新型燃料电池汽车的振动噪声性能开发

2017-11-01石川哲平佐野真一藤谷宏大橋康彦

汽车与新动力 2017年5期

【日】石川哲平佐野真一藤谷宏大橋康彦

新型燃料电池汽车的振动噪声性能开发

【日】石川哲平佐野真一藤谷宏大橋康彦

为了增强产品的吸引力，对于燃料电池汽车(FCV)的开发，设计要素也重点聚焦在其环境友好性和舒适性上。与其他类型车辆的性能开发一样，噪声-振动-平顺性(NVH)性能仍然是开发重点之一。描述了在进行FCV的开发过程中，如何基于一些特殊情况下实现舒适性的改进工作。这些工作包括FCV采用的特定辅助装置，包括动力总成悬置系统噪声、空调压缩机噪声、排气气流噪声，以及路噪等NVH现象。

舒适性动力总成悬置系统燃料电池

0 前言

2014年12月初上市的燃料电池汽车(FCV)属于零排放的车型，它与内燃机车有着相近的续航里程(全时最大扭矩行驶时具有更好的舒适性)，从而获得市场好评。本文解析了在FCV开发过程中，在不损失舒适性的前提条件下，确保车内加速低噪声并且具备很好的动力响应的技术改进。

1 FCV车内加速噪声开发目标

FCV车与内燃机车最大的不同在于动力源不同，因而FCV车需要重点考虑因其特有的强制力产生的车内加速噪声(图1)。

表1 FCV的组件功能和工作条件

在内燃机车的加速车内噪声开发方面，强制力主要与发动机输出扭矩、功率，以及转速相关，声压随频率变化，这同样适于进、排气噪声。FCV基本上也考虑以上基本要素，可是与内燃机车不同的是，驾驶员加速时通过踩油门踏板来控制进气噪声，同时排气噪声随频率变化也有所不同，随着排气消声器的容量及排气阶次衰减，排气的气流噪声占主要成分(图2～3)。

图2 燃料电池系统布置

图3 进、排气的空气流图及排气噪声频谱

驾驶时的主观感觉对加速时的宽频带气流噪声起决定性作用，但是要改善这种特点的噪声非常困难。基于这种情况，需要检查强制力声源空压机(ACP)的吸气噪声。

FCV车采用的ACP带6个羽片式的容积型叶片，随转速变化的主要噪声阶次成分为6阶和12阶(图4)，对噪声平衡的模拟可以判断出舒适度的阶次比(图5)。

图4 ACP近场噪声特性(开发初期)

图5 ACP声压阶次的平衡

在不损失车内静谧性的情况下，需要确定在加速工况下各种噪声振动现象，比如路噪、风噪等(图6)。在此基础之上，兼顾驾驶过程中的声音随动力响应的随动性能的同时，设定各种强制力声源的目标值(表2)。

图6 设定加速时的车内声压级

图7 设定加速时的ACP声压级

2 进气噪声开发

跟普通的内燃机车一样，在发动机舱内搭载了ACP。下文具体说明ACP与变速箱，轴线单元与悬置系统的配置以及ACP的噪声改善。

2．1 动力总成悬置系统

在比较了刚性连接和柔性连接2种方式之后，FCV车通过适当匹配变速箱与ACP一体的构造方式，实现了降低ACP振动传递至车身的目标。ACP的振动传递主要集中在中、高频范围，一般来讲采用与变速箱刚性连接的方式有利于隔振。而从动力总成悬置系统传递过来的振动主要是低频成分，故采取橡胶隔振的效果较好(图8)。

表2 具有代表性的NVH现象及层级一览表

图8 ACP振动时不同连接方式的悬置振动响应的差别

综合考虑ACP中、高频振动的影响和变速箱及轴线单元，需要合理配置动力系统的位置。具体而言，将变速箱作为1个质量块考虑，在ACP侧并未采用橡胶悬置连接方式，而是采用了3点(前、后、左)悬置的搭接方式，达到了降低振动传递的效果(图9)。

图9 悬置系统的配置

电机噪声传递至车身的效果也取决于悬置特性。为了达到与内燃机车同等的续航里程，FCV在行驶时还需要考虑对能量进行回收等重要因素，不断储存更多的回收能量。随着能量回收增多，电机噪声也会增加，但刹车时反方向的扭矩也增加，这样可以给电机充电，同时悬置可以衰减刹车时的振动。为了进一步改善振动传递，通过解析动力系统中电机的振动，前悬置采用液压悬置可以达到很好的振动衰减效果，实现了动力系统悬置的设计目标。

2．2 ACP 噪声

开发中的FCV的ACP随转速变化的回流脉动是1个重要课题。如前所述，结构传递的噪声振动可以通过悬置系统的隔振方法衰减，而FCV特有的加速噪声主要是空气噪声传播成分。后流配管的辐射噪声是空气传播的主要传播路径(图10)。

因此，还必须通过合理设计扩张腔的管路，才能控制好辐射噪声水平。但是，所要控制的噪声频带范围很宽。单扩张腔构造设计对宽频带消声量的频率特性改进效果不够完善。本课题通过设计出1种多个扩张腔合成的扩张腔，达到了对宽频带噪声的改善效果(图11～12)。从而实现了FCV车特有的加速噪声开发目标。