電動汽車振動和噪聲問題研究展望
電動汽車的振動和噪聲具有自身特點，目前處于研究的初始階段。按照系統工程的觀點，論文首先闡述電動汽車相對于傳統內燃機汽車在動力系統方面的變化，以及由此引起的整車結構和相關系統的變化。在此基礎上，從振動源、噪聲源和傳遞途徑的角度分析電動汽車振動和噪聲現象具有的特點，總結純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車的振動和噪聲控制需要面對的共性和特殊關鍵技術問題，以及利用電動汽車的特點解決振動和噪聲問題的工作方向。
1 引言
節能、環保和安全成為當代汽車發展的主題。能源安全和環境保護的巨大挑戰使得汽車能源和動力轉型成為重要的發展趨勢。因此，電動汽車的發展受到全世界的重視，并日益成為技術競爭的焦點。目前，電動汽車研究開發的重點是動力系統的集成和控制，以及動力系統關鍵部件的開發，對于其振動和噪聲的研究尚未引起重視。因為通常人們認為電動汽車具有明顯的振動和噪聲技術優勢。但是，目前處于開發階段的電動汽車的噪聲水平與商業化的汽油車和柴油車相比并不具有優勢。圖1所示為歷次必比登新能源汽車挑戰賽上參賽的各種動力型式汽車的車外PASSBY噪聲的測試對比結果充分證明了這一點。另外，噪聲水平低已經不再是汽車噪聲控制的重點，重點是在降低噪聲水平的前提下改善聲學品質。
由于汽車的振動和噪聲問題具有強烈的系統依賴性、時間依賴性以及耦合關聯性，如果能夠在設計開發的早期就進行系統設計與控制，則能夠達到良好的聲振效果，才能避免成本更高、耗時更長而效果有限的生產后的整改。目前，有關電動汽車振動和噪聲研究的公開文獻很少。文獻【2】對混合動力汽車和燃料電池汽車的噪聲和振動問題進行了非常簡要的闡述，這充分表明該領域的研究基本處于空白狀態，或者處于嚴格技術保密階段。
鑒于此，本文將按照系統工程的觀點，首先闡述電動汽車相對于傳統內燃機汽車在動力系統方面的變化，以及由此引起的整車結構和相關系統的變化。在此基礎上，從振動源、噪聲源和傳遞途徑的角度分析電動汽車振動和噪聲現象具有的特點，總結純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車的振動和噪聲控制需要面對的共性和特殊關鍵技術問題，最后進一步提出了充分利用電動汽車的特點解決其振動和噪聲問題的工作方向。
2 電動汽車振動和噪聲現象的特點
電動汽車，無論是純電動汽車、混合動力汽車還是燃料電池汽車，與傳統的內燃機動力汽車相比，整車結構發生巨大變化。主要包括：
（1）動力系統
動力系統的變化主要包括：（1）動力輸出裝置的電動化。純電動汽車和燃料電池汽車利用電機驅動，混合動力汽車采用內燃機和電機聯合驅動；（2）新增電能儲存系統或者電能轉化系統。燃料電池汽車通過燃料電池發動機的電化學反應產生電能，純電動汽車需要能量型的動力蓄電池或者超級電容作為電能供應系統；（3）燃料儲存系統或者能量補充系統的改變。（4）傳動裝置的改變。純電動和燃料電池汽車利用電機轉速范圍寬和調速方便的特點簡化傳動系統，采用單一傳動比的減速器；混合動力汽車要通過功率耦合和分離裝置實現動力耦合，傳動系統復雜化。
（2）輔助系統
輔助系統的變化主要是指原來由內燃機提供動力或者在內燃機工作時才能正常工作的系統，包括空調系統的壓縮機驅動系統、轉向系統的助力泵系統、制動系統的真空助力系統以及冷卻系統的泵驅動系統等。上述系統在電動汽車上改為電力驅動，需要各種電動壓縮機和電動泵等才能保證各個系統的正常工作。
（3）車身和底盤系統
動力系統和輔助系統的改變導致整車總布置、載荷分布以及整車行駛動力學性能的變化，因此必須對整車車身結構和底盤系統進行系統的改進設計。
根據對電動整車變化的分析，結合研究開發團隊在燃料電池汽車開發過程中遇到和解決的實際問題，總結電動汽車的振動和噪聲特性與傳統內燃機汽車相比，具有以下重要特點：
（1）整車結構振動特性受大質量部件的影響大。純電動和燃料電池汽車的動力蓄電池、燃料電池電堆以及支持系統都是質量幾十甚至幾百公斤，通常采用剛性連接或者較硬的彈性連接與車身結構相連。由于質量較大以及固定位置的布置，對于整車模態特性具有重要影響。因此，需要提高整車車身剛度和連接剛度，否則會出現嚴重的“接觸面”摩擦異常噪聲問題。另外，為了保證整車軸荷分配滿足要求，較大的集中質量在車體上沿車輛縱向方向分布布置，會導致整車俯仰、側傾和橫擺轉動慣量的增加，影響操縱穩定的瞬態響應特性。
（2）由于整車內外聲學環境的本底噪聲趨于減小，導致整車聲學特性的變化。原來內燃機汽車對車內外噪聲貢獻最大的發動機以及進排氣系統或者被完全取消，或者使用狀況發生很大的變化（混合動力汽車存在純電動模式或者混合模式），而路面激勵引起的噪聲以及輪胎噪聲等保留，將會車輛行駛和怠速時主要噪聲源營造的本底噪聲降低，這是電動汽車整車噪聲水平較低的根本原因所在。但是，本底噪聲水平的降低與特性的改變，將使電動汽車各個噪聲源的貢獻比重發生重要的改變，從而對電動汽車車內聲學品質和車外噪聲等級產生重要影響。
（3）振源和噪聲源分布更加分散，且容易引發新的異常噪聲問題。內燃機動力汽車最主要的運動系統和部件集中在發動機艙內，以內燃機為動力的各種輔助系統也同樣集中在內燃機體附近。電動汽車的主要輔助系統也基本安裝在前艙內，但是燃料電池發動機和動力蓄電池以及其他的大功率元件由于體積和重量的限制，或者由于特殊的技術要求分散布置在車身底板下或者后備箱內，其附加的冷卻、通風等系統在整車上分散布置。如圖2所示為某燃料電池汽車的整車總布置。
由此形成“多聲源散布”的特點。而且，各種電動化系統和部件的不同工作特性、不同安裝位置和不同工作時序，將會導致整車振動和聲學特性具有更多“瞬態”特色，加上整車本底噪聲的降低，各個部件的工作振動和噪聲容易被乘客注意，甚至被認為是“異常振動和異響”，產生非常不利的影響。
（4）固體和空氣傳遞途徑要求提高。電動汽車振動源和噪聲源分散布置的特點導致對車身結構的局部阻抗特性要求，以及固體振動傳遞控制的懸置和支承提出新的要求，并且不利于向內燃機汽車那樣采用帶有副車架的二級隔振系統解決整個動力和輔助裝置的寬帶振動和噪聲問題。另外，主驅動電機、各種輔助系統的驅動電機容易發生高頻的電磁噪聲，加上電動汽車線束系統數量多，分布區域廣，需要大量的間隙或者空洞走線，這對于隔離高頻噪聲形成較大的難度。
（5）瞬態沖擊振動和高頻噪聲現象突出。電動汽車的驅動電機運行轉矩波動小，但啟動速度快，轉矩響應斜率大，電機的懸置系統必須具有較強的抗瞬態沖擊能力。混合動力汽車的發動機啟停頻率相對于傳統內燃機汽車大大增加，發動機動態過程轉矩波動以及傳動系統的扭轉振動乃至整車的縱向振動問題突出。各種輔助系統的電機系統同樣會頻繁啟停，瞬態振動和噪聲問題需要引起重視。主驅動電機和各種輔助系統的驅動電機發生的高頻的電磁噪聲，以及各種功率控制器件也會發生會更高頻率的噪聲，在人類聽閾上限附近或者更高的頻率范圍內對人體產生影響，對于器件是電磁兼容問題，對于乘客和車外人員就是如何控制高頻電磁環境污染和傷害的問題。
3 電動汽車振動和噪聲控制的關鍵技術問題
3．1 共性技術問題
純電動汽車、混合動力汽車以及燃料電池汽車的振動和噪聲問題研究共性問題：
（1）整車
a) 電動汽車產品開發之振動和噪聲設計流程、開發環境和基礎數據庫；
b) 電動汽車縱向、側向和垂向以及耦合低頻振動分析和優化；
c) 電動汽車振源/噪聲源—傳遞途徑—接受體綜合分析；
d) 電動汽車整車結構模態分析與頻率規劃；
e) 電動汽車高頻噪聲對人體生理和心理影響；
f) 電動汽車車內和車外噪聲客觀和主觀評價，尤其是電動汽車的聲學品質。
（2）動力系統
a) 動力傳動系統扭轉以及彎扭耦合振動特性分析；
b) 動力傳動系統瞬態振動和沖擊分析、預測和控制技術；
c) 主驅動電機及減速裝置懸置系統匹配設計方法。
（3）關鍵部件
a) 電機高轉速下轉矩波動和電磁噪聲控制技術；
b) 各個輔助系統的振動和噪聲特性、機理和控制，形成數據庫。
3．2 特殊技術問題
（1）純電動汽車
a) 電機高轉速下轉矩波動和電磁噪聲控制技術；
b) 各個輔助系統的振動和噪聲特性、機理和控制方法，形成數據庫。
（2）混合動力汽車
a) 發動機啟停時瞬態振動分析和控制技術；
b) 動力耦合動態過程分析和控制技術；
c) 動力模式切換過程中的振動和噪聲保持連續性技術
d) 大功率帶傳動技術（主要針對BSG）。
（3）燃料電池汽車
a) 燃料電池發動機輔助系統振動和噪聲問題；
b) 燃料電池發動機排氣消聲問題；
c) 電電混合燃料電池汽車的加速噪聲測試方法。
4 利用電動汽車特點進行振動和噪聲控制的方法
電動汽車總體上是具有明顯的振動水平低、噪聲強度小的優勢，而且特殊的動力系統結構方式也給解決振動和噪聲問題提供新的思路和新的手段。以下幾個方面值得關注：
（1）電機以及與減速器的集成體的懸置系統是否采用沒有副車架的單級減振結構，以利輕量化；
（2）利用混合動力汽車動力系統中的電機進行發動機轉矩波動乃至動力傳動系統扭轉振動的主動控制【3】；
（3）利用輪轂電機的轉矩控制能力和響應速度進行制動器制動抖動的主動控制【4】；
（4）利用輪轂電機的電磁噪聲進行輪胎花紋噪聲的混合主動消聲控制【5】。
5 結束語
根據目前電動汽車領域的研究開發現狀，綜合的提出了有關電動汽車振動和噪聲問題研究的方向，提出了需要解決的關鍵技術問題和值得關注的幾個電動汽車振動和噪聲控制的方面。希望本文的綜合闡述對解決電動汽車的振動和噪聲問題發揮一定的指導性作用。
參考文獻
【1】必比登新能源汽車挑戰賽技術測試結果，
【2】龐劍，諶剛和何華 編著.汽車噪聲與振動——理論與應用，北京：北京理工大學出版社，2006年6月，445－446
【3】Hyeoun-Dong Lee and Seung-Ki Sul. Diesel engine ripple torque minimization for parallel type hybrid electric vehicle, IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, New Orleans, Louisiana, October 5-9, 1997
【4】尹東曉.汽車制動抖動發生機理研究，同濟大學博士學位論文，2006年3月
【5】于增信，譚惠豐，杜星文.輪胎花紋溝噪聲研究進展, 哈爾濱工業大學學報，第34卷第2期，2002
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