增程式车辆NVH设计要点.docx

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增程式车辆NVH设计要点

增程式车辆NVH设计要点

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XXXX

NVH分析室

202X年X月X日

一、概述

增程式电动车一直被视为是传统燃油到纯电动过渡阶段的一种解决方案，增程式电动汽车动力总成中，由发动机、发电机两套复杂部件共同组成的增程器作为重要的储能供能设备，是混合动力系统发展中亟需解决和完善的关键技术之一。

近年来增程器研发的重点是系统集成控制及关键部件开发，关于其振动噪声的研究尚未引起足够重视。

噪声和振动是影响车辆乘坐舒适性的首要因素，减振降噪是增程器的开发和应用中最大的挑战之一。

二、增程器振动噪声特性分析

增程式电动汽车搭载的增程器通常是由传统内燃机与永磁同步发电机通过传动轴或常闭离合器等刚性连接件直接机械连接而成，纯电动模式行驶时整车振动噪声均处于较低水平；增程模式下增程器正常运行时产生的振动噪声较为显著，影响车内人员驾乘感受。

这是因为纯电动行驶工况下驱动电机运行时自身的动态平衡性能优秀，产生的电磁噪声和机械振动处在较低水平，此外发动机舱盖隔音棉和车内包裹性隔音材料也对这种噪声起到了良好的消除作用，因此感受到的振动噪声均处在较低水平。

增程器起动后，传统内燃机运行时所产生的燃烧噪声、机械噪声、进排气噪声和风扇噪声均没有被消除，发动机曲轴旋转产生的交变力矩引发整个传统系统产生的振动会通过传动轴和机体传至发电机和增程器各悬置点上，继而传至整个车身，驾驶员会从座椅和方向盘处感受到明显的发动机振动。

此外，整车控制器根据电池电量值和车速等条件控制增程器的起动与停止，增程器发动机的起停次数相对于传统汽车发动机明显增多。

发动机起动时需要发电机产生反拖力矩辅助起动，并在0.4s内将发动机拖动至怠速转速；停机时也是由发电机先停机进而产生负载阻力矩辅助发动机停机，目的是为了加快发动机起动和停机速度，快速越过增程器共振的固有频率带，避免产生共振。

即便采取这种方式，发动机起停时的振动噪声相对于正常运行时依然会比较明显。

三、增程器振动噪声控制

增程器振动噪声控制主要集中在：

传统发动机、发电机减振降噪技术在增程器上应用；增程器布置形式优化、添加声学包裹、悬置点结构优化以及在整车控制层面上的运行策略优化三个方面。

3.1传统发动机、发电机NVH控制

1、采用电子控制技术优化燃烧过程；

2、提高关键零部件加工质量和装配精度；

3、振动表面贴黏弹性材料吸收振动能量；

4、起动前活塞初始位置控制；

5、合理设计爪极，选择适当气隙磁密；优化转子、定子、永磁体形状及布置形式。

3.2增程器布置及悬置优化、添加声学包裹

1、安装时正确匹配动力总成结构模态分布；

2、优化增程器悬置系统（阻尼、刚度），避免其与车架耦合；

3、设计传动系减振器降低车身振动；

4、为增程器添加声学包裹吸收发电机高频电磁噪声及部分发动机噪声等。

3.2整车运行策略优化

1、低速行驶时在动力电池电量允许的情况下尽量采用纯电动模式行驶；

2、高速行驶时合理控制发动机转速上升速率，使其跟随车速上升而逐渐增加，以利用高速行驶时的空气噪声和路面噪声对发动机噪声的掩蔽效果等。

四、增程器在整车上的NVH问题

增程器通常在电池电量较低的时候启动，工作时主要存在如下的三个NVH问题：

1、低电量充电车内声音与振动大

2、低电量充电车内声品质差

3、发动机高转速运行车内噪声与振动大

虽然同样是由发动机工作，但是增程器不再是车辆能量的唯一提供来源，功率输出不取决于行驶阻力及汽车功能附件的需求，而取决于整车对增程器的功率需求。

由于增程器系统主要振动噪声源仍是发动机，从优化发动机自身运行策略角度考虑降低增程器运行时的振动噪声是主要方向。

增程式电动汽车动力总成比传统内燃机汽车结构更为复杂，动力系统配备的大功率电池起到了储能作用，发电机提供行驶动力而发动机与驱动轮间无直接机械连接，工作状态不直接受负载功率需求影响。

发动机功率的理论计算公式如下：

（1）

发动机扭矩计算公式如下：

（2）

将式

（1）代入式

（2）可得：

（3）

以上公式中：

为发动机转速，随发动机运行状态变化；

为缸内平均压力Mpa，随发动机运行状态变化；

为发动机排量，不随发动机运行状态变化；

为发动机行程，不随发动机运行状态变化。

从如上式中可以看出,发动机转速和缸压变化对应输出不同的发动机扭矩和发动机功率，增程器工作时，通过缸压与发动机转速的标定，实现不同的功率输出。

从NVH的角度看，增程发动机的转速越低越好，但这与要尽量减小发动机尺寸的需求相矛盾，因为转速的减小会降低可达到的输出功率，所以在设计增程器工作点转速和输出功率时，应综合考虑NVH特性、发动机的效率和输出功率。

图1增程式纯电动汽车动力系统结构

4.1问题1—怠速充电或低电量低速行驶车内声音与振动大

增程纯电动中，低电量怠速充电或低电量低速行驶时会对应低的发动机输出功率，通常会采用定转速的发动机工作点，根据式（3）可看出，在转速不变时，增大缸内平均压力p可以增大输出功率，发动机的辐射噪声及结构振动是缸压激励再乘以传递函数的结果，因此，增大缸内平均压力p，发动机工作时的最大缸压增大，发动机的辐射噪声及结构振动均会增大，导致车内声音与振动增大。

图2缸压与发动机振动和声音关系

以某车型原地发电工况车内噪声统计为例，在900RPM怠速转速下，60N*M与20N*M（传统燃油车怠速开空调发动机扭矩）扭矩输出产生了5dB（A）的噪声增大。

图3同转速车内声压与发动机扭矩关系图

4.2问题2—怠速允电或低电量低速行驶车内声品质差

同一发动机同一工作转速，比对其更高的扭矩输出时，需要特别关注发动机本体在200-600HZ频段的振动噪声变化。

该频段的振动噪声与曲轴、轮系的频响特性有很高的关联性，伴有很强的半阶律动，既能通过空气声，也能通过结构声传递到乘员舱，是增程器最有挑战的问题之一。

以某一增程器为例，下图此为增程器在1000RPM时，4Kw充电和14Kw充电时悬置振动及车内噪声对比，当充电功率增大至14Kw后，悬置振动及车内声音整体变大，但200-500Hz之间的能量增大更明显，使得车内中频段声特征更容易被人感知，主观体验变差。

图4同转速不同充电功率悬置振动及车内声音FFT

4.3问题3—发动机高转速运行车内噪声大

发动机高功率输出时，为了保证较好的燃油经济性，需要在合适的高转速运行。

以下图为例，发动机引起的噪声随发动机转速增高总体呈现增大的趋势，4000RPM与2500RPM整体声压级增加5dB（A），二阶噪声增加10dB（A），如增程器因为整车功率需求的原因，存在4000RPM前后的工作点，将带来车内严重的噪声问题；

图5增程器加速车内声音曲线

五、增程式车辆NVH控制策略

增程式车辆NVH控制主要从基础NVH性能匹配及增程器标定策略匹配两个方向实现，增程器选型及匹配是保障增程器NVH性能的基础，而标定则是增程器NVH表现的最重要控制措施。

在不考虑特殊的频谱掩蔽效应的与车速有关的车内声压级目标值分布带如1-5所示，增程器发动机的转速和功率要根据不同的车速范围采取不同的运行策略。

低速行驶时，空气噪声和轮胎噪声水平较低，此时若开启增程器，发动机噪声成为车厢内噪声主要成分，因此动力电池电量允许的情况下低速时应尽量以纯电动模式行驶；高速行驶时，空气噪声和轮胎噪声水平随车速提高而逐渐升高，合理控制发动机转速上升速率，使其随车速上升而增加，并分别在某些固定车速下对发动机转速设定限值，在增程器输出功率能够满足整车控制器功率需求的情况下始终保持发动机转速低于当前车速对应的转速限值。

图1-5车内噪声声压级目标值

5.1增程器选型

增程器选型需要考虑增程噪的工作区间，建议稳态常用工况下增程噪的工作转速不超过2500RPM，稳态极限工况不超过3000RPM，超过3000RPM以上的工况只能为瞬态工况，根据如上发动机的工作转速边界，结合发动机万有特性曲线及整车功率需求，选择合适的发动机。

5.2增程器附件匹配

发动机的NVH开发是另一个更庞大的话题，足够的结构刚度（包括曲轴刚度、曲拐刚度、轴承座安装点刚度等）是发动机本体NVH的基础，同时做好外围件的NVH匹配，包括TVD的匹配，皮带的选型和模态避频等，同时，发动机与发电机之间用花键连接，花键的精度、花键轴的刚度也需要明确的控制。

5.3悬置匹配

钟摆式布置，考虑纯电动限位及发动机振动隔振，而发动机的低频振动和噪声问题，可能引起更大的抱怨，优先以发动机激励控制为主，若后悬置拉杆无法满足可靠性需求，可再增加一个限位悬置。

图6悬置布置

5.4进气系统

受限于机舱空间布置，增程器的空滤器通常采用顶置空滤布置，消声容积满足要求的情况下可满足进行NVH开发需要，但做好谐振腔的预留。

图7进气系统开发

5.5排气系统

受电池影响，排气总布置可能存在空间风险，总布置需要满足排气消声容积的需要，做好排气的声学调音及排气结构传递控制。

图8排气系统开发

5.6声包及密封

兼顾电动车吸声与增程器中低频噪声控制所需要的隔声进行声学包的方案设计，由于增程器在怠速等低背景噪声工况下的声音更大，需要比燃油车及纯电动车更好的声包方案。

图9声学包开发

5.7增程器标定策略匹配

以转速及输出功率（或扭矩）为变量，通过增程器、电机&电控、电池控制、电器附件的工作点和相互匹配控制，选择合适的增程器工作点，最大程度的挖掘动力总成的NVH潜力，通常需要通过大量的测试获得整车增程器工作NVH性能MAP图，用于增程器工作点选择。

图10声音和振动、发动机转速及输出扭矩MAP图

标定工作主要在样车阶段开展，需要NVH部门与标定部门联合开展，制定合理的标定策略会是样车阶段增程器NVH性能问题优化的最重要措施之一。

六、总结

增程纯车辆开发时，由于整车功率及经济性的需要，增程器工作时会存在怠速充电及低速行驶车内振动噪声大、声品质差，增程器高转速工作车内声音大的开发风险，选择合适的发动机，做好基础NVH性能开发，NVH部门与标定部门成立联合标定组开展联调是增程器NVH性能开发的主要保障措施。