EV蠕行時のうなり音、制御ソフトで解決
電動化の進展に伴い、静粛性と快適性はEV（電気自動車）の価値を測る上で最も重要な指標の一つとなっている。エンジン音という自然な「マスキングノイズ」に恵まれた内燃機関車とは異なり、EVの駆動システムはその静けさゆえに、微細な振動や音さえも乗員の耳に届いてしまう。このような静寂の中で顕在化する新たなNVH（騒音・振動・ハーシュネス）課題の一つが、「蠕行」（クリープ）走行時の低周波数「うなり音」、すなわち「ブーミングノイズ」である。
最近、自動車工学分野の学術誌『Noise and Vibration Control』に掲載された研究は、この繊細な問題に光を当て、画期的な解決策を提示している。この研究は、浙江スマート自動車インテリジェンステクノロジー有限公司と吉利汽車研究院（寧波）有限公司のエンジニアチームによるもので、ある後輪駆動のEV SUVが平坦路を約7km/hで蠕行する際に発生する36Hzの明確なうなり音を対象としている。興味深いことに、このうなり音は上り坂や下り坂では消えてしまうという条件依存性を示しており、これは単なる機械的共振とは異なる、より複雑なメカニズムが関与していることを示唆している。
この問題の根本原因を特定したのは、沈龍（Shen Long）氏率いるNVH（騒音・振動・ハーシュネス）チームである。彼らの調査の結果、問題の根源はモーターの設計やギアの遊びといったハードウェアの欠陥ではなく、むしろ「アクティブダンピング制御」という、本来振動を抑えるために設計されたソフトウェア制御戦略の「不安定化」にあることが判明した。この発見は、現代の自動車、特にEVの設計哲学に大きな影響を与えるものである。それは、車両の品質と快適性を左右する要素が、もはや金属の塊やプラスチックの部品だけではなく、ソフトウェアのアルゴリズムとそのチューニングに大きく依存していることを如実に示している。
蠕行という特殊な走行状態の謎
蠕行走行とは、ドライバーがブレーキペダルから足を離した際に、アクセルを踏まなくても車両がゆっくりと前進する状態を指す。これは、都市部での渋滞時や細かいマニューバリング時に非常に便利な機能である。しかし、この状態は極めて低い車速と、モーター出力が最小限に抑えられた「低負荷」状態を意味する。この条件下では、EVの駆動系が持つ「高剛性・超低減衰」という特性が、利点ではなく欠点に転じることがある。
調査対象のSUVでは、平坦な路面を蠕行する際に、乗員は明確な低周波数のうなり音を感じた。客観的な測定では、車室内で36Hzに鋭いピークが確認され、その音圧レベルは42dB(A)に達した。この音量は絶対的に大きいわけではなく、従来のガソリン車であればエンジン音にかき消されてしまうレベルである。しかし、EVの静かな室内環境では、この音は非常に目立って不快に感じられる。このうなり音は、車両の質感や高級感を損ない、乗員の快適性を著しく低下させる。
問題の鍵は、このうなり音が「平坦路」でのみ発生し、坂道では消えるという点にあった。この事実は、車両の構造的共振や、特定の部品の欠陥という仮説をほぼ排除する。なぜなら、そういった原因であれば、走行条件に関わらず常に音が発生するはずだからである。この条件依存性は、うなり音の発生が、駆動系にかかる「負荷」や「トルクの動的挙動」と深く関連していることを強く示唆していた。
徹底的な診断：データが語る真実
原因究明のため、チームは包括的な実車走行試験を実施した。彼らは、電動ドライブユニットに加速度センサーを複数箇所に取り付けた。具体的には、モーターハウジング、左右のサスペンションマウント、そしてフロントナックルに三軸加速度センサーを配置した。ドライバー席には精密なマイクロフォンを設置し、車室内の音を記録した。さらに、CANバス（車両内の通信ネットワーク）を通じて、モーター回転数、要求されるホイールトルク、そして実際に出力されているホイールトルクといった重要な信号をリアルタイムで収集した。
スペクトル分析の結果は明確だった。モーターハウジング、左右マウント、ナックルのすべての測定点で、36Hzに強い振動ピークが観測された。特にモーターハウジングと左マウントでの振幅が最も大きかった。このパターンは、振動の発生源が駆動ユニットそのものであり、それがサスペンションマウントを介してシャシー、そして車室内に伝達されていることを示している。
時間領域の分析では、さらなる決定的な証拠が得られた。車速とドライバーが要求するトルクは安定していたが、実際に車輪に伝わっている「実効ホイールトルク」は、±35N・mの範囲で激しく振動していた（ピーク間で70N・mの変動）。これは、ドライバーの意図とは全く異なる、駆動系内部で大きなトルクの揺らぎが生じていることを意味する。この揺らぎの周期を計算すると、その基本周波数は36Hzに一致した。
さらに深い調査により、この36Hzという数字の由来が明らかになった。対象車両のモーターは、8極48スロットの永久磁石同期モーターであり、4対の極を持っている。このようなモーターでは、電磁的に発生するトルクリップル（脈動）が「4次高調波」に強く影響される。蠕行時のモーター回転数が550rpmの場合、4次高調波の周波数は(4 × 550) / 60 = 36.67 Hzとなり、測定された36Hzとほぼ完全に一致する。これにより、うなり音の根源はモーター自身の電磁特性に由来するトルクリップルであることが確認された。しかし、なぜこの通常は微弱なリップルが、ここまで大きなうなり音となって現れるのか？
アクティブダンピング：救世主から問題製造者へ
その答えは、EVの「高剛性・超低減衰」な駆動構造にあった。内燃機関車では、トルコンやフレキシブルカップリングがトルクリップルを吸収し、振動を減衰させる役割を果たしている。しかし、EVではモーターとギアボックスが剛体的に接続されており、このような「パッシブ」な減衰要素が存在しない。そのため、モーターから発生した小さなトルクリップルが、駆動系全体に伝播し、構造物を励起して大きな振動と音に変換されてしまう。
この問題を解決するために開発されたのが「アクティブダンピング制御」である。その原理はシンプルで、モーターの応答速度の速さ（数ミリ秒）を活かして、発生したトルクリップルと逆位相のトルクを発生させることで、振動を打ち消そうとするものだ。まるでノイズキャンセリングヘッドフォンのように、駆動系の「ノイズ」をソフトウェアで消音する戦略である。
しかし、吉利のチームは驚くべき事実を突き止めた。このはずが、蠕行という特殊な低負荷条件下では、アクティブダンピング制御が逆に振動を「増幅」していたのだ。仮説を検証するため、彼らはアクティブダンピング機能を完全にオフにして走行試験を繰り返した。その結果は劇的だった。アクティブダンピングをオフにしたことで、モーターハウジングの36Hz振動ピークは1.0 m/s²以上から0.1 m/s²にまで激減した。車室内の36Hzの音圧レベルも42dB(A)から35dB(A)に低下し、実効ホイールトルクの変動も70N・mから20N・mにまで小さくなった。
この結果は、アクティブダンピング制御が、本来の目的とは反対に、制御ループが不安定化して振動を増幅する「ポジティブフィードバック」状態に陥っていたことを示している。原因としては、制御アルゴリズムの位相遅れ、ゲイン（増幅率）の設定ミス、あるいは駆動系に存在する遊びやヒステリシスといった非線形性が、低負荷条件下で制御系の安定性を損なったことが考えられる。
ソフトウェアの再設計：上限制御による安定化
この発見を受けて、チームはハードウェアの変更ではなく、ソフトウェア制御の「最適化」に注力した。アクティブダンピング自体を廃止するのではなく、より安全でロバストな制御ロジックを構築することを目指した。
彼らの解決策の核心は、「アクティブダンピングの上限を制限する」というシンプルな発想だった。つまり、制御システムが発生できる補正トルクに、あらかじめ上限値を設けるのである。これは、不安定な状態にあるシステムに対して、過剰な介入を防ぐための「セーフティネット」を張るようなものだ。システムが既に振動している状態で、強力な補正を加えようとすると、かえって振動を激しくする可能性がある。そのため、補正の強さを適度に抑えることで、自然に振動が収束するのを待つ戦略を取った。
具体的には、以下の2点のパラメータを調整した。
- 蠕行速度域でのダンピングゲインの60%低下：モーター回転数が蠕行に相当する範囲では、アクティブダンピングの感度（応答の鋭さ）を大幅に下げた。
- 蠕行検出時の補正トルク上限の80%低下：車両が蠕行状態にあると判断された場合、発生できる最大補正トルクを大幅に制限した。
これらのパラメータは、実車での繰り返しのキャリブレーション（調整）を通じて、振動の抑制とシステムの安定性の最適なバランス点が見出された。
実証と成果：静けさの回復
最適化された制御ソフトウェアを実装した後、再び走行試験が行われた。その結果は、まさに「劇的」と表現できるものだった。実効ホイールトルクの変動は70N・mからわずか2N・mにまで削減され、97%以上の改善が達成された。車室内の36Hzのうなり音は完全に消え、音圧レベルは20dB(A)も低下した。振動測定でも、モーター、マウント、ナックルのすべてのポイントで36Hzのピークが消滅した。
主観評価でも、エンジニアやテストドライバー全員が、蠕行時のうなり音が完全に解消されたことを確認した。車両は滑らかで静かな蠕行を実現し、高級EVにふさわしい静粛性を回復した。そして何より重要なのは、このすべての改善が、モーターの設計変更、ギアの再加工、マウントの交換といった高コストのハードウェア変更を一切行わずに達成されたことである。これは純粋なソフトウェアの力による勝利だった。
EV業界への示唆
沈龍氏らのこの研究は、特定の車両の問題解決にとどまらず、EV業界全体にとって重要な示唆を含んでいる。
まず第一に、「ソフトウェアが新たなハードウェアである」という認識の重要性を強調している。車両のNVH性能は、もはや物理的な部品の組み合わせだけで決まるものではなく、その背後にある制御ソフトウェアの品質とチューニングに大きく左右される時代が到来している。
第二に、制御戦略の「適応性」の必要性を浮き彫りにしている。ある条件下で有効な制御（例えば、急加速時のアクティブダンピング）が、別の条件下（蠕行時）では逆効果になる可能性がある。これからの制御システムは、走行状況をリアルタイムで認識し、自らのパラメータを最適化する「アダプティブコントロール」が不可欠となる。
第三に、OTA（Over-The-Air）アップデートの価値を再確認させた。このような品質問題を、工場に持ち帰ることなく、リモートでソフトウェアアップデートだけで解決できる能力は、メーカーにとって非常に大きな競争優位性となる。
最後に、この事例は、NVH問題の解決には、モーターの電磁設計、機械的な動力学、そして制御工学という、複数の専門分野の知識を統合した「システム思考」が不可欠であることを示している。問題の表面だけを見ていては、真の原因にたどり着くことはできない。
未来への展望
今回の蠕行うなり音の解決は、EVの進化における一里塚である。それは、静粛性の追求が、単なる「遮音」や「吸音」から、「根源的な振動の抑制」、さらには「制御による振動の能動的キャンセル」へと移行していることを象徴している。そして、その最前線で戦っているのが、コードとアルゴリズムである。
今後、EVの制御システムはさらに複雑化・高度化する。トルクベクタリング、エネルギー回生の最適化、予知保全など、多くの高度な機能がソフトウェアによって実現される。これらのシステムが互いに干渉せず、意図しないNVH問題を引き起こさないよう、より洗練されたシステムアーキテクチャと、堅牢な制御理論が求められるだろう。
沈龍氏らの研究は、こうした未来の課題に立ち向かう上で、極めて貴重な一歩を踏み出したと言える。それは、車両の静けさが、工場のノイズではなく、エンジニアの思考とソフトウェアの精度によって築かれていく時代の到来を告げている。
Shen Long, Zhang Jun, Zhao Mingbin, Qin Bin, Fang Zhen, Zhejiang Smart Automobile Intelligence Technology Co., Ltd. and Geely Automotive Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., Noise and Vibration Control, DOI: 10.3969/j.issn.1006-1355.2024.06.033