由于车用电机本体齿槽、磁场设计问题,其输出转矩中存在与电机转速成比例的转矩脉动阶次,在某些特定转速下某阶转矩脉动的频率会与整机的共振模态频率一致,导致电机整机的共振,进而产生高频啸叫声。如图1所示为某款电机的切向力在不同工作点下的转矩脉动,其在3000rpm时导致整机共振严重,进而产生极高的24阶噪声。

(b)电驱动系统噪声分布图

图1

电动汽车传动系统由于电机自身的机械阻尼远低于内燃机,且其整车拓扑结构中一般不存在扭转减振器、飞轮等被动阻尼和隔振部件,导致电动汽车传动系统在整个频率范围内振动传递率高,对共振的阻尼衰减尤其不足,呈现明显的欠阻尼特性,在输出转矩或负载发生突变时,会引起整车明显的纵向振动(图2),极大地降低了驾驶舒适性。

图2  阶跃转矩及对应整车加速度振动

实际上,转矩突变过程中的振动是由于阶跃转矩中包含各阶次的转矩脉动,而纵向振动正是其中某阶次转矩脉动与传动系统共振频率一致而引起的,因此在某些低速起步工况,即便无负载突变依然会由于电机本身的转矩脉动而引起整车的纵向抖动。

综上所述,电驱动系统大部分的NVH问题可归结为电机输出的转矩脉动,其一方面存在于电机本身输出的转矩中,另一方面存在于转矩阶跃突变过程中,针对这两类转矩脉动问题,联合电子在不增加产品成本的前提下给出了系统而全面的软件解决方案。

图3  控制不精确引起的谐波电流

本方案采用多同步坐标系下谐波电流抑制技术,即通过坐标变换将谐波电流提取出来,并将提取出的谐波电流在各自对应的旋转坐标系中利用PI控制器抑制为零。(图4)为谐波电流抑制前后的转矩波动对比结果,可以看出谐波电流抑制后转矩脉动明显降低。

图4  谐波电流抑制前后转矩对比

谐波电流抑制技术仅能消除对电流控制不精确所产生的转矩脉动,而事实上电机输出的转矩脉动中还包含由于齿槽以及气隙磁场非正弦所引起的转矩脉动,即在三相对称正弦电流激励下依旧存在的转矩脉动,然而,通过合理注入适合的谐波电流却可以达到转矩脉动抑制的效果(图5)。

图5  谐波电流注入前后转矩脉动结果对比

因此,在谐波电流抑制的基础下,进一步开展谐波电流注入技术,通过谐波电流幅值与相位寻优找到适合抑制转矩脉动的谐波电流,并对各次谐波电流进行精确闭环控制,最终利用噪声测试设备验证谐波电流注入前后的电驱动系统NVH性能。试验结果表明(图6),谐波注入后电机啸叫声在全油门工况下最高下降13dB,而在半油门工况下下降高达17dB!极大的提高了电驱动系统的NVH品质。

(b)WOT工况下电机24阶近场噪声

图6

除此之外,通过对比谐波电流注入前后电驱动系统效率发现,尽管谐波注入后低速下系统效率略有降低,但是系统效率MAP整体提升,甚至在某些工况下提升了最高3个百分点(图7)。

图 7  谐波电流注入前后效率对比

针对转矩突变引起的车辆抖动问题,可以通过降低转矩上升速率来方便解决,但是其所增加的转矩响应时间将大大降低整车的动力性及加速性能,而为了同时兼顾整车NVH品质与加速性能,联合电子电驱动平台设计了主动阻尼控制技术,其通过对请求转矩的主动调整达到抑制车辆纵向抖动的目的。其对应的控制效果如图 10所示,可以看出采用主动阻尼控制后,在保证电机输出转矩快速响应性的情况下,电机转速波动得到明显抑制。

综上所述,联合电子电驱动平台针对电动汽车NVH问题做了系统而全面的分析,并从软件的角度给出了较为完备的软件解决方案,并且已经成功的应用到相关的客户项目上,为客户在不增加任何硬件成本的情况下提升了产品的品质和竞争力。