电动汽车振动和噪声问题研究展望

电动汽车振动和噪声问题研究展望

来源：清洁汽车技术创新发展论坛 | 作者：张立军缪维佳 | 发布日期：2008-3-31

[简介]电动汽车的振动和噪声具有自身特点，目前处于研究的初始阶段。按照系统工程的观点，论文首先阐述电动汽车相对于传统内燃机汽车在动力系统方面的变化，以及由此引起的整车结构和相关系统的变化。在此基础上，从振动源、噪声源和传递途径的角度分析电动汽车振动和噪声现象具有的特点，总结纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的振动和噪声控制需要面对的共性和特殊关键技术问题，以及利用电动汽车的特点解决振动和噪声问题的工作方向。

1 引言

节能、环保和安全成为当代汽车发展的主题。能源安全和环境保护的巨大挑战使得汽车能源和动力转型成为重要的发展趋势。因此，电动汽车的发展受到全世界的重视，并日益成为技术竞争的焦点。目前，电动汽车研究开发的重点是动力系统的集成和控制，以及动力系统关键部件的开发，对于其振动和噪声的研究尚未引起重视。因为通常人们认为电动汽车具有明显的振动和噪声技术优势。但是，目前处于开发阶段的电动汽车的噪声水平与商业化的汽油车和柴油车相比并不具有优势。图1所示为历次必比登新能源汽车挑战赛上参赛的各种动力型式汽车的车外PASSBY噪声的测试对比结果充分证明了这一点。另外，噪声水平低已经不再是汽车噪声控制的重点，重点是在降低噪声水平的前提下改善声学品质。

由于汽车的振动和噪声问题具有强烈的系统依赖性、时间依赖性以及耦合关联性，如果能够在设计开发的早期就进行系统设计与控制，则能够达到良好的声振效果，才能避免成本更高、耗时更长而效果有限的生产后的整改。目前，有关电动汽车振动和噪声研究的公开文献很少。文献【2】对混合动力汽车和燃料电池汽车的噪声和振动问题进行了非常简要的阐述，这充分表明该领域的研究基本处于空白状态，或者处于严格技术保密阶段。

鉴于此，本文将按照系统工程的观点，首先阐述电动汽车相对于传统内燃机汽车在动力系统方面的变化，以及由此引起的整车结构和相关系统的变化。在此基础上，从振动源、噪声源和传递途径的角度分析电动汽车振动和噪声现象具有的特点，总结纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的振动和噪声控制需要面对的共性和特殊关键技术问题，最后进一步提出了充分利用电动汽车的特点解决其振动和噪声问题的工作方向。

2 电动汽车振动和噪声现象的特点

电动汽车，无论是纯电动汽车、混合动力汽车还是燃料电池汽车，与传统的内燃机动力汽车相比，整车结构发生巨大变化。主要包括：

（1）动力系统

动力系统的变化主要包括：（1）动力输出装置的电动化。纯电动汽车和燃料电池汽车利用电机驱动，混合动力汽车采用内燃机和电机联合驱动；（2）新增电能储存系统或者电能转化系统。燃料电池汽车通过燃料电池发动机的电化学反应产生电能，纯电动汽车需要能量型的动力蓄电池或者超级电容作为电能供应系统；（3）燃料储存系统或者能量补充系统的改变。（4）传动装置的改变。纯电动和燃料电池汽车利用电机转速范围宽和调速方便的特点简化传动系统，采用单一传动比的减速器；混合动力汽车要通过功率耦合和分离装置实现动力耦合，传动系统复杂化。

（2）辅助系统

辅助系统的变化主要是指原来由内燃机提供动力或者在内燃机工作时才能正常工作的系统，包括空调系统的压缩机驱动系统、转向系统的助力泵系统、制动系统的真空助力系统以及冷却系统的泵驱动系统等。上述系统在电动汽车上改为电力驱动，需要各种电动压缩机和电动泵等才能保证各个系统的正常工作。

（3）车身和底盘系统

动力系统和辅助系统的改变导致整车总布置、载荷分布以及整车行驶动力学性能的变化，因此必须对整车车身结构和底盘系统进行系统的改进设计。

根据对电动整车变化的分析，结合研究开发团队在燃料电池汽车开发过程中遇到和解决的实际问题，总结电动汽车的振动和噪声特性与传统内燃机汽车相比，具有以下重要特点：

（1）整车结构振动特性受大质量部件的影响大。纯电动和燃料电池汽车的动力蓄电池、燃料电池电堆以及支持系统都是质量几十甚至几百公斤，通常采用刚性连接或者较硬的弹性连接与车身结构相连。由于质量较大以及固定位置的布置，对于整车模态特性具有重要影响。因此，需要提高整车车身刚度和连接刚度，否则会出现严重的“接触面”摩擦异常噪声问题。另外，为了保证整车轴荷分配满足要求，较大的集中质量在车体上沿车辆纵向方向分布布置，会导致整车俯仰、侧倾和横摆转动惯量的增加，影响操纵稳定的瞬态响应特性。

（2）由于整车内外声学环境的本底噪声趋于减小，导致整车声学特性的变化。原来内燃机汽车对车内外噪声贡献最大的发动机以及进排气系统或者被完全取消，或者使用状况发生很大的变化（混合动力汽车存在纯电动模式或者混合模式），而路面激励引起的噪声以及轮胎噪声等保留，将会车辆行驶和怠速时主要噪声源营造的本底噪声降低，这是电动汽车整车噪声水平较低的根本原因所在。但是，本底噪声水平的降低与特性的改变，将使电动汽车各个噪声源的贡献比重发生重要的改变，从而对电动汽车车内声学品质和车外噪声等级产生重要影响。

（3）振源和噪声源分布更加分散，且容易引发新的异常噪声问题。内燃机动力汽车最主要的运动系统和部件集中在发动机舱内，以内燃机为动力的各种辅助系统也同样集中在内燃机体附近。电动汽车的主要辅助系统也基本安装在前舱内，但是燃料电池发动机和动力蓄电池以及其他的大功率元件由于体积和重量的限制，或者由于特殊的技术要求分散布置在车身底板下或者后备箱内，其附加的冷却、通风等系统在整车上分散布置。如图2所示为某燃料电池汽车的整车总布置。

由此形成“多声源散布”的特点。而且，各种电动化系统和部件的不同工作特性、不同安装位置和不同工作时序，将会导致整车振动和声学特性具有更多“瞬态”特色，加上整车本底噪声的降低，各个部件的工作振动和噪声容易被乘客注意，甚至被认为是“异常振动和异响”，产生非常不利的影响。

（4）固体和空气传递途径要求提高。电动汽车振动源和噪声源分散布置的特点导致对车身结构的局部阻抗特性要求，以及固体振动传递控制的悬置和支承提出新的要求，并且不利于向内燃机汽车那样采用带有副车架的二级隔振系统解决整个动力和辅助装置的宽带振动和噪声问题。另外，主驱动电机、各种辅助系统的驱动电机容易发生高频的电磁噪声，加上电动汽车线束系统数量多，分布区域广，需要大量的间隙或者空洞走线，这对于隔离高频噪声形成较大的难度。

（5）瞬态冲击振动和高频噪声现象突出。电动汽车的驱动电机运行转矩波动小，但启动速度快，转矩响应斜率大，电机的悬置系统必须具有较强的抗瞬态冲击能力。混合动力汽车的发动机启停频率相对于传统内燃机汽车大大增加，发动机动态过程转矩波动以及传动系统的扭转振动乃至整车的纵向振动问题突出。各种辅助系统的电机系统同样会频繁启停，瞬态振动和噪声问题需要引起重视。主驱动电机和各种辅助系统的驱动电机发生的高频的电磁噪声，以及各种功率控制器件也会发生会更高频率的噪声，在人类听阈上限附近或者更高的频率范围内对人体产生影响，对于器件是电磁兼容问题，对于乘客和车外人员就是如何控制高频电磁环境污染和伤害的问题。

3 电动汽车振动和噪声控制的关键技术问题

3．1 共性技术问题

纯电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池汽车的振动和噪声问题研究共性问题：

（1）整车

a) 电动汽车产品开发之振动和噪声设计流程、开发环境和基础数据库；

b) 电动汽车纵向、侧向和垂向以及耦合低频振动分析和优化；

c) 电动汽车振源/噪声源—传递途径—接受体综合分析；

d) 电动汽车整车结构模态分析与频率规划；

e) 电动汽车高频噪声对人体生理和心理影响；

f) 电动汽车车内和车外噪声客观和主观评价，尤其是电动汽车的声学品质。

（2）动力系统

a) 动力传动系统扭转以及弯扭耦合振动特性分析；

b) 动力传动系统瞬态振动和冲击分析、预测和控制技术；