系統噪聲分布圖
圖1
1.2 傳動系統扭振引起的整車縱向抖動問題
電動汽車傳動系統由于電機自身的機械阻尼遠低于內燃機,且其整車拓撲結構中一般不存在扭轉減振器、飛輪等被動阻尼和隔振部件,導致電動汽車傳動系統在整個頻率范圍內振動傳遞率高,對共振的阻尼衰減尤其不足,呈現明顯的欠阻尼特性,在輸出轉矩或負載發生突變時,會引起整車明顯的縱向振動(圖2),極大地降低了駕駛舒適性。
圖2 階躍轉矩及對應整車加速度振動
實際上,轉矩突變過程中的振動是由于階躍轉矩中包含各階次的轉矩脈動,而縱向振動正是其中某階次轉矩脈動與傳動系統共振頻率一致而引起的,因此在某些低速起步工況,即便無負載突變依然會由于電機本身的轉矩脈動而引起整車的縱向抖動。
綜上所述,電驅動系統大部分的NVH問題可歸結為電機輸出的轉矩脈動,其一方面存在于電機本身輸出的轉矩中,另一方面存在于轉矩階躍突變過程中,針對這兩類轉矩脈動問題,聯合電子在不增加產品成本的前提下給出了系統而全面的軟件解決方案。
2 聯合電子軟件解決方案
2.1 諧波電流抑制技術——消除諧波電流引起的轉矩脈動
電流控制精確與否決定著車用電機的控制精度,由于傳統矢量控制中僅對基波電流進行了有效控制,當出現電機本體三相設計不平衡、電流或角度采樣誤差、逆變器死區等問題,便極易導致被控電流中出現非期望諧波電流(圖3),進而導致較大的轉矩脈動。
圖3 控制不精確引起的諧波電流
本方案采用多同步坐標系下諧波電流抑制技術,即通過坐標變換將諧波電流提取出來,并將提取出的諧波電流在各自對應的旋轉坐標系中利用PI控制器抑制為零。(圖4)為諧波電流抑制前后的轉矩波動對比結果,可以看出諧波電流抑制后轉矩脈動明顯降低。
圖4 諧波電流抑制前后轉矩對比
2.2 諧波電流注入技術——消除電機本體轉矩脈動
諧波電流抑制技術僅能消除對電流控制不精確所產生的轉矩脈動,而事實上電機輸出的轉矩脈動中還包含由于齒槽以及氣隙磁場非正弦所引起的轉矩脈動,即在三相對稱正弦電流激勵下依舊存在的轉矩脈動,然而,通過合理注入適合的諧波電流卻可以達到轉矩脈動抑制的效果(圖5)。
圖5 諧波電流注入前后轉矩脈動結果對比
因此,在諧波電流抑制的基礎下,進一步開展諧波電流注入技術,通過諧波電流幅值與相位尋優找到適合抑制轉矩脈動的諧波電流,并對各次諧波電流進行精確閉環控制,最終利用噪聲測試設備驗證諧波電流注入前后的電驅動系統NVH性能。試驗結果表明(圖6),諧波注入后電機嘯叫聲在全油門工況下最高下降13dB,而在半油門工況下下降高達17dB!極大的提高了電驅動系統的NVH品質。
(a) POT工況下電機24階近場噪聲
(b)WOT工況下電機24階近場噪聲
圖6
除此之外,通過對比諧波電流注入前后電驅動系統效率發現,盡管諧波注入后低速下系統效率略有降低,但是系統效率MAP整體提升,甚至在某些工況下提升了最高3個百分點(圖7)。
圖 7 諧波電流注入前后效率對比
2.3 主動阻尼控制技術——消除轉矩突變引起的轉矩脈動
針對轉矩突變引起的車輛抖動問題,可以通過降低轉矩上升速率來方便解決,但是其所增加的轉矩響應時間將大大降低整車的動力性及加速性能,而為了同時兼顧整車NVH品質與加速性能,聯合電子電驅動平臺設計了主動阻尼控制技術,其通過對請求轉矩的主動調整達到抑制車輛縱向抖動的目的。其對應的控制效果如圖 10所示,可以看出采用主動阻尼控制后,在保證電機輸出轉矩快速響應性的情況下,電機轉速波動得到明顯抑制。
圖8 主動阻尼前后電機抖動對比
綜上所述,聯合電子電驅動平臺針對電動汽車NVH問題做了系統而全面的分析,并從軟件的角度給出了較為完備的軟件解決方案,并且已經成功的應用到相關的客戶項目上,為客戶在不增加任何硬件成本的情況下提升了產品的品質和競爭力。
