電機(jī)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(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)的工作及車內(nèi)電子設(shè)備的正常運(yùn)行，是保證車輛正常駕駛的關(guān)鍵。由于目前對(duì)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(dòng)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(duì)于各電子元件的可靠性及NVH指標(biāo)的達(dá)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(duì)象，但由于汽車系統(tǒng)極為復(fù)雜，因此經(jīng)常將它分解成多個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行研究，電機(jī)控制器及DC/DC作為電驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成子系統(tǒng)中的重要組成部分，其振動(dòng)特性直接影響到整車的NVH水平。

 

某純電動(dòng)乘用車電驅(qū)動(dòng)總成將電機(jī)控制器與直流高壓轉(zhuǎn)低壓變換器進(jìn)行集成，布置空間的限制導(dǎo)致可靠性及NVH目標(biāo)難以達(dá)成，NVH臺(tái)架試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)3200rpm以下NVH表現(xiàn)較差且驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器蓋板存在共振現(xiàn)象。本文針對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)中出現(xiàn)的可靠性及NVH風(fēng)險(xiǎn)通過仿真手段進(jìn)行全面解析，采用掃頻及頻響仿真分析確定電機(jī)控制器及DC/DC局部振動(dòng)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(dòng)加速度進(jìn)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(shè)計(jì)優(yōu)化后，3200rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)電驅(qū)動(dòng)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(jī)控制器及DC/DC新設(shè)計(jì)方案各項(xiàng)NVH與可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求并順利通過電驅(qū)動(dòng)總成NVH及可靠耐久臺(tái)架試驗(yàn)。

 

1 NVH問題描述與原因排查

某電動(dòng)乘用車電機(jī)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(dòng)總成布置空間的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，新方案為了避免零部件干涉雖布置緊湊但在臺(tái)架試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)所示，電驅(qū)動(dòng)總成的可靠性及 NVH 目標(biāo)達(dá)成困難，因此需要通過有限元仿真方法來進(jìn)一步排查問題源頭并提出優(yōu)化改進(jìn)建議。

 

 

圖1 電驅(qū)動(dòng)總成NVH臺(tái)架試驗(yàn)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(diǎn)對(duì)應(yīng)，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(jī)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(shí)際電驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)確性。針對(duì)試驗(yàn)中所出現(xiàn)的 NVH 問題，本文先通過計(jì)算得到溫度場作為熱機(jī)狀態(tài)下電驅(qū)動(dòng)總成模態(tài)仿真計(jì)算的邊界條件，隨后將控制器與減速箱/電機(jī)殼體固定螺栓孔處設(shè)定為全約束作為掃頻/面剛度/隨機(jī)振動(dòng)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(dòng)總成中的零件振動(dòng)幅度有直接的聯(lián)系，通過仿真分析排查問題需要先計(jì)算出試驗(yàn)工況下電驅(qū)動(dòng)總成的溫度場，在溫度場分析時(shí)，熱邊界條件的準(zhǔn)確性是關(guān)鍵，熱邊界條件包括內(nèi)部空氣和殼體內(nèi)表面間的強(qiáng)迫對(duì)流換熱、空氣和殼體外表面的自由對(duì)流換熱、水冷板與冷卻液間的熱傳導(dǎo)、固定螺栓與電機(jī)/減速箱等相鄰部件間的熱傳導(dǎo)等。首先使用 XFlow 計(jì)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(duì)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(duì)流換熱系數(shù)由實(shí)測結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)值確定。在確定了相關(guān)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(tái)架掃頻振動(dòng)頻率范圍內(nèi)DC/DC殼體的模態(tài)

 

進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，因?yàn)殡婒?qū)動(dòng)總成整體溫度升高，金屬材料在高溫時(shí)其物理力學(xué)性能會(huì)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(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和熱膨脹系數(shù)等物性參數(shù)都會(huì)發(fā)生明顯變化，而這些參數(shù)都會(huì)對(duì)模態(tài)分析結(jié)果有影響。如彈性模量降低時(shí)，模態(tài)會(huì)降低。模態(tài)分析時(shí)，控制器與減速箱/電機(jī)殼體固定螺栓孔處設(shè)定為全約束。臺(tái)架掃頻振動(dòng)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(dòng)仿真分析

為了更好的評(píng)估 3200rpm 轉(zhuǎn)速范圍試驗(yàn)中出現(xiàn)的 NVH 問題，本文先通過計(jì)算找出熱機(jī)狀態(tài)下電機(jī)控制器及 DC/DC 各階對(duì)應(yīng)模態(tài)及振型后采用頻響振動(dòng)分析來排查電機(jī)控制器及 DC/DC 上的零部件，在各個(gè)需關(guān)注的零件上布點(diǎn)來分析對(duì)應(yīng)頻率相應(yīng)的振動(dòng)程度。掃頻振動(dòng)仿真分析在控制器殼體約束處分別根據(jù) GBT 18488.1-2015 的標(biāo)準(zhǔn)在 25-500Hz 范圍內(nèi)施加 x、y、z 三個(gè)方向的 30m/s2 加速度作為激勵(lì)源，隨后在電機(jī)控制器及 DC/DC 外殼體不同位置選取測點(diǎn)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(dòng)的位移幅值，進(jìn)而來判斷面剛度不足造成 NVH 問題的具體位置。

 

同時(shí)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(dòng)總成控制器及 DC/DC 進(jìn)行對(duì)比分析。電機(jī)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(jī)控制器及 DC/DC 各處在頻率接近 500Hz 與800Hz 時(shí)，MCU 及 DC/DC 上殼體處加速度響應(yīng)幅值明顯大于其他位置。

 

 

圖5 現(xiàn)臺(tái)架方案頻響分析加速度激勵(lì)仿真結(jié)果

 

5 改進(jìn)方案與仿真分析及驗(yàn)證

5.1 優(yōu)化方案描述

針對(duì)掃頻振動(dòng)仿真分析發(fā)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器上殼體 500Hz 及 800Hz 附近響應(yīng)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(qiáng)電機(jī)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(dòng)電機(jī)控制器上殼體的振動(dòng)加速度幅度。設(shè)計(jì)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(chǔ)上對(duì) MCU 及 DC/DC 上殼體進(jìn)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(chǔ)上對(duì) MCU 及 DC/DC 上殼體的起筋走向及布置進(jìn)一步調(diào)整 ，如圖 8 所示。同時(shí)設(shè)計(jì)變更前的老方案也作為橫向?qū)Ρ葏⒖歼M(jìn)行建模及仿真計(jì)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(jī)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(dòng)及面剛度仿真分析對(duì)比

如圖 10-12 所示，經(jīng)過對(duì)各優(yōu)化方案及橫向?qū)Ρ确桨高M(jìn)行頻響振動(dòng)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(dòng)均有一定程度的改善。優(yōu)化方案一相對(duì)原方案支架結(jié)構(gòu)相對(duì)改動(dòng)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(dòng)幅值仍較高；優(yōu)化方案二在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上對(duì) DC/DC 上殼體進(jìn)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(biāo)仍有一定差距；優(yōu)化方案三在優(yōu)化方案二基礎(chǔ)上對(duì) MCU 及 DC/DC 上殼體的起筋走向及布置進(jìn)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(jìn)一步提升且對(duì) MCU 及 DC/DC 上殼體局部振動(dòng)幅度有明顯改善，面剛度提升至 4484N/mm，達(dá)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(jìn)一步進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)可靠性仿真驗(yàn)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(jī)振動(dòng)仿真驗(yàn)證

通過掃頻振動(dòng)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(biāo)，隨后本文開展對(duì)標(biāo)臺(tái)架耐久實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)振動(dòng)仿真來對(duì) MCU-DC/DC進(jìn)行強(qiáng)度和耐久疲勞方面的驗(yàn)證。隨機(jī)振動(dòng)的載荷譜參考了 GBT 28046.3-2011 標(biāo)準(zhǔn)如圖 14 所示。經(jīng)隨機(jī)振動(dòng)仿真校核，控制器及 DC/DC 各處 3σRMS 米塞斯應(yīng)力均小于材料屈服極限，優(yōu)化方案三的強(qiáng)度及可靠耐久指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求如圖 15 所示，確認(rèn)作為最終設(shè)計(jì)方案進(jìn)行 NVH 及可靠耐久臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。

 

 

圖14 隨機(jī)振動(dòng)仿真采用的載荷譜

 

圖15 隨機(jī)振動(dòng)仿真RMS米塞斯應(yīng)力分布

 

試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化方案三作為最終設(shè)計(jì)方案在 NVH 臺(tái)架上進(jìn)行了振動(dòng)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(fù)現(xiàn)（如圖17 所示）。后續(xù)在電驅(qū)動(dòng)總成耐久試驗(yàn)臺(tái)架上也通過了基于實(shí)車路譜的 800 小時(shí)振動(dòng)耐久試驗(yàn)。

 

 

圖 16 電驅(qū)動(dòng)總成 NVH 臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)場

 

圖 17 電驅(qū)動(dòng)總成 NVH 臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

 

結(jié)論

結(jié)合仿真和試驗(yàn)手段，對(duì)于某電驅(qū)動(dòng)總成電機(jī)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(duì)性地提出多個(gè)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(jìn)行快速驗(yàn)證，進(jìn)而短時(shí)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(jī)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(fù)雜且零件較多，僅通過試驗(yàn)手段無法對(duì)出現(xiàn)的 NVH 問題進(jìn)行準(zhǔn)確快速的判斷，本文采用的溫度場計(jì)算、模態(tài)及掃頻及頻響振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)仿真分析等多角度評(píng)估的仿真流程，可以有效地對(duì)乘用車電驅(qū)動(dòng)總成中電機(jī)控制器及 DC/DC等重要零部件的 NVH 問題進(jìn)行排查確認(rèn)并有針對(duì)性的解決問題；

 

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

 

3）本文通過有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的問題并有針對(duì)性的提出優(yōu)化方案，進(jìn)而在設(shè)計(jì)初期短時(shí)間內(nèi)確定最終設(shè)計(jì)方案，分析時(shí)間短、結(jié)果準(zhǔn)確且成本低，可高效指導(dǎo)乘用車電驅(qū)動(dòng)總成的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

 

資料來源：達(dá)索官方