NVH in Electrical Vehicle (NEV)

Den starkt växande el- och hybridtekniken för fordon kommer generellt att leda till tystare fordon under eldrift. Industrin har under många år lärt sig att hantera förbränningsmotorljud och balansera detta som exempelvis ett tilltalande ljud vid acceleration och som maskerare för andra mer oönskade ljud som vind-, däck-, fläkt- och ABS-ljud.

Bakgrundsinformation

Med införandet av elmotorer tillkommer nya obekanta ljud som ofta är tonala och vinande och i vissa fall, t.ex. från kraftelektroniken, är mycket högfrekventa och störande och inte kopplade till körsituationen. I vinterklimat tillkommer nya situationer som ökad andel ljud från förbränningsdrivna kupévärmare och räckviddsförlängare, ökad andel dubbdäcksljud, frekventa övergångar mellan el och förbränningsmotor, brist på maskering av svagare ljud som ESP, gnissel och gnek etc.

Dagens elbilar är ofta modifierade standardbilar med välisolerade motorrum och relativt hög vikt. För framtidens elbilar kommer kraven på låg vikt att öka, vilket gör att problematiken kring NVH i elbilar kommer att öka på sikt. Bilföretagen behöver därför nya erfarenheter och testrutiner för att systematisera och spåra de olika NVH-källorna.

Projektet är ett samarbete mellan Volvo Cars, Teknisk akustik LTU, EISLAB LTU och ett eller flera vintertestföretag.

Projektledare: Anders Ågren, Biträdande handledare: Arne Nykänen, Roger Johnsson.

Industridoktorand: David Lennström, Volvo PV.

Den teknik som används i hybrid / elfordon- koncept skiljer sig avsevärt från konventionell fordonsteknik vilket får konsekvenser för buller och vibrationer (NVH). Varje hybrid / el konfiguration ger unika NVH krav som konsekvens från ett antal olika källor. I allmänhet är ljud-och vibrationsnivåer interiört i bilen betydligt lägre för elektriska fordon. Men tonala komponenter orsakade av elektromagnetiska krafter i elmotorn är i varierande grad närvarande och ger feedback på körningen.

 

Syfte

Vilka är kundernas preferenser för elmotor ljud och vilka åtgärder och metoder behövs för att infria målen?

För att besvara syftet måste följande underliggande forskningsfrågor utredas:

  • Vad kännetecknar ljudkvaliteten hos interiört motorljudet för hybrid / elbilar?

  • Vilka objektiva mått är lämpliga för målformulering av tonala komponenter hos kompletta fordon?

  • Vilka vinterspecifika NVH-problem uppstår för elfordon och elhybrider?

  • Hur ska akustisk källstyrka och akustiska överföringsfunktioner (ATF) för elektiska motorer som en elektrisk bakaxel enhet (ERAD) definieras och mätas? I vilken detaljeringsgrad måste ljudfältet mätas?

Vilket är ett korrekt sätt att ange mål för en elmotors vibrationsnivå i kopplingspunkterna till den mottagande strukturen? Kan en substrukturering baserad på frekvensrespons vara en metod för att översätta testnivåer i rigg till vibrationer och ljudnivå i ett komplett fordon?

Accelerometer på stator
Accelerometer-positioner på statorns yta för bestämning av ljudeffekt.

Industriell relevans

Eldrift är i linje med fordonsindustrins produktstrategi. Kunderna kommer att få stora förväntningar på en elektrifierad premiumbil, det ska vara tyst och raffinerat men också ha rätt ljudkaraktär. Därför är det viktigt att säkra NVH kompetens inom detta område. Projektet kommer att öka kunskapen i psykoakustik och om ljud av elektriska motorer. Kunnandet kommer att öka om vinterspecifika problem för el- och hybridfordon. Tekniska metoder kommer att utvecklas ytterligare och resultatet av arbetet kommer att skapa riktlinjer för kompletta fordon, system och komponenter samt ge bättre metoder för kravsättning av komponenter för elektrifierade fordon.

Mikrofoner ATF
Mikrofoner för reciprok mätning av akustiska överföringsfunktioner (ATF).
E-motor airborne noise
Översikt över vad som bestämmer luftburen ljudtrycksnivå i bilen från en e-motor

Tillvägagångssätt och resultat hittills

  • Som en första studie utfördes undersökningar för att bestämma hur testmiljön påverkar utvärderingen av fordonsljud i en EV. Utvärdering gjordes med lyssning i hörlurar och uppspelning av binaurala konsthuvud- inspelningar i både labb och i ljudbil, en ”demonstrator ".

  • En uppföljande studie utfördes som en magisteruppsats, där syftet var att ge mått och mål för upplevelsen av elektriska motorljud i fordon. Målet var att undersöka upplevelsen av toner med olika nivåer i ett konstant maskerande väg-och vindbuller. Förhållandet studerades mellan försökspersonernas betyg och ett objektivt mått som beskriver hur framträdande tonalt ljud är. Tonerna i studien under 1 kHz var svårare att upptäcka än tonerna över 1 kHz. Frekvenser över 1 kHz bedömdes som mer störande än toner under med en signifikansnivå på 95%

  • Två mätserier under vintertestförhållanden har utförts. En gjordes på en V60 hybridbil i Kiruna och en på en mindre Citroen hybridbil och en Tesla el-sportbil i Älvsbyn. Inspelningar gjordes under olika kör-,  last- och underlagsförhållanden. Analyser har gjorts av ljud från elmotor, från kringutrustning och från övriga ljud från fordonen.

  • I en pågående studie undersöks spridningen av luftburna överföringsfunktioner (ATF) av ljudeffekt från en elmotor till ljudnivå i en position inne i en bil. Undersökningar har gjorts om hur ATF från ett stort antal positioner över ERAD-ytan till ett fast mätposition inne i bilen varierar i styrka och är beroende av val av frekvensband. Som resultat har erhållits metodbeskrivning och rekommendationer om hur liknande mätningar ska utföras för att användas vid kravsättning på elmotorer.

  • Ljudeffekten från en elmotor på en ERAD har beräknats utifrån mätningar i en fordonsrigg med ett stort antal accelerometrar monterade på motorhöljet. Beräkningar har utifrån dessa data gjorts av ljudnivån inne i fordonet. Beräkningarna har validerats mot mätningar.

En licavhandling kommer att presenteras under hösten 2013.

Source - Path - Reciever model
Akustiska överföringsvägar av ljudet (ATF)

Publikationer i projektet

  1. Sound Quality Evaluation of Electric Cars – Preferences and Influence of the Test Environment, Aachen Acoustic Colloquium 2011.

  2. The influence of the acoustic transfer functions on the estimated interior noise from an electric rear axle drive. (SAE Paper, submitted 2013)

  3. Determination of radiated sound power from an electric rear axle drive in situ and its contribution to interior noise (SAE Paper, submitted 2013)

  4. Tones in Noise - A study of the perception of motor noise in an electric vehicle. Examensarbete på Volvo Pv 2013

The NEV research project is funded by the European Regional Development Fund's AVTEC project.

Sidansvarig och kontakt: Ted Karlsson

Publicerad: 23 januari 2012

Uppdaterad: 26 november 2013

Luleå tekniska universitet