劉　海李洪亮王海洋石月奎

（1.天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津300072；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300）

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多種驅(qū)動模式下的HEV車內(nèi)噪聲分析*

劉海1,2李洪亮2王海洋1,2石月奎2

（1.天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津300072；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300）

【摘要】以某混聯(lián)式混合動力汽車為對象，研究了3種驅(qū)動模式下車內(nèi)噪聲的分布規(guī)律及特征。分析了混聯(lián)式HEV結(jié)構(gòu)布置形式及整車控制策略對HEV車內(nèi)噪聲的影響機理，得到了多驅(qū)動模式下車內(nèi)噪聲分布規(guī)律與HEV控制策略的相互關(guān)系。對比分析了3種驅(qū)動模式下HEV車內(nèi)噪聲分布特征與傳統(tǒng)內(nèi)燃機轎車及純電動車車內(nèi)噪聲分布規(guī)律的異同之處，發(fā)現(xiàn)電動機產(chǎn)生的電磁噪聲對HEV車內(nèi)噪聲影響較大。

1　前言

混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）憑借其良好的燃油經(jīng)濟性、動力性及續(xù)航能力得到了廣泛應用［1～4］。HEV的動力系統(tǒng)主要分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式3種結(jié)構(gòu)形式，混聯(lián)式HEV同時具備了串聯(lián)式和并聯(lián)式的技術(shù)優(yōu)點［5］，然而混聯(lián)式HEV與傳統(tǒng)轎車相比，其結(jié)構(gòu)組成與整車控制系統(tǒng)較復雜，使得車內(nèi)噪聲組成更加復雜［6，7］，噪聲聲品質(zhì)難以達標。

為此，以某典型混聯(lián)式HEV（下稱HEV）為研究對象，分析了在3種驅(qū)動模式下的車內(nèi)噪聲頻譜變化特征，并根據(jù)該HEV主要結(jié)構(gòu)形式及整車控制策略，研究了車內(nèi)噪聲頻譜分布規(guī)律。

2　混聯(lián)式HEV車內(nèi)噪聲信號測試

為獲取精準的內(nèi)燃機輻射噪聲信號，在半自由聲場整車消聲實驗室對該HEV進行了噪聲測試試驗。試驗過程中，對該車的排氣噪聲采取了消聲處理，采用LMS公司生產(chǎn)的高精度電容型傳聲器及LMS ScadaIII多通道聲學測試與分析系統(tǒng)記錄并分析車輛以不同車速勻速行駛時的車內(nèi)噪聲信號。在噪聲樣本采集過程中，每個車速工況記錄1次，每種工況記錄30 s，采樣頻率為20 kHz。測點主要布置在駕駛員右耳位置處（圖1a中a點）和后排左側(cè)乘員右耳位置處（圖1b中b點），聲級計測點布置位置縱向距座椅中心線200 mm，距座位表面垂直高度為700 mm［8］，如圖1所示。

圖1　測點布置位置示意

3　混聯(lián)式HEV結(jié)構(gòu)形式與控制策略

3.1結(jié)構(gòu)形式

與傳統(tǒng)轎車相比，HEV的結(jié)構(gòu)形式發(fā)生了明顯變化，其動力總成系統(tǒng)集成了發(fā)動機、驅(qū)動電機、發(fā)動機啟停電機、變速器、主減速器等部件，可實現(xiàn)純電動運行模式、發(fā)動機驅(qū)動模式及油電混合驅(qū)動模式等工作狀態(tài)，同時通過增加能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及相關(guān)部件而提高了能量的利用率；其底盤系統(tǒng)增加了動力電池總成，同時采用了具備能量回饋技術(shù)的制動系統(tǒng)；其電動泵系實現(xiàn)了HEV的空調(diào)壓縮機系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向助力泵系統(tǒng)、制動助力系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)由傳統(tǒng)發(fā)動機驅(qū)動到電力驅(qū)動的轉(zhuǎn)變。

該HEV的動力系統(tǒng)包括發(fā)電機MG1和電動機MG2，發(fā)電機MG1主要用于調(diào)速，電動機MG2主要作為驅(qū)動電機，二者可根據(jù)實際需求實現(xiàn)功能互換。發(fā)電機MG1和發(fā)動機通過動力分配裝置（行星齒輪機構(gòu)）實現(xiàn)動力按需分配。圖2為HEV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2　HEV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.2控制策略

HEV的驅(qū)動模式取決于整車控制策略，即根據(jù)車輛負荷需求并結(jié)合當前設(shè)備工作狀態(tài)確定發(fā)動機和電動機工作任務［9，10］。該HEV采用了發(fā)動機恒定工作點模式，此時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩輸出平穩(wěn)，通過電動機對輸出轉(zhuǎn)矩進行轉(zhuǎn)矩補償，使得在發(fā)動機工作區(qū)間內(nèi)整個動力源的轉(zhuǎn)矩輸出波動較小，保證了車輛的穩(wěn)態(tài)負荷需求。同時電動機負責動態(tài)負荷需求，避免了發(fā)動機動態(tài)調(diào)節(jié)引起的能耗損失。該HEV整車控制系統(tǒng)通過發(fā)動機ECU、電機管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)及整車信號等來調(diào)整車輛工作模式，其整車控制流程如圖3所示。

圖3　混聯(lián)式HEV整車控制流程

4　不同驅(qū)動模式下混聯(lián)式HEV車內(nèi)噪聲分析

為進一步探討HEV整車NVH特性，將對該車在3種驅(qū)動模式下的車內(nèi)噪聲變化規(guī)律及產(chǎn)生原因進行探討。穩(wěn)態(tài)工況下HEV的驅(qū)動模式包括純電動驅(qū)動模式（20 km/h）、混合驅(qū)動模式（60 km/h）和發(fā)動機驅(qū)動模式（120 km/h）

4.1純電動驅(qū)動模式

該HEV采用了發(fā)動機與電動機互補的工作模式，在起步或低速行駛時僅依靠電力驅(qū)動，發(fā)動機關(guān)閉，此時為純電動驅(qū)動模式。在純電動驅(qū)動模式下，當動力電池SOC大于某一設(shè)定值時，若汽車起動后運行速度或功率小于某一設(shè)定值，則HEV蓄電池給電動機MG2供電驅(qū)動汽車行駛，此時發(fā)動機與發(fā)電機MG1不工作。

以A計權(quán)聲壓級為目標，選擇低速起步模式（20 km/h工況）進一步分析HEV車內(nèi)噪聲頻譜分布規(guī)律。由圖4可看出，無論前排還是后排，車內(nèi)噪聲峰值主要集中在315 Hz以內(nèi)，20 km/h工況下車內(nèi)噪聲最大值出現(xiàn)在頻率為200 Hz時后排座椅處，僅為50.3 dB（A）。此時，電動機MG2電磁噪聲成為影響該車最主要的噪聲源。

選擇20 km/h工況下該HEV駕駛員右耳處噪聲與純電動汽車（Electric Vehicles，EV）駕駛員右耳處噪聲進行對比，如圖5所示。由圖5可看出，純電動汽車車內(nèi)噪聲峰值也分布在200 Hz左右，為50.8 dB（A）。整體來看，HEV車內(nèi)噪聲走勢與EV車相近，在100 Hz左右差異較大，主要是由于兩種車型的結(jié)構(gòu)組成不同導致的。

圖4　純電動驅(qū)動模式下車內(nèi)噪聲頻譜分布

圖5　20 km/h工況下兩種車型車內(nèi)噪聲對比

4.2混合驅(qū)動模式

在混合驅(qū)動模式下，該HEV是通過發(fā)動機和電動機的協(xié)同工作來提供車輛行駛動力。無級變速是通過逆變器調(diào)整動力電池的電壓和電流以及發(fā)電機MG1供給電動機MG2的電壓和電流來實現(xiàn)的。行星齒輪組的齒圈只起到將電動機MG2的功率傳遞到車輪的作用（電動機MG2－減速齒輪－主減速齒輪－車輪），即通過調(diào)節(jié)電動機MG2的轉(zhuǎn)速即可達到無級變速，無需行星齒輪組的參與。

以A計權(quán)聲壓級為目標，選擇混合驅(qū)動模式（60 km/h）來進一步分析HEV車內(nèi)噪聲頻譜分布規(guī)律，如圖6所示。從圖6可看出，無論前排還是后排，車內(nèi)噪聲主要集中在200～1 000 Hz區(qū)域，在60 km/h工況下，車內(nèi)噪聲最大值出現(xiàn)在頻率為500 Hz時后排位置處，為56.8 dB（A）。同樣發(fā)現(xiàn)，在40 Hz、50 Hz、63 Hz、80 Hz 和100 Hz頻率下，后排左側(cè)乘員右耳處噪聲高于駕駛員右耳處噪聲。

圖6　混合驅(qū)動模式下車內(nèi)噪聲頻譜分布

選擇一款與該HEV相同排量的純內(nèi)燃機汽車，對比分析駕駛員右耳處噪聲情況，如圖7所示。由圖7可看出，在穩(wěn)態(tài)工況（60 km/h）下，該車車內(nèi)噪聲總聲壓級低于純內(nèi)燃機汽車，但在400～630 Hz與1 000～1 250 Hz兩個區(qū)間，該車噪聲能量高于內(nèi)燃機汽車。根據(jù)該HEV整車控制策略，混合驅(qū)動模式下發(fā)動機、發(fā)電機MG1與電動機MG2均處于工作狀態(tài)，該車是依靠電動機MG2來進行驅(qū)動，發(fā)動機以低扭矩輸出，通過發(fā)電機MG1為蓄電池HV進行充電，結(jié)合文獻［11］可知，該HEV 在400～630 Hz與1 000～1 250 Hz區(qū)間出現(xiàn)的噪聲峰值是電動機和發(fā)電機的電磁噪聲引起的。

圖7　60 km/h工況下兩種車型車內(nèi)噪聲對比

由上述分析可知，當該HEV驅(qū)動模式為混合驅(qū)動時，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩達到目標轉(zhuǎn)矩后，由電動機輸出轉(zhuǎn)矩進行協(xié)調(diào)補償，可使整個動力源的輸出轉(zhuǎn)矩波動減小，可有效降低沖擊度，保證車內(nèi)低噪聲水平。

4.3發(fā)動機驅(qū)動模式

在高速行駛狀態(tài)下，可近似認為HEV處于發(fā)動機驅(qū)動模式工作狀態(tài)，此時發(fā)動機與電動機同時提供驅(qū)動力，主要以發(fā)動機驅(qū)動車輛行駛為主，電動機起輔助作用，這樣既可保證車輛有足夠的行駛動力，又降低了發(fā)動機的負荷輸出［12］。在發(fā)動機驅(qū)動模式下，通過汽油機做功和發(fā)電機MG1工作來實現(xiàn)無級變速，發(fā)電機MG1和汽油機的輸出都是經(jīng)過行星齒輪和齒圈傳遞到車輪，傳遞路徑包括兩種：路徑1為發(fā)電機MG1→行星齒輪→齒圈→主減速齒輪→車輪；路徑2為汽油機→行星齒輪→齒圈→主減速齒輪→車輪。在發(fā)動機驅(qū)動模式下，電動機MG2通過吸收多余的扭矩發(fā)電，既控制車速又獲得了良好的經(jīng)濟性。

以A計權(quán)聲壓級為目標，選擇發(fā)動機驅(qū)動模式（120 km/h工況）來進一步分析HEV車內(nèi)噪聲頻譜分布規(guī)律，如圖8所示。由圖8可看出，無論前排還是后排，車內(nèi)噪聲主要集中在頻率為800～2 000 Hz區(qū)域，在120 km/h工況下，車內(nèi)噪聲最大值出現(xiàn)在頻率為1 000 Hz時車內(nèi)后排位置處，為65.2 dB（A）。同樣，在頻率為40 Hz、50 Hz、63 Hz、80 Hz和100 Hz時，后排左側(cè)乘員右耳處噪聲高于駕駛員右耳處噪聲。

圖8　發(fā)動機驅(qū)動模式下車內(nèi)噪聲頻譜分布

選擇一款與該HEV相同排量的純內(nèi)燃機汽車，對比分析駕駛員右耳處噪聲情況，如圖9所示。由圖9可看出，在頻率為1 000 Hz以內(nèi)時，該HEV車內(nèi)噪聲均低于純內(nèi)燃機汽車車內(nèi)噪聲，但頻率高于1 000 Hz時，HEV車內(nèi)噪聲明顯高于純內(nèi)燃機汽車［13］。根據(jù)該HEV整車控制策略，在發(fā)動機驅(qū)動模式下，HEV以發(fā)動機驅(qū)動為主，同時發(fā)電機MG1提供輔助動力，高速工況下車內(nèi)噪聲包含發(fā)動機噪聲與發(fā)電機高頻噪聲，尤其頻率在1 000 Hz以上時該HEV噪聲能量為發(fā)動機與發(fā)電機MG1的疊加。同時，該HEV在高速運行模式下發(fā)動機與電動機同時提供動力，使得發(fā)動機的負荷較輕，因此該車車內(nèi)噪聲低于純內(nèi)燃機汽車車內(nèi)噪聲。

圖9　120 km/h工況下兩種車型車內(nèi)噪聲對比

該HEV在試驗室轉(zhuǎn)鼓上噪聲測試結(jié)果與道路試驗（車速為120 km/h）結(jié)果對比如圖10所示。由圖10可看出，兩款車車內(nèi)噪聲總體走勢基本一致，且道路試驗結(jié)果整體高于轉(zhuǎn)鼓測試結(jié)果，尤其在頻率為40 Hz、63 Hz、400 Hz、630 Hz及800 Hz左右時，轉(zhuǎn)鼓上車內(nèi)噪聲顯著低于道路試驗車內(nèi)噪聲，可作為高速行駛時控制車內(nèi)噪聲的依據(jù)。

5　混聯(lián)式HEV車內(nèi)噪聲產(chǎn)生機理分析

以該HEV車內(nèi)駕駛員右耳處噪聲值為參考值，對比不同驅(qū)動模式下車內(nèi)噪聲的變化情況，分析引起車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)不同的主要原因，圖11為不同驅(qū)動模式下該HEV車內(nèi)噪聲頻譜。

圖10　混聯(lián)式HEV轉(zhuǎn)鼓試驗與道路試驗噪聲對比結(jié)果

圖11　不同驅(qū)動模式下HEV車內(nèi)噪聲頻譜

由圖11可看出，在純電動驅(qū)動模式下，車內(nèi)噪聲總聲壓級均低于混合驅(qū)動模式和發(fā)動機驅(qū)動模式下的車內(nèi)噪聲總聲壓級，但在頻率為125～315 Hz區(qū)間，純電動模式下車內(nèi)噪聲高于混合驅(qū)動模式下的車內(nèi)噪聲，這是因為此時電機為唯一驅(qū)動輸出源，較高的電機轉(zhuǎn)速和扭矩導致電磁噪聲較大。

在混合驅(qū)動模式下，車內(nèi)噪聲總聲壓級一般均低于發(fā)動機驅(qū)動模式下的車內(nèi)噪聲總聲壓級，但在頻率為400～630 Hz區(qū)間，混合驅(qū)動模式下車內(nèi)噪聲高于發(fā)動機驅(qū)動模式下車內(nèi)噪聲，這是因為混合驅(qū)動模式是以電機驅(qū)動為主，而在頻率為400～630 Hz區(qū)間，電機產(chǎn)生的電磁噪聲能量集中且較大，因此混合驅(qū)動噪聲較大。

6　結(jié)束語

以某款典型混聯(lián)式HEV為研究對象，分析了純電動模式、混合驅(qū)動模式和發(fā)動機驅(qū)動模式下車內(nèi)噪聲分布規(guī)律及特征，研究了混聯(lián)式HEV結(jié)構(gòu)分布形式與整車控制策略對混聯(lián)式HEV車內(nèi)噪聲的影響規(guī)律，得到了多種驅(qū)動模式下車內(nèi)噪聲的分布規(guī)律與整車控制策略的相互關(guān)系。對比分析了不同驅(qū)動模式下，混聯(lián)式HEV車內(nèi)噪聲分布特征與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車及純電動汽車車內(nèi)噪聲分布規(guī)律的異同之處，結(jié)果表明，電動機產(chǎn)生的電磁噪聲對混聯(lián)式HEV車內(nèi)噪聲影響較大。

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（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年2月18日。

主題詞:混合動力汽車車內(nèi)噪聲驅(qū)動模式控制策略

Analysis on Interior Noise of Hybrid Electric Vehicle under Different Driving Modes

Liu Hai1, 2, Li Hongliang2, Wang Haiyang1, 2, Shi Yuekui2
（1. State Key Laboratory of Engine, Tianjin University, Tianjin 300072; 2. China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300）

【Abstract】We select a series- parallel HEV as research object to study the interior noise distribution rule and characteristic under 3 different driving modes. The mechanism how the series-parallel HEV structural layout pattern and vehicle control strategy affect HEV interior noise is analyzed, and the correlation between interior noise distribution rule and HEV control strategy in multiple driving modes is obtained. In addition, the similarities and differences of interior noise distribution characteristic between HEV, conventional ICE car and BEV in three drive modes are analyzed, and it reveals that electromagnetic noise generated from E-motor affects HEV interior noise greatly.

Key words:Hybrid electric vehicle, Interior noise, Drive mode, Control strategy

*基金項目:河北省高等學校自然科學青年基金（QN2016197）。

中圖分類號:U467.4+93

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）04-0017-04