Study on Vibration and Noise of Hybrid Electric Vehicle
1 Introduction
HEV is a new development branch of energy-saving technology of automobile industry in recent years, and its development is highly emphasized by the world,s giant automobile enterprises. However little study on HEV,s vibration and noise has been carried on at present. In view of that, this paper focus on the changes of HEV,s structure and key components compared with single fuel vehicles, which result in the changes of sources and characteristics of its vibration and noise, and the methods of controlling its vibration and noise are also put forward. Finally the controlling difficulties and development trends of HEV,s vibration and noise have been summarized.
2 Characteristics of HEV,s Structure and Vibration and Noise Sources
2.1 Analysis of HEV,s Structural Characteristics
HEV is a new energy-saving and environmental friendly vehicle, whose driving depends on the energies provided by engine and electromotor. Due to this characteristic, HEV has great changes in mass、structure and key components in order to adapt to the requirements of its multi energies driving.
2.2 Power System
(1) Change of dynamic output device. Single fuel vehicle,s driving depends on only the power provided by engine, but HEV depends on the power provided by both engine and electromotor, or driven by one of them separately.
(2) Added storage battery and energy conversion system. Storage battery can provide auxiliary power, and braking energy can be converted into electricity by generator, which may be stored in the storage battery.
(3) Change of transmission. Dynamic coupling device has been used in the HEV in order to synthesize or divert the power, which makes transmission more complex.
2.3 Auxiliary Power System
Auxiliary systems of single fuel vehicle are driven by the engine, however all of these auxiliary systems in the HEV such as air-conditioning system、steering force pump system、water pump system、cooling system, which are driven by electromotor, therefore electric compressor and electric pump are needed in order to keep the auxiliary systems work well.
2.4 Body Structure and Chassis System
Gross mass、load distribution and drive system have been adjusted according to the changes of power system and auxiliary system, in order to adapt to all these changes, HEV,s body structure and chassis system should have also been improved.
2.5 Characteristics of the Sources of HEV,s Vibration and Noise
Based on the analysis of HEV,s structure and its changes of key components, it is concluded that HEV,s sources of vibration and noise have its unique characteristics compared with single fuel vehicle as follows:
(1) Mass has a great influence on the characteristics of structure vibration and structure borne noise. High pressure nickel-hydrogen battery or lithium battery that consists of many battery modules is of large mass, which may reach tens of kilograms or even hundreds of kilograms; and its distribution and supporting way can affect the its structural modal, generally they reduces its modal frequency. In order to improve fuel efficiency, HEV uses low friction coefficient tire; and the mass of its body structure can also be greatly decreased; these factors will be a challenge for dealing with HEV,s structure vibration and structure borne noise.
(2) HEV,s acoustic feature has changed due to its changes of indoor and outdoor acoustic environment. HEV,s noise conditions has been changed because its driving power source are both low power engine and electromotor, or is either of them; noise caused by road excitation and tire noise still stay, therefore its noise level as a whole is quite low. With the decrease of noise level and the change of noise feature, the contribution ratio of its noise sources changes greatly, and it has a considerable influence on indoor acoustic environmental quality and outdoor noise level of HEV.
(3) Distribution of sources of HEV,s vibration and noise is more disperse. Vibration and noise sources of single fuel vehicle are mainly located near the engine; however electromotor/generator、storage battery and other high-power components are added into the HEV, which are all scattered in the automobile body or the trunk, thus the feature of dispersed multi-noise sources forms; resulted in the difficulty of analyzing the feature of vibration and noise sources.
(4) Transient impact vibration and high frequency noise are more prominent. HEV starts depending on auxiliary electromotor, whose torque fluctuation is quite small and torque response slope is big, suspend system of electromotor must have the ability to resist transient impact vibration. Start/Stop frequency of HEV,s engine increases greatly compared with single fuel vehicle, torque fluctuation of the engine,s dynamic process and torsional vibration of the transmission system and HEV,s longitudinal vibration are prominent. Apart from that, frequent start/stop of electromotor of auxiliary system results in transient vibration and noise at all levels. Driving motors and controllers of auxiliary system can cause high frequency electromagnetism noise, so it is a quite prominent problem that how to control high frequency electromagnetism noise in order to improve the riding comfort.
(5) Difficulty of controlling the sources of solid-borne and air-borne vibration and noise increases. Local impedance of body structure and the suspend and support of solid-borne vibration controlling are badly demanded due to scattered feature of sources of the HEV,s vibration and noise. High frequency electromagnetism noise of driving motors and controllers of the auxiliary system, plus the complexity of its circuit system and ventilating duct that pass through between body structure and auto inner trim structure make it more difficult to control t
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研究混合动力电动汽车的振动和噪声
1.介绍
HVE是近年来汽车行业新开发的一种运用节能技术的新型混合动力汽车,其发展前景被世界大型汽车企业高度强调。然而研究HVE与振动和噪声的关系目前已经进行。在本文中,主要关注HVE的变化，与单一燃料汽车相比,结构和关键部件导致的变化以及其振动和噪声的来源和特点,也提出了控制其振动和噪声的方法。最后,总结了振动和噪声的控制困难和混合动力汽车的发展趋势。
2.HVE的特点、结构和振动和噪声来源
2.1分析HVE的结构特点
HVE是一种新型节能和环保的汽车,其驾驶动力来自于发动机和电动机提供的能量。由于这个特征,HVE结构和关键部件很有质量的变化,以适应需求的多能量驱动。
2.2电力系统
- 变化的动态输出设备。单一燃料车辆的驾驶只依靠于引擎提供的动力,但HVE则取决于发动机和电动机提供的动力,或是由其中一个单独驱动的。
(2)增加了蓄电池和能量转换系统。蓄电池可以提供辅助动力,制动能量可以通过发电机转换成电能,这可以是存储在蓄电池中。
(3)改变传播。动态耦合装置被用于HVE以合成或转移的力量,使传动更加复杂。
2.3辅助动力系统
单燃料车辆的辅助系统由发动机驱动，然而HEV中的所有这些辅助系统，例如由电动机驱动的空调系统，转向力泵系统，水泵系统，冷却系统，因此电动压缩机和电动泵必须达到保持辅助系统工作良好的要求。
2.4身体结构和底盘系统
总质量，负载分布和驱动系统已根据电力系统和辅助系统的变化进行了相应的调整，为了适应所有这些变化，HEV的车身结构和底盘系统也应得到相应的改进。
2.5 HVE的来源特点,振动和噪声
在HVE的分析基础上,重点分析其关键部件的结构和它的变化,结果表明,HVE振动和噪声的来源有其独特的特征，与单一燃料车辆对比如下:
- 质量对结构振动的特点和结构噪声承担无疑有很大的影响。高压镍氢电池或锂电池,包括许多其他电池模块的质量很大,可能达到数百公斤甚至数万公斤;而其（结构）分布会影响其结构模态和支持方式,通常会降低其模态频率。为了提高燃油使用效率,HVE采用低摩擦系数轮胎;它的身体结构的质量也可以进行相应的调整从而降低,这些因素对处理HVE的结构振动和结构噪声承担将是一个挑战。
- HEV的声学特征是由于其室内和室外声学环境的变化而改变。HEV的噪声条件已经改变，因为它的驱动功率源既是低功率发动机又是电动机，或者是它们中的一种; 道路激励和轮胎噪声引起的噪声仍然存在，因此其噪声水平作为一个整体来说是相当低的。随着噪声水平的降低和噪声特征的改变，其噪声源的贡献率变化很大，并且对HEV的室内声环境质量和室外噪声水平均具有相当大的影响。
- HEV的振动和噪声源的分布更加分散。单燃料车辆的振动和噪声源主要位于发动机或引擎附近; 然而电动机/发电机，蓄电池和其他大功率部件被添加到HEV中，它们都分散的布置在汽车车体或行李箱中，因此形成分散的多噪声源的特征，而这也导致难以分析振动和噪声源的特征。
- 瞬态冲击振动和高频噪声的问题更加突出。 HEV启动取决于辅助电动机，其扭矩波动相当的小，扭矩响应斜率大，电动机的悬挂系统必须具有较强的抵抗瞬时冲击振动的能力。 HEV的启动/停止频率与单燃料车辆相比大大增加，发动机的扭矩波动，传动系统的扭转振动和HEV的纵向振动显著。除此之外，辅助系统的电动机的频繁启动/停止导致产生所有级别的瞬态振动和噪声。 辅助系统的驱动电机和控制器可能引起高频电磁噪声，因此如何控制高频电磁噪声从而提高乘坐舒适性是相当突出的问题。
- 控制固体和空气传播振动和噪声源的难度显著增加。由于HEV源的振动和噪声的分散特征，人体结构的局部阻抗和固体传导振动控制的悬挂和支撑是非常需要的。辅助系统的驱动马达和控制器的高频电磁噪声加上其通过车体结构和自动内部装饰结构之间的电路系统和通风管道的复杂性使得更加难以控制噪声。
3.HVE来源的分析,振动和噪声
HEV与单燃料车辆相比具有振动和噪声的特点，本文主要研究与HEV相关的振动和噪声问题。从HEV的结构和关键部件的分析可以得出结论，HEV的主要振动和噪声源如下：发动机的振动和噪声，电动机的振动和噪声，升压电路的振动和噪声，振动和动力耦合装置的噪声，加速和减速的振动和噪声，整车结构和制动的振动和噪声。
3.1引擎
尽管发动机的振动和噪声大大降低,但它仍是HVE的振动和噪声的主要来源,也是其特性变化的原因。HVE的振动和噪声的特性如下:
- 当HEV在城市中以低速运行时，发动机热效率是比较低效的;为了提高燃油经济性,引擎必须启动/停止频繁;HEV频繁的启动/停止的切换会引起不连续的振动和噪声的启动/停止，这使得乘客感到相当的不舒服和更容易唤起他们的察觉；
(2)变速器在HEV启动时的驱动变速，发动机振动和扭矩波动可以传递到动力系统，这导致HEV中底板和座椅产生相应的振动和噪声；
(3)HVE可能会影响到发动机的转矩波动驱动速度较低,导致车体产生嗡嗡声和车内人员的身体振动,主要原因是发动机与传动系统直接连接，从而造成结构不稳。
3.2电动机/发电机
HEV的电动机/发电机用作辅助电力或发电。HVE加速时,电动机/发电机作为辅助动力,HVE降速时,电动机/发电机是回收制动能量并存储在蓄电池中。在工作的过程中作为辅助动力或发电,其主要噪声源是电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声。
这是不可避免的,任何移动部件机械噪声、电磁噪声密切相关,因为结构振动会影响电磁场;结构的振动频率和振幅特征由电磁力组件可以被改变。机械噪声可以增加与转速和负载的增加,它的主要噪音电机在高速时,包括噪音轴承、电刷和结构共振。
涡流噪声和吹口哨噪声是电机的主要气动噪声。涡流噪声主要是由交替涡流引起的转子的旋转表面,冷却风扇,其频谱变化很大,吹口哨噪音是由于空气的压缩空气或皮肤摩擦通过表面的组件,叫做吹口哨的现象。旋转电机的气动噪声是不可避免的,这是有关表面圆周速度,粗糙度,管道横截面的变化,风机的气动特点和组件的形状,这些声音分为宽频率噪声和离散噪声。
3.3电压升压电路系统
改善燃油经济性和动力性能,电压升压电路系统中添加HVE;电压升压电路系统将增加电压提高功率和混合动力系统的效率。当通过电压升压电路系统的电压增加,电压转换电路的开关过程会导致电感线圈的交变磁场,导致磁致伸缩,磁芯扩张或收缩和线圈振动;辐射电压升压电路系统的振动和噪声的主要来源是内部和外部的混合动力汽车的高频振动和噪声。辐射电压升压电路系统的振动和噪声电流成正比,因此电压升压电路系统的振动和噪声变得越来越突出当电动机产生高压电流。
3.4动态耦合装置
HVE是由发动机和电动机加速的设备,负责合成两种力量的装置被称为动态耦合装置。动态耦合装置的性能在效率和稳定性的动态耦合中有很大的影响。在动态耦合过程中如果出现一些问题,会导致动态耦合装置的振动、冲击、噪声,不稳定的耦合动态可影响振动的动力传动系统的输出。除此之外,动态耦合装置还负责电力分裂和能量反馈；也就是说,能量由发动机可以存储部分或完全通过发电机电池,导致功率切换不稳定的问题,它会引起振动和噪声在切换的过程中如果电力系统和混合动力汽车的动力传动系统协调不一致。如何控制振动和噪声的动态耦合装置这是一个重要的问题。
3.5其他振动和噪声
当HEV加速或减速时，电动机相应地增加或减小输出转矩，发动机的转矩可以大于或小于电动机的转矩，因此它们的合成可以是不稳定的，从而导致传动系的扭转振动。
在HEV中添加的几十千克甚至几百千克的镍氢电池可由于存储单元的分布和支持而影响其结构模态，导致模态频率的降低。
HEV的电路系统和通风管道比单燃料车辆更复杂，因为采用先进的电路技术; 并且它们穿过车体和汽车内部装饰结构之间，导致空腔振动和噪声。
4控制措施的HVE的来源,振动和噪声
4.1混合动力汽车的发展现状
HEV由低功率发动机和电动机驱动，因此它的总振动和噪声水平比单燃料车辆低得多，这是汽车制造商不太注意的，因此很少在HEV的振动和噪声。根据目前的研究参考资料，以下组织和大学已经研究了HEV的振动和噪声。
丰田在对HEV的振动和噪声的分析和控制方面处于领先地位，研究了以下方面：发动机的振动和噪声，升压电路系统的电磁噪声，低速嗡嗡声，回收的电磁噪声 制动能量。 这些技术已经应用于新型Prius的振动和噪声控制; 此外，丰田还开发了新型THS（丰田混合动力系统），优化了动态耦合装置的性能，减少冲击噪声和振动。
福特研究了氢燃料发动机HEV的整车NVH性能，并分析了质量，结构布局和动力系统的变化及其对振动和噪声的影响，并提出了相应的控制措施；福特在其PHEV（并联混合动力电动汽车）和SPHEV（串并联混合动力电动汽车）上采用了PTH（并行转移混合动力）动态耦合装置。
华沙理工大学开发了单列行星齿轮机构的动态耦合装置，工作更稳定，其冲击噪声和振动大大降低。湖南大学研究了新型动态耦合装置和HEV的功率固定开关。北京工业大学研究了HEV辅助系统的噪声控制; 武汉理工大学研究了电机的振动和噪声。
4.2混合动力汽车的控制技术,振动和噪声引擎
发动机，发动机的振动和噪声可以通过采取以下措施控制：
（1）优化发动机与混合动力系统之间的开关控制，这样可以减少发动机启动时的额外振动力;
(2)优化支架，这样可以提高振动传输特性;
(3)采用低噪声结构模式和传输系统;
(4)提高关键部件的质量和装配精度;
(5)在振动部件的表面上添加粘弹性材料以吸收振动能量。
4.3电动机
为了降低HEV，s电动机系统的噪声，首先要降低电磁噪声; 和下一个机械噪声。 降低电磁噪声的方法如下：
- 优化爪极,形成正弦激励磁场,减少谐波;
- 选择合适的气隙磁场强度;
- 选择合适的槽组合,避免低磁力波;
- 改善定子和转子的对称、,定子及其线圈之间的紧固;
- 提高定子和转子的加工和组装的圆度和同轴度。 降低机械结构噪声的方法是保持转子的动态平衡，包括在施加减重方法期间尽可能多的结构部件以保持动态平衡。
降低和隔离机械结构振动的方法如下：
- 使主要结构部件的固有频率偏离主激励力频率，特别是使结构部件的共振频率偏离高阶电磁激振力的振动频率;
- 在电机盖和定子铁心之间安装弹性连杆结构;
- 在电机中增加结构阻尼以消散内部能量并降低电机的振动响应。
4.4电压升压电路系统
当HEV的噪声在高负载下加速或再循环制动能量时更加突出，为了减少升压电路系统的空中噪声和结构噪声，通常采取以下措施:
- 暂时更换电磁线圈材料，从而减小由磁致伸缩和磁芯膨胀引起的施加的强制力;
- 提高升压电路系统外壳和支架的振动特性;
- 提高车体振动和噪声的吸收和隔离性能。
4.5动态耦合装置
动力耦合装置的性能在功率转换过程中对整体的稳定性有很大的影响。设计时一方面可以优化动态耦合装置的控制算法; 另一方面我们可以通过使用模拟软件来优化机械结构部件来提高其动态性能。
4.6其他振动和噪声的控制
当HEV加速或减速时，如果辅助动力系统和主动力系统之间的扭矩不匹配，则可能导致系统的冲击和不稳定。为了解决这个问题，首先我们可以通过控制器得出主电源系统的输出转矩，然后根据总功率需求得到辅助功率值需求，使主电源系统和辅助电源系统之间的转矩匹配。
高压镍氢电池或锂电池的分布和支持可以影响HEV的结构模态，为了减少结构振动和噪声，镍氢电池或锂电池应在整个车辆模态振动形状的节点附近，例如 它们可以安装在第二排座椅下面的位置。
HEV中使用的电池由于质量大，可以降低整个汽车模态频率，可以采取以下措施来降低低频振动和噪声：
- 通过优化避免悬挂和框架之间的耦合来减小振动;
- 避免发动机与车体及其连接系统之间的联接从而避免振动;
- 避免车身板结构模态与车厢声学模态之间的耦合从而避免振动;
- 提高结构强度从而减小振动。
HEV的腔体振动和噪声引起的电路系统和通风鸭可以在空气动力学研究的基础上改进，我们可以根据空气动力学实验优化结构，降低振动和噪声水平。
5结论
我们可以从HEV的振动和噪声的特性以及结构的变化得出以下的难点和发展趋势的结论：
-
整车振动和噪声源 - 路径 -
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