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新能源汽车热泵系统NVH优化分析

电动车千人会

2024-10-21

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前言

在传统内燃机车上，热管理系统及其核心部件压缩机随发动机一同工作，因此其振动噪声问题易被更大的发动机振动噪声所掩盖。对于新能源汽车，由于缺乏发动机的掩盖效应，热管理系统的振动噪声问题会变得突出。尤其是压缩机，它不仅服务于空调，还需参与电池热管理等工作，工况更为恶劣，若匹配不当，会在车内产生明显的振动噪声。此外，在部分新能源车型上，热管理系统的制热系统已从常用的PTC系统升级为热泵系统。热泵系统对压缩机、管路、电子阀等部件的要求更高且更复杂，因此也带来了更多的NVH挑战。针对上述问题，需要从系统整体层面综合考虑NVH开发方案。本文以某款混合动力轿车的热泵系统为例，详细分析其结构特征、NVH产生机理及解决措施。

热泵系统的结构

热泵系统具备制冷和制热双重功能。制冷原理与普通空调相同：制冷时，高温高压的冷媒流经车外冷凝器，释放热量至车外；制热时则相反，高温高压的冷媒流经车内冷凝器，释放热量到乘员舱。系统组成如图所示。相比普通空调，热泵空调在空调箱体内增设了车内冷凝器，并增加了多个电子膨胀阀、电磁阀、单向阀和传感器等。

1、压缩机

压缩机将低温低压的气态冷媒压缩为高温高压的过热气态，是热管理系统的核心。目前，新能源汽车行业内普遍采用涡旋式压缩机，其工作原理如下：压缩机内部的动盘绕静盘做平面回转运动，气态冷媒从吸气口进入，被吸入月牙形气腔；随着月牙形气腔闭合，密闭容积逐渐被转移至静盘中心并不断缩小，气态冷媒被持续压缩，最终从中间排气口排出。

2、热管理系统管路

热管理系统管路用于连接热管理系统的各个部件，按压力可分为高压管路和低压管路。高压管路指压缩机到膨胀阀之间的部分；低压管路指膨胀阀到压缩机之间的部分。在高低压管路之间，可能会有一段同轴管，以提高系统效率。管路从机舱延伸至车内，通常会通过车身上的几个固定点进行安装。

3、冷媒模块

新能源汽车热管理系统目前正向集成化方向发展，主要包括冷媒侧集成、冷冻液侧集成，或两者的共同集成。冷媒侧集成模块将电磁阀、电子膨胀阀、单向阀及板换集成于一体，通常安装在机舱前围板或纵梁上。模块内设多层流道，外设多个接口，通过阀体开关调节冷媒流向，从而实现制冷与制热模式的循环。

4、 HVAC箱体

HVAC箱体在空调系统中起到热交换、出风模式控制及出风温度调节的作用。热交换器主要包括蒸发器、冷凝器和暖风芯体。通过调整冷暖风门的位置，调节流经蒸发器和暖风芯体的风量比例，使冷热风混合均匀后，从模式出风口吹出。

热泵系统的振动噪声控制

激励源的控制：压缩机作为热泵系统的核心激励源，需通过改进其自身结构来减弱激励。一是优化压缩机内部结构设计，例如动盘与静盘的型线、曲轴衬套的配合间隙、滑动副的接触面等，以降低工作腔的压力脉动和零件的异常摩擦，进而削弱激励。二是优化压缩机的安装，比如提高压缩机固定支架的模态、增强安装点的动刚度，从而避免设计缺陷引起的共振，放大激励。

传递路径控制：提高机舱的隔吸声性能，改进前围板管路过孔处的隔声措施，可降低压缩机向车内的辐射噪声。此外，增加压缩机隔声罩能抑制车外辐射噪声。压缩机的振动，一方面通过动力总成传递到与之相连的车身，再传递到车内座椅和转向盘；另一方面通过高低压管路向外传递，在管路与车身连接处（例如管路支撑点或冷媒侧集成模块安装点）会传递给车身，激发车身振动和噪声。因此，选择合适的管路固定位置和方式对于减少激励传递至关重要。下图为整车压缩机振动激励传递路径示意图。

给压缩机匹配消声器是一种非常有效的降噪手段，通常将其布置在接近压缩机排气口侧的管路上。车上的压缩机消声器一般采用扩张式结构。消声器的噪声传递损失与消声器的入管直径d、扩张腔直径D及扩张腔长度L相关，其计算方法如下：

式中：TL 为传递损失；m 为扩张比；λ 为波长；t 为管内温度；f 为激励频率。接受点控制：接受点是指车内乘员的主观感知点，如转向盘、人耳处等。

对接受点的振动须从设计角度进行模态避频，或者匹配吸振器以降低振幅。对于人耳旁噪声的控制，除了避免车内声腔模态耦合外，近年来主动降噪方法（ANC）也是一种重要解决方案。

热泵系统NVH分析与优化方案

热泵系统压缩机通常工作转速高、范围广，工作负荷大，且在纯电工况下无发动机掩蔽效应，因此NVH问题更为突出，主要表现为以下特征：

（1）压缩机高转速时噪声大；

（2）转向盘振动显著增强；

（3）中高频激励成分增多；

（4）车外压缩机噪声突兀。

1、车内噪声问题分析与优化

某款热泵空调在低温制热模式下，压缩机升速时，车内出现明显轰鸣。分析显示，车内噪声在200~250 Hz频段存在明显共振带。通过排查激励源和路径，发现压缩机本体振动频谱特征与问题相同。进一步仿真分析压缩机，结果显示其1阶弯曲模态为240.2 Hz，与车内噪声问题相符，且应变能主要集中于安装点。针对压缩机壳体安装点，如图采用加强方案以提高连接刚度和模态。实车验证表明，车内240 Hz噪声共振带已消除，优化效果显著。

如前所述，热泵系统运行期间，冷媒从压缩机排出时会产生周期性的压力变化，进而形成压力脉动，这种脉动以振动的形式作用于管路上，并通过管路安装点传递至车身，从而产生车内辐射噪声。为降低热泵系统噪声，需合理匹配管路中的软管长度、对管路固定点进行隔振以及采用管路消声器等方法。以某34mL排量的热泵压缩机为例，使用空气作为介质，模拟转速为4,800 r/min时压缩机产生的气流脉动进行横向对比研究。在消声器入口处输入特定频率波动的质量流量，观察消声器出口处的压力随消声器容积的变化情况。在排量和转速确定的条件下，消声器容积越大，对压力波动的抑制效果及对管路振动的衰减效果均越好。当扩张腔容积与压缩机排量的比值接近某一特定值时，继续增大容积对压力脉动衰减的增益将逐渐减小，压力脉动的抑制效果趋于上限。通过仿真分析，可获得消声器设计的最优降噪方案。

2、转向盘振动问题分析与优化

热泵系统兼具制冷与制热功能，在不同工作条件下，其工作模式、工作部件及工作路线均有所差异。以采暖模式为例，存在HEV工况、EV工况、极寒工况、低温工况、次低温工况、电池包加热工况等六种以上工作模式，涉及水PTC、余热换板、外冷凝器、内冷凝器、发动机、压缩机等部件的启动与否，且冷媒流通路线各不相同。因此，当工况切换时，压缩机激励会通过不同管路传递至空调系统HVAC箱体，直接影响车内振动与噪声。

当热泵系统制热时，压缩机压缩后的高温高压气态冷媒从压缩机排出，通过管路进入车内HVAC箱体，并输送给车内冷凝器。压缩机带来的压力脉动会引起管路振动，这些振动经HVAC箱体、前围板安装点、CCB管梁传递，一部分以振动形式表现在转向盘上，另一部分则通过HVAC箱体与车身之间的连接点，以辐射噪声形式在乘员舱内扩散。上文提到的压缩机排出管消声器、软管长度加长及管路安装点采用隔振衬套，均是在激励源前端和传递路径上所做的优化措施。而HVAC箱体的优化，则是以车身前围板为界，在乘员舱内实施的NVH优化措施。热泵系统的HVAC箱体与普通空调的主要差异在于多出一个车内冷凝器。与车内冷凝器相连的压缩机高压排出管振动激励较大，是车内振动噪声的主要传递路径。因此，管路与箱体、芯体与箱体之间应避免刚性连接，必须采取隔振措施。可行的NVH解决措施如下：

（1）对车内冷凝器管路进行隔振；

（2）控制车内冷凝器芯体与箱体周边的间隙；

（3）采用PU发泡材料填充间隙，如图所示。某款热泵系统的HVAC箱体采用了上述措施，数据对比显示，该方案已显著降低转向盘振动幅值。

3、压缩机车外噪声问题分析与优化

相比传统空调系统，热泵系统对压缩机功率和工作转速有更高的要求，因此，在高负荷工况下，压缩机自身运转产生的辐射噪声也会更大。例如，高温高原系统制冷加电池冷却工况、寒区电池加热加空调采暖工况、大功率直流充电时的电池冷却工况、寒区电动车高速行驶后怠速时的电池制冷加空调采暖工况等，这些高负荷运行工况给空调系统NVH带来了巨大的挑战。

当车辆处于EV模式下的原地停驶或低速行驶工况时，压缩机高负荷、高转速工作产生的车外辐射噪声易引发关注。此类噪声的NVH特征主要体现在中高频段，表现为尖锐刺耳的声响。发动机舱的声密性较乘员舱差，存在多处噪声泄漏点，如前舱底护板孔洞、轮罩与翼子板间隙、机舱盖间隙、进气格栅等裸露缝隙，这些均为压缩机噪声向车身周围环境泄漏的主要途径。为解决压缩机车外辐射噪声问题，可设计并开发压缩机声学包。声学包的设计需依据压缩机辐射噪声的频谱特性，既要考虑声学材料在中高频的吸声性能和低频的隔声性能，也要兼顾材料的环保性、耐久性和密封性等基本要素。

按照NVH设计要求，开发了某款热泵压缩机声学包。安装该声学包后，在消声室内进行了整车验证。在距离车前1米、高度1.65米的位置布置了传声器。试验结果显示，中高频噪声改善了近5dB；压缩机在不同转速下的稳态工况（步进间隔1000r/min）总噪声值优化了3dB。最终，整车车外辐射噪声的优化效果达到了预期，如图所示（左侧为噪声频谱对比，右侧为不同转速工况噪声声压级对比）。

4、基于NVH性能的热泵系统控制策略优化

通常情况下，随着压缩机转速的升高或鼓风机挡位的调高，热泵系统产生的振动噪声会越来越大。因此，在解决热泵系统NVH问题的过程中，除了要对各个零部件提出NVH设计要求外，还需配合优秀的控制策略，才能将整个系统的NVH性能发挥到最佳。NVH开发工作应积极参与热泵控制策略的标定过程。一款性能优秀的热泵系统既要满足空调舒适性、能耗和效率的要求，同时也要将整车空调的NVH性能做到最优。混合动力轿车根据驾驶模式（如EV模式或HEV模式）以及热泵系统需求对象（如乘员舱或电池包）的不同，分类匹配相应的软件控制策略。另外，根据车辆运行状态的不同，热泵工作条件还可分为：

（1）怠速工况；

（2）静置充电工况；

（3）行车工况。可见，由于整车运行状态的不同，热泵系统工作的背景噪声会有明显差异，因此对热泵系统的NVH要求也不同。从上述条件可知，在EV怠速工况、静置充电工况以及EV低速行驶工况下，乘客对热泵系统的NVH性能要求最为苛刻。因此，压缩机转速策略应根据空调挡位、车辆模式、行驶车速以及乘员舱与电池包是否都有制冷或制热需求等条件，结合车内乘员的NVH容忍度，来制定不同条件下的压缩机工作转速。

依据以上所述NVH优化方案，对某款混合动力轿车的热泵系统开展振动噪声优化后，其改进前后的对比结果如图。从图中可见NVH性能改善明显，达到原先设定的目标。