電機控制器（MCU）和直流高壓轉(zhuǎn)低壓變換器(DC/DC)等都屬于新能源汽車的核心電子元件，直接控制驅(qū)動電機、發(fā)電機的工作及車內(nèi)電子設備的正常運行，是保證車輛正常駕駛的關鍵。由于目前對汽車艙內(nèi)空間的利用率要求越來越高，各電子元件的集成度也越來越高。

 

新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)高集成度的多合一架構(gòu)已經(jīng)成為行業(yè)的趨勢，但高集成度也對于各電子元件的可靠性及NVH指標的達成帶來了極大的挑戰(zhàn)。汽車NVH特性的研究通常以整車作為研究對象，但由于汽車系統(tǒng)極為復雜，因此經(jīng)常將它分解成多個子系統(tǒng)進行研究，電機控制器及DC/DC作為電驅(qū)動動力總成子系統(tǒng)中的重要組成部分，其振動特性直接影響到整車的NVH水平。

 

某純電動乘用車電驅(qū)動總成將電機控制器與直流高壓轉(zhuǎn)低壓變換器進行集成，布置空間的限制導致可靠性及NVH目標難以達成，NVH臺架試驗過程中發(fā)現(xiàn)3200rpm以下NVH表現(xiàn)較差且驅(qū)動電機控制器蓋板存在共振現(xiàn)象。本文針對臺架試驗中出現(xiàn)的可靠性及NVH風險通過仿真手段進行全面解析，采用掃頻及頻響仿真分析確定電機控制器及DC/DC局部振動較大位置后，通過優(yōu)化蓋板結(jié)構(gòu)及支架來降低局部振動加速度進而改善輻射噪聲等NVH表現(xiàn)問題。

 

并根據(jù)仿真分析結(jié)果將出現(xiàn)的問題逐一優(yōu)化解決。經(jīng)過仿真-設計優(yōu)化后，3200rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)電驅(qū)動總成控制器及DC/DC殼體NVH表現(xiàn)較差的問題得到有效解決，且電機控制器及DC/DC新設計方案各項NVH與可靠性評價指標均滿足設計要求并順利通過電驅(qū)動總成NVH及可靠耐久臺架試驗。

 

1 NVH問題描述與原因排查

某電動乘用車電機控制器及直流高壓轉(zhuǎn)低壓變換器集成組件為了電驅(qū)動總成布置空間的需求進行設計變更，新方案為了避免零部件干涉雖布置緊湊但在臺架試驗過程中遇到 MCU 及 DC/DC 蓋板共振及 3200rpm 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi) NVH 表現(xiàn)較差等問題，如圖1 試驗數(shù)據(jù)所示，電驅(qū)動總成的可靠性及 NVH 目標達成困難，因此需要通過有限元仿真方法來進一步排查問題源頭并提出優(yōu)化改進建議。

 

 

圖1 電驅(qū)動總成NVH臺架試驗數(shù)據(jù)

 

2 有限元模型建立及邊界條件

所有部件劃分二階四面體網(wǎng)格(Abaqus 軟件C3D10M 單元），網(wǎng)格尺寸為 1mm，接觸面之間盡量保持節(jié)點對應，模型包括上殼體、中冷板、PCB 板、逆變磚、下殼體、DC/DC 殼體、濾波盒、固定支架、螺栓和焊縫等，如圖 2 所示。

 

 

圖2 電機控制器及DC/DC有限元仿真建模示意圖

 

邊界條件的施加與實際電驅(qū)動總成工況是否吻合，直接影響到分析結(jié)果的正確性、合理性以及準確性。針對試驗中所出現(xiàn)的 NVH 問題，本文先通過計算得到溫度場作為熱機狀態(tài)下電驅(qū)動總成模態(tài)仿真計算的邊界條件，隨后將控制器與減速箱/電機殼體固定螺栓孔處設定為全約束作為掃頻/面剛度/隨機振動等仿真分析的邊界條件。

 

3 溫度場及模態(tài)仿真分析

由于輻射噪聲的產(chǎn)生與電驅(qū)動總成中的零件振動幅度有直接的聯(lián)系，通過仿真分析排查問題需要先計算出試驗工況下電驅(qū)動總成的溫度場，在溫度場分析時，熱邊界條件的準確性是關鍵，熱邊界條件包括內(nèi)部空氣和殼體內(nèi)表面間的強迫對流換熱、空氣和殼體外表面的自由對流換熱、水冷板與冷卻液間的熱傳導、固定螺栓與電機/減速箱等相鄰部件間的熱傳導等。首先使用 XFlow 計算出中冷板的穩(wěn)態(tài)內(nèi)流場，得到中冷板內(nèi)部氣體溫度和對流換熱系

數(shù)，然后將其映射到控制器及 DC/DC 殼體表面有限元網(wǎng)格上。其中殼體外壁面環(huán)境溫度和對流換熱系數(shù)由實測結(jié)果和經(jīng)驗值確定。在確定了相關熱邊界條件后，即可通過 Abaqus / Standard 算出控制器、DC/DC 殼體及中冷板溫度場。仿真結(jié)果如圖3所示。

 

 

圖3 中冷板額定流量下CFD仿真結(jié)果

 

圖4 臺架掃頻振動頻率范圍內(nèi)DC/DC殼體的模態(tài)

 

進行模態(tài)分析時，因為電驅(qū)動總成整體溫度升高，金屬材料在高溫時其物理力學性能會發(fā)生很大變化， 支架及各殼體隨著溫度升高其材料彈性模量、導熱系數(shù)、比熱容和熱膨脹系數(shù)等物性參數(shù)都會發(fā)生明顯變化，而這些參數(shù)都會對模態(tài)分析結(jié)果有影響。如彈性模量降低時，模態(tài)會降低。模態(tài)分析時，控制器與減速箱/電機殼體固定螺栓孔處設定為全約束。臺架掃頻振動的頻率范圍內(nèi)控制器及 DC/DC殼體模態(tài)如圖 4 所示。

 

4 掃頻及頻響振動仿真分析

為了更好的評估 3200rpm 轉(zhuǎn)速范圍試驗中出現(xiàn)的 NVH 問題，本文先通過計算找出熱機狀態(tài)下電機控制器及 DC/DC 各階對應模態(tài)及振型后采用頻響振動分析來排查電機控制器及 DC/DC 上的零部件，在各個需關注的零件上布點來分析對應頻率相應的振動程度。掃頻振動仿真分析在控制器殼體約束處分別根據(jù) GBT 18488.1-2015 的標準在 25-500Hz 范圍內(nèi)施加 x、y、z 三個方向的 30m/s2 加速度作為激勵源，隨后在電機控制器及 DC/DC 外殼體不同位置選取測點加載垂直于殼體表面的單位力來讀取 0-10000Hz頻率范圍內(nèi)掃頻振動的位移幅值，進而來判斷面剛度不足造成 NVH 問題的具體位置。

 

同時將未發(fā)現(xiàn)3200rpm 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在 NVH 異響問題的電驅(qū)動總成控制器及 DC/DC 進行對比分析。電機控制器及DC/DC 布置方案及頻響分析仿真結(jié)果如圖 5 所示，發(fā)現(xiàn)電機控制器及 DC/DC 各處在頻率接近 500Hz 與800Hz 時，MCU 及 DC/DC 上殼體處加速度響應幅值明顯大于其他位置。

 

 

圖5 現(xiàn)臺架方案頻響分析加速度激勵仿真結(jié)果

 

5 改進方案與仿真分析及驗證

5.1 優(yōu)化方案描述

針對掃頻振動仿真分析發(fā)現(xiàn)的驅(qū)動電機控制器上殼體 500Hz 及 800Hz 附近響應加速度較大的情況提出優(yōu)化建議，增大 DC/DC 上殼體大平面的面剛度并增強電機控制器與 DC/DC 連接的沖壓支架可以較為直接地降低驅(qū)動電機控制器上殼體的振動加速度幅度。設計方面根據(jù)優(yōu)化建議分別提出了三種優(yōu)化方案。

 

優(yōu)化方案一：將支撐 MCU 及 DC/DC 的沖壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖 6 所示；優(yōu)化方案二：在優(yōu)化方案一基礎上對 MCU 及 DC/DC 上殼體進行加筋減重更改，如圖 7 所示；優(yōu)化方案三：在優(yōu)化方案二基礎上對 MCU 及 DC/DC 上殼體的起筋走向及布置進一步調(diào)整 ，如圖 8 所示。同時設計變更前的老方案也作為橫向?qū)Ρ葏⒖歼M行建模及仿真計算，如圖 9所示。

 

 

圖6 MCU及DC/DC優(yōu)化方案一布置及結(jié)構(gòu)

 

 

圖7 MCU及DC/DC優(yōu)化方案二布置及結(jié)構(gòu)

 

 

圖8 MCU及DC/DC優(yōu)化方案三布置及結(jié)構(gòu)

 

 

圖9 橫向?qū)Ρ葯C型方案布置及模態(tài)分析仿真結(jié)果

 

5.2 優(yōu)化方案頻響振動及面剛度仿真分析對比

如圖 10-12 所示，經(jīng)過對各優(yōu)化方案及橫向?qū)Ρ确桨高M行頻響振動分析可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案較原方案 MCU 及 DC/DC 殼體附近局部振動均有一定程度的改善。優(yōu)化方案一相對原方案支架結(jié)構(gòu)相對改動較小，僅增加支架厚度，成本方面變化較小，但模態(tài)提升后上殼體面剛度水平偏低（1355N/mm，仿真結(jié)果如圖 10 所示），局部振動幅值仍較高；優(yōu)化方案二在優(yōu)化方案一的基礎上對 DC/DC 上殼體進行加筋減重更改，模態(tài)水平基本與方案一保持一致，殼體上的加筋有效提升了 MCU 及 DC/DC 上殼體的面剛度，面剛度提升至 2367N/mm，如圖 11 所示，但與競品目標仍有一定差距；優(yōu)化方案三在優(yōu)化方案二基礎上對 MCU 及 DC/DC 上殼體的起筋走向及布置進一步調(diào)整，仿真結(jié)果顯示優(yōu)化后一階模態(tài)相比優(yōu)化方案二進一步提升且對 MCU 及 DC/DC 上殼體局部振動幅度有明顯改善，面剛度提升至 4484N/mm，達到主流競品方案水平，因此確定優(yōu)化方案三為最終方案進一步進行隨機振動可靠性仿真驗證。

 

 

圖10 優(yōu)化方案一DC/DC上殼體模態(tài)及面剛度仿真結(jié)果

 

圖11 優(yōu)化方案二DC/DC上殼體模態(tài)及面剛度仿真結(jié)果

 

圖 12 優(yōu)化方案三 DC/DC 上殼體模態(tài)及面剛度仿真結(jié)果

 

5.3 隨機振動仿真驗證

通過掃頻振動及頻響分析仿真后確定的優(yōu)化方案根據(jù)仿真結(jié)果已經(jīng)滿足 NVH 目標，隨后本文開展對標臺架耐久實驗的隨機振動仿真來對 MCU-DC/DC進行強度和耐久疲勞方面的驗證。隨機振動的載荷譜參考了 GBT 28046.3-2011 標準如圖 14 所示。經(jīng)隨機振動仿真校核，控制器及 DC/DC 各處 3σRMS 米塞斯應力均小于材料屈服極限，優(yōu)化方案三的強度及可靠耐久指標均滿足設計要求如圖 15 所示，確認作為最終設計方案進行 NVH 及可靠耐久臺架試驗驗證。

 

 

圖14 隨機振動仿真采用的載荷譜

 

圖15 隨機振動仿真RMS米塞斯應力分布

 

試驗驗證

優(yōu)化方案三作為最終設計方案在 NVH 臺架上進行了振動及噪聲測試（如圖 16 所示），3200rpm 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi) NVH 表現(xiàn)差及局部共振問題未復現(xiàn)（如圖17 所示）。后續(xù)在電驅(qū)動總成耐久試驗臺架上也通過了基于實車路譜的 800 小時振動耐久試驗。

 

 

圖 16 電驅(qū)動總成 NVH 臺架試驗現(xiàn)場

 

圖 17 電驅(qū)動總成 NVH 臺架試驗數(shù)據(jù)分析

 

結(jié)論

結(jié)合仿真和試驗手段，對于某電驅(qū)動總成電機控制器與直流高壓轉(zhuǎn)低壓變換器在 3200rpm 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)局部共振且 NVH 表現(xiàn)較差的問題，有針對性地提出多個改善局部剛度的優(yōu)化方案且分別通過有限元仿真分析進行快速驗證，進而短時間內(nèi)找出最優(yōu)解決方案。本文主要結(jié)論有：

1）由于電機控制器（MCU）及直流高壓轉(zhuǎn)低壓變換器（DC/DC）結(jié)構(gòu)較為復雜且零件較多，僅通過試驗手段無法對出現(xiàn)的 NVH 問題進行準確快速的判斷，本文采用的溫度場計算、模態(tài)及掃頻及頻響振動、隨機振動仿真分析等多角度評估的仿真流程，可以有效地對乘用車電驅(qū)動總成中電機控制器及 DC/DC等重要零部件的 NVH 問題進行排查確認并有針對性的解決問題；

 

2）排查發(fā)現(xiàn)問題源頭后提出多個優(yōu)化方案，通過有限元仿真手段可以在短時間內(nèi)快速完成方案驗證與橫向?qū)Ρ?，極大程度上縮短了設計周期；

 

3）本文通過有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)設計存在的問題并有針對性的提出優(yōu)化方案，進而在設計初期短時間內(nèi)確定最終設計方案，分析時間短、結(jié)果準確且成本低，可高效指導乘用車電驅(qū)動總成的設計與優(yōu)化。

 

資料來源：達索官方