某纯电动车CO2 热泵空调系统噪声与振动分析及优化

范英杰

（重庆工商职业学院，重庆 401520）

0 引言

研究表明，在冬季，当空调满负荷运行时，纯电动汽车的续航最高能降低50%[1]，原因在于目前市场上绝大多数纯电动汽车其空调制热都采用PTC 加热方式，对电池电量损耗较大。在解决该问题过程的方案中，采用热泵空调系统是目前最为有效的方式之一。

当前可作为热泵空调系统冷媒的主要有R134a、R1234yf 与CO2。与R134a 与R1234yf 相比，CO2热泵空调系统制热时的能源利用率较高，COP 能达到3.5左右[2]，可有效延长续航里程30%以上，远高于采用其他冷媒的热泵，因此CO2热泵空调系统是目前纯电动汽车较为理想的空调系统。

汽车中高速行驶时噪声及振动来源主要为轮胎滚动与风阻，而低速行驶时主要以动力系统噪声与振动为主。因电机与内燃机工作特性的不同[3]，纯电动汽车低速时动力系统噪声与振动极小，且速度越低，该趋势越明显。但这导致了其他系统噪声与振动很容易凸显，如怠速下空调系统为纯电动汽车主要噪声与振动来源。金明等和赵敏等[4，5]通过优化压缩机转速及模态，降低了怠速下纯电动汽车空调开启时车内的异常噪声与振动；罗颖等[6]通过优化空调系统结构件的模态降低了压缩机的激励频率。目前对于纯电动汽车空调系统NVH 性能的研究，大多数都是基于传统的PTC 加热式空调系统进行的，针对热泵空调系统尤其是CO2热泵空调系统进行研究的极少。

以装有CO2热泵空调系统的某纯电动汽车为例，针对其在怠速时车内轰鸣及异常振动问题，通过以“源-路径-接收者”为标准建立多条振动传递路径，确定了造成该车异常振动的原因，并提出了降低压缩机制热转速、及空调管路增加质量块等一系列措施，进行了实车验证。结果表明，以上措施可有效解决乘员舱内噪声及异常振动问题。

1 问题描述及采集

某搭载CO2热泵空调系统的纯电动车，压缩机采用涡旋式压缩机，系统布置情况如图1 所示。在进行-20 益～ 10 益低温采暖NVH 试验时发现，乘员舱内可明显感知轰鸣声，方向盘及仪表台出现异常振动情况。此时车辆工况为原地怠速，鼓风机处于一档，压缩机转速为4000 r/min，空调温度为HI 挡位。工况为热管理试验后确定工况，此工况也为怠速情况下NVH性能最恶劣工况。

图1 某车型CO2 热泵空调系统

使用数据采集系统及传感器对乘员舱内方向盘及驾驶员座椅位置进行振动与噪声采集，振动采集位置为方向盘9 点钟与3 点钟位置，该位置为驾驶时常握位置。噪声采集位置为驾驶员座椅头枕右侧位置，该位置距人耳较近。数据采集处理后得到如下结果：在该工况下，随环境温度的变化，乘员舱内一直有轰鸣声，频率为70 Hz，具体情况见图2～4。

图2 -20 ℃车内轰鸣声频率

图3 -10 ℃车内轰鸣声频率

图4 0 ℃车内轰鸣声频率

方向盘处振动幅值随空调系统负荷的上升而逐渐增大，在压缩机转速达到最高后，方向盘振动幅值达到0.6 m/s2，且无衰减趋势，如图5 所示。

图5 方向盘振幅

2 振动及噪声传递路径分析

针对以上问题，为锁定造成问题的原因，根据源-路径-接收者模型，并结合空调系统实际的安装与布置情况，建立3 条传递路径。路径1：压缩机-支架-车身-方向盘传递路径；路径2：热泵阀体-纵梁-车身-方向盘传递路径；路径3：压缩机-管路-高压阀体-热交换器-空调分配箱体-金属横梁-方向盘传递路径。

针对路径1，按照图6 将压缩机支架与车身断开并增加隔音棉软垫，来进行路径解耦。

图6 压缩机支架隔振垫

对该措施进行主观评价显示，振动与噪声无明显变化。实测数据见图7，从图7 可知，方向盘振动幅值为0.50 m/s2，仅降低了0.1 m/s2，无明显变化，因此初步断定该路径不是造成问题的主因，压缩机本体的振动在正常范围内。

图7 增加压缩机支架隔音垫后方向盘振动幅值

针对路径2，按图8 所示将将热泵阀体与纵梁断开并增加隔音棉软垫来进行路径解耦。

图8 阀体与纵梁解耦

该措施主观评价显示车内轰鸣与振动无明显变化，实测数据显示方向盘振动幅值为0.48 m/s2，仅降低0.12 m/s2左右，无明显变化，证明该路径不是造成问题的主因，热泵阀体的振动在正常范围内。如图9所示。

图9 阀体与纵梁解耦后方向盘振动幅值

针对路径3，通过将空调分配箱与金属横梁连接处断开、将横梁架起来进行路径解耦，如图10 所示。

图10 分配箱与金属横梁解耦

该措施主观评价显示车内轰鸣声与异常振动基本消失，实测数据显示方向盘振动幅值为0.13 m/s2，且在测试途中将横梁放下后方向盘振动会恢复原状，如图11 所示，因此断定该传递路径为造成问题的主要原因。

图11 分配箱与金属横梁解耦后方向盘振动幅值

3 振动产生原因分析

采用普通空调系统的电动汽车，在相同工况下压缩机转速仅为2000 耀3000 r/min。而CO2临界压力较高，且CO2热泵空调系统处于跨临界循环，因此整个空调系统中的压力远高于采用传统冷媒的热泵系统，约为这些系统的5耀10 倍以上。本研究的空调系统工作时系统中最高压力能达到12 MPa 左右，因此压缩机转速较高，达到4000 r/min。

根据振动数据采集分析可得，车内轰鸣声与方向盘异常振动出现的主要工况点为压缩机转速4000 r/min 时。本车电动压缩机为涡旋压缩机，此时压缩机的工作频率f为

车内轰鸣声频率为70 Hz，与压缩机工作频率接近。对方向盘的模态进行测试，得到方向盘的一阶模态为76 Hz，同样与压缩机工作频率相接近。根据以上路径一的分析，车内轰鸣声与方向盘的振动并非由压缩机工作时压缩机本体振动造成，因此压缩机并不是实际的振动源。且根据路径二，也排除了振动源可能为热泵阀体的情况。结合传递路径三：压缩机-管路-高压阀体-热交换器-空调分配箱体-金属横梁-方向盘是造成问题的路径，应对该路径进行详细分析，找出真正的振动源。

制热工况下，从压缩机至高压阀体管路中的CO2为气态，近似为气柱，气柱可视为具有连续质量的弹性振动系统。涡旋式压缩机工作时进行周期性的吸气与排气，会激发CO2冷媒的气柱响应，使其出现压力的周期性变化[7]，周期性变化的压力称为压力脉动。

若冷媒平均流速与声速相比很小，则管内压力脉动的平面波动方程为：

该式的解为

式中的A*与B*为复数常数。根据声学基本原理，上式中的第一项为沿x轴正向传波的行波，第二项为沿x轴负向传波的反射波，故管路内任一点的压力波都由两个方向的压力波叠加而成。

空调管路可视为机械振动系统受到激发力作用，即可做出机械振动响应。冷媒的压力脉动在空调管路布置的弯角及截面变化处的受力分析如图12 所示。

图12 管路弯角及截面变化处受力分析

在弯管处，由两个方向的压力波在此产生的激振力幅值为

在截面变化处，激振力幅值为

式中，啄为压力脉动幅度，p为平均压力。

由式（4）与式（5）可得，在夹角为0 及截面无变化处，激振力为0。因此，压力脉动在空调管路布置的弯角及弯折处会产生激振力，可引起管路的机械振动。因此，本问题考虑为，空调管路中冷媒的压力脉动频率与压缩机工作频率相同，使得空调管路也以相同频率进行振动，该频率与车身与方向盘共振频率接近。而热泵空调系统冷媒管路直接进入空调分配箱体中，导致了空调分配箱体以相同频率振动。乘员舱壁板是由具有一定弹性的薄壁板制作而成，空调分配箱体的振动引起了乘员舱壁板共振，振动引起乘员舱的压缩变形，造成内部空气体积变化，此时车内声腔与壁板振动耦合，进一步引起乘员舱内压力脉动，产生轰鸣。

4 解决措施及其验证

根据上文对振动传递路径的详细分析，可知造成问题的原因为压缩机周期性排气吸气造成管路的压力脉动，引起管路振动，最终导致了车内轰鸣与方向盘振动。故根据问题的原因制定出如下两条措施：（1）降低压缩机转速。（2）空调管路增加质量块。

4.1 降低压缩机转速

根据振动产生原因分析，管路振动的频率与压缩机工作频率相同，而该频率与车身及方向盘共振频率接近。因此降低压缩机的转速可降低管路振动频率，消除问题。将压缩机的转速由4000 r/min 降低至3000 r/min 后，此时压缩机的工作频率为50 Hz，即压力脉动频率及管路振动频率也为50 Hz，从理论上避开了共振频率点。此时轰鸣声与方向盘振动测试结果如图13 所示。

图13 降低压缩机转速后测试结果

结果显示此时车内低频轰鸣声消失，方向盘振动幅值为0.26 m/s2，证明该措施有效。但将压缩机转速降低后，在该工况下车内采暖升温时间增长，对空调系统采暖效率将造成一定的影响。

4.2 空调管路增加质量块

对于刚度为k1的弹性元件m1，其在激振力

作用下做受迫振动。若此时在m1上增加一刚度为k2，质量为m2的弹簧质量系统[8]，如图14 所示，此时整个系统的振动方程可写为

图14 m1 与m2 振动系统

通过振动方程求出系统特征方程为

联立式（9）与式（10），当激励频率棕与m2的固有频率棕2相等时，有x1为0，m1静止，x2为-F0/k2，m2做与激励方向相反运动，此即为吸振器原理。因此，在空调管路增加橡胶质量块，可改变管路在做受迫振动时的振动频率。根据上文分析可知，管路弯角处为激振力作用部位，故在管路弯道附近增加质量块，如图15所示。

图15 质量块安装位置

增加三个质量块共计820 g，其重量不会对管路造成其他影响。增加质量块后对轰鸣声与方向盘振动测试结果如图16 所示。

结果显示此时车内低频轰鸣声消失，方向盘振动幅值为0.34 m/s2，证明该措施有效。

图16 安装质量块后测试结果

5 结语

通过对CO2热泵空调系统怠速工况下压缩机转速4000 r/min 时车内70 Hz 轰鸣声与方向盘异常震动问题进行分析，确定了其传递路径，通过对管路内压力脉动分析及管路弯角与截面变化处受力分析，将问题锁定在冷媒压力脉动引起的管路振动上。并由此确定了调整压缩机转速、空调管路增加质量块、空调分配箱体与横梁解耦三条措施。

试验验证措施有效，结果表明：对于CO2热泵空调系统，因其制热工况下压缩机转速较快，冷媒压力较高，除要注意传统的压缩机振动等问题外，要格外关注冷媒压力脉动引起的异常噪声与振动问题。