高性能电驱动系统NVH实验室工艺设计
冯旭翀 刘 渊 邓剑波
广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院
摘 要：
高性能电驱动系统nvh实验室主要由高性能电驱动系统测试台架和半消声室两大部分组成，其主要用于由电机及电机控制器组成的电驱动系统在各种运行工况下的nvh性能测试，同时也兼顾动态响应试验、控制策略标定试验、输入/输出特性试验等研发试验需求。高性能电驱动系统nvh实验室主要性能指标包括台架的背景噪声、半消声室的背景噪声、截止频率、自由场半径、自由场偏差以及高性能电驱动系统测试台架的峰值转速、额定扭矩、转速响应特性等，其参数的优劣直接影着电驱动系统nvh测试的精度。现围绕高性能电驱动系统nvh实验室工艺参数设计进行讨论。
0 引言
电驱动系统的nvh（noise、vibration、harshness）测试主要指的是电驱动系统的噪声、振动和结构强度的测试，目前国内电驱动系统的nvh测试方法主要参考qc/t 1132—2020[1]和gb/t 18488.2—2015[2]进行。而电驱动系统nvh测试的结果与以下因素有关系：（1）被测电机本体参数，包括电机的极对数、齿槽数、电机壳体与电机转轴的固有共振频率等；（2）电机控制器的开关频率；（3）电驱动系统测试台架及半消声室产生的背景噪声等；（4）麦克风、声学电缆等测量仪器的测试精度等。因此，一个性能优异的电驱动系统nvh实验室可以为电驱动系统nvh测试提供一个良好的测试环境，协助研发工程师迅速定位nvh问题产生的根本原因。本文将重点讨论如何进行电驱动nvh实验室的工艺设计。
1 电驱动系统nvh测试流程介绍
电驱动系统nvh测试流程如下：（1）首先需准备好电机及电机控制器（以下简称电驱动系统）nvh测试所需要的测量仪器及设备，包括且不限于高性能电驱动系统台架、半消声室、数据采集仪、麦克风、加速度传感器、绝缘低噪声电缆、can信号采集电缆、风球、噪声和振动校准器等；（2）准备nvh测试用的电驱动系统测试台架和半消声室，保证台架及半消声室所产生的背景噪声至少比电驱动系统所产生的噪声低10 db[3]；（3）保证高性能电驱动系统测试台架以及麦克风等声学测量设备正常运行，并符合gb/t 6882—2016[4]中11.5的1级精度要求；（4）保证电驱动系统在电动和发电状态下的峰值扭矩、峰值功率、持续扭矩、持续功率满足设计要求；（5）参考qc/t 1132—2020附录b，在电驱动系统周边的指定位置进行麦克风和振动传感器测量点的布置；（6）让电驱动系统运行在试验大纲要求的试验工况下，并用数据采集软件记录噪声及振动测试数据；（7）对电驱动系统噪声及振动数据进行阶次分析，试验结束。
2 电驱动系统nvh实验室
建设方案对比
根据调研分析，本文对现有的三种主流电驱动nvh实验室建设方案进行了性能对比。
如图1所示，方案a的结构形式是电驱动系统的安装端面为反射面，其余墙面均为安装了吸声材料的自由声场。该结构的特点是：（1）其声学材料主要采用非对称吸声结构或宽频复合共振板吸声结构；（2）由于电驱动系统的安装端面为反射面，没有安装吸声材料，故电驱动系统测试台架传动轴系可采用短轴形式，传动轴系整体长度不超过1.0 m，台架的峰值转速可达到20 000 r/min，可满足高性能电驱动系统的nvh测试和动态响应测试需求；（3）半消声室的建设尺寸最小，建设成本最低。
如图2所示，方案b的结构形式是半消声室的反射面为半消声室的地面，其余墙面均为安装了吸声材料的自由声场。该结构的特点是：（1）其声学材料既可以采用尖劈吸声结构，也可以采用宽频复合共振板吸声结构；（2）由于电驱动系统的测量中心为半消声室的中心位置，因此电驱动系统测试台架需采用碳纤维长轴形式，台架的整体传动轴系需达到2.0 m以上，传动轴系的一阶模态共振转速为16 000 r/min，因此台架的峰值转速不能超过16 000 r/min，不能满足高性能电驱动系统的测试需求；（3）半消声室的建设尺寸最大，建设成本最高。
如图3所示，方案c的结构形式是半消声室的反射面为实验室的地面，电驱动系统的安装端面为无声学材料的楔形结构，其余墙面均为安装了吸声材料的自由声场。该结构的特点是：（1）由于受声学结构限制，声学材料只能采用宽频复合共振板吸声结构；（2）电驱动系统的声学测量中心为半消声室的中心位置，但由于电驱动系统的安装端面不能安装声学材料，需对该部分的背景噪声和环境噪声进行参数修正，对声学测量精度有一定影响；（3）台架的整体轴系不超过1.0 m，台架的峰值转速可达到20 000 r/min，既可满足高速电驱动系统的nvh测试需求，也可满足电驱动系统的动态响应测试需求；（4）半消声室的建设尺寸中等，建设成本中等。
综合考虑声学性能指标、台架性能指标、实验室的建设成本等因素，最终选择方案a作为本次高性能电驱动系统nvh实验室的建设方案。
3 电驱动系统nvh实验室
工艺参数确定
本文中的半消声室参数需满足gb/t 3767—2016[5]中使用半球法测量电驱动系统声功率的测试需求。考虑新能源电驱动系统的噪声频率多为500～7 000 hz的高频率单调音，同时参考qc/t 1132—2020中第4.1.2条建议的测试频率范围为中心频率100～20 000 hz（1/3倍频带），考虑一定的测量余量，本文中的半消声室噪声测量截止频率选择为63 hz。
背景噪声确定，半消声室在所有设备停止工作时的背景噪声为20 db（a），仅开启空调时背景噪声为25 db（a）。参考qc/t 1132—2020中第4.2条表2内容，测试方法为1级精度的半球法，δl≥10 db。通过选取合适的电驱动系统总噪声平均值，可以计算出电驱动系统测试台架在各位置各转速下的背景噪声限值要求。电驱动系统测试台架噪声限值测试麦克风布置如图4所示，具体噪声限值如图5所示。
半消声室自由场半径确定，参考gb/t 6882—2016[5]中8.2的相关要求，测量半径r≥λ/4和0.75 m中的较大者，其中λ为声波波长，由于半消声室的最低测量频率为63 hz，由公式λ=c/f（c为声波在空气中的传播速度，f为声波频率）可得其声波波长：
测量半径：
考虑一定的测量余量，取半消声室的自由场半径r=1.5 m。
半消声室自由声场测得的声压级与平方反比定律理论值的最大允许偏差确定，参考gb/t 6882—2016以及欧洲主流主机厂的半消声精度测量标准，确定其自由场偏差如下：在中心频率≤630 hz时，自由声场的允许偏差≤±1.5 db；在中心频率＞800 hz时，自由声场的允许偏差≤±1.0 db。
半消声室隔振参数确定，半消声室周边的其他设备振动源会对声学测试精度造成一定影响，如测功机间运行中的电驱动系统测试台架等设备。为了隔断其他设备通过地面传来的振动，半消声室需置于隔振系统之上，隔振系统的固有频率需≤10 hz，隔振效率≥95%，减振结构产生弹性形变的载荷范围应该比较宽，最大可用载荷应是最小可用载荷的5倍。
半消声室的内部尺寸确定，参考gb/t 3767—2016的相关标准要求，有以下4条原则：（1）最低的1/3倍频程中心频率为63 hz的半消声室，其半消声室的最小体积应≥200×声源体积[6]，本文中测试的电驱动系统体积≤0.22 m3；（2）为了减少频率简并对半消声室声场均匀性的影响，半消声室内房的长宽高尺寸比例应不规则；（3）半消声室的最长限度imax≤1.9v1/3；（4）考虑半消声室存在回声调制问题，需借助计算机辅助设计软件，对半消声室内的声学模态进行抑制。综合考虑以上4点原则，可以计算出本文中半消声室的内房最优尺寸为长×宽×高=4.9 m×7.5 m×7.1 m。
高性能电驱动系统测试台架组成及关键参数确定，台架主要由永磁同步测功机、变频柜、扭矩传感器、测功机隔音降噪装置、高速传动轴系、电池模拟器、电驱冷却液温控系统以及台架上位机控制软件组成。考虑未来电驱动系统往高转速、高电压平台、高功率密度、高度集成化、高动态响应方向发展，最终确定本文中的台架的峰值稳定转速为20 000 r/min，额定扭矩为500 n·m，台架的转速控制精度为±1 r/min，台架的转速响应能力为8 000 r/s。
4 结语
本文通过对比不同结构形式的电驱动系统nvh实验室的声学性能指标、台架性能指标、实验室的建设成本等维度，最终选择方案a作为本文中高性能电驱动系统nvh实验室的建设方案。然后对电驱动系统nvh实验室的主要工艺参数指标进行了计算，最终确定了半消声室及高性能电驱动系统测试台架的主要参数指标，为高性能电驱动系统nvh实验室的建设以及电驱动系统nvh系统测试夯实了基础。
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0 引言
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1 电驱动系统nvh测试流程介绍
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2 电驱动系统nvh实验室
建设方案对比
根据调研分析，本文对现有的三种主流电驱动nvh实验室建设方案进行了性能对比。
如图1所示，方案a的结构形式是电驱动系统的安装端面为反射面，其余墙面均为安装了吸声材料的自由声场。该结构的特点是：（1）其声学材料主要采用非对称吸声结构或宽频复合共振板吸声结构；（2）由于电驱动系统的安装端面为反射面，没有安装吸声材料，故电驱动系统测试台架传动轴系可采用短轴形式，传动轴系整体长度不超过1.0 m，台架的峰值转速可达到20 000 r/min，可满足高性能电驱动系统的nvh测试和动态响应测试需求；（3）半消声室的建设尺寸最小，建设成本最低。
如图2所示，方案b的结构形式是半消声室的反射面为半消声室的地面，其余墙面均为安装了吸声材料的自由声场。该结构的特点是：（1）其声学材料既可以采用尖劈吸声结构，也可以采用宽频复合共振板吸声结构；（2）由于电驱动系统的测量中心为半消声室的中心位置，因此电驱动系统测试台架需采用碳纤维长轴形式，台架的整体传动轴系需达到2.0 m以上，传动轴系的一阶模态共振转速为16 000 r/min，因此台架的峰值转速不能超过16 000 r/min，不能满足高性能电驱动系统的测试需求；（3）半消声室的建设尺寸最大，建设成本最高。
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工艺参数确定
本文中的半消声室参数需满足gb/t 3767—2016[5]中使用半球法测量电驱动系统声功率的测试需求。考虑新能源电驱动系统的噪声频率多为500～7 000 hz的高频率单调音，同时参考qc/t 1132—2020中第4.1.2条建议的测试频率范围为中心频率100～20 000 hz（1/3倍频带），考虑一定的测量余量，本文中的半消声室噪声测量截止频率选择为63 hz。
背景噪声确定，半消声室在所有设备停止工作时的背景噪声为20 db（a），仅开启空调时背景噪声为25 db（a）。参考qc/t 1132—2020中第4.2条表2内容，测试方法为1级精度的半球法，δl≥10 db。通过选取合适的电驱动系统总噪声平均值，可以计算出电驱动系统测试台架在各位置各转速下的背景噪声限值要求。电驱动系统测试台架噪声限值测试麦克风布置如图4所示，具体噪声限值如图5所示。
半消声室自由场半径确定，参考gb/t 6882—2016[5]中8.2的相关要求，测量半径r≥λ/4和0.75 m中的较大者，其中λ为声波波长，由于半消声室的最低测量频率为63 hz，由公式λ=c/f（c为声波在空气中的传播速度，f为声波频率）可得其声波波长：
测量半径：
考虑一定的测量余量，取半消声室的自由场半径r=1.5 m。
半消声室自由声场测得的声压级与平方反比定律理论值的最大允许偏差确定，参考gb/t 6882—2016以及欧洲主流主机厂的半消声精度测量标准，确定其自由场偏差如下：在中心频率≤630 hz时，自由声场的允许偏差≤±1.5 db；在中心频率＞800 hz时，自由声场的允许偏差≤±1.0 db。
半消声室隔振参数确定，半消声室周边的其他设备振动源会对声学测试精度造成一定影响，如测功机间运行中的电驱动系统测试台架等设备。为了隔断其他设备通过地面传来的振动，半消声室需置于隔振系统之上，隔振系统的固有频率需≤10 hz，隔振效率≥95%，减振结构产生弹性形变的载荷范围应该比较宽，最大可用载荷应是最小可用载荷的5倍。
半消声室的内部尺寸确定，参考gb/t 3767—2016的相关标准要求，有以下4条原则：（1）最低的1/3倍频程中心频率为63 hz的半消声室，其半消声室的最小体积应≥200×声源体积[6]，本文中测试的电驱动系统体积≤0.22 m3；（2）为了减少频率简并对半消声室声场均匀性的影响，半消声室内房的长宽高尺寸比例应不规则；（3）半消声室的最长限度imax≤1.9v1/3；（4）考虑半消声室存在回声调制问题，需借助计算机辅助设计软件，对半消声室内的声学模态进行抑制。综合考虑以上4点原则，可以计算出本文中半消声室的内房最优尺寸为长×宽×高=4.9 m×7.5 m×7.1 m。
高性能电驱动系统测试台架组成及关键参数确定，台架主要由永磁同步测功机、变频柜、扭矩传感器、测功机隔音降噪装置、高速传动轴系、电池模拟器、电驱冷却液温控系统以及台架上位机控制软件组成。考虑未来电驱动系统往高转速、高电压平台、高功率密度、高度集成化、高动态响应方向发展，最终确定本文中的台架的峰值稳定转速为20 000 r/min，额定扭矩为500 n·m，台架的转速控制精度为±1 r/min，台架的转速响应能力为8 000 r/s。
4 结语
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