氫燃料電池汽車NVH技術現狀及展望

 

我國氫燃料電池汽車技術起步較晚，但發展迅速：2020年7月廣汽發布了首款氫燃料電池汽車Aion LX FuelCell；2021年3月長城汽車推出車規級“氫動力系統”全場景解決方案——氫檸技術；2022年1月奇瑞汽車推出基于艾瑞澤5的氫燃料電池汽車；2022年4月長安汽車發布“深藍”品牌首款車型，并將提供燃料電池版本，預計2022年第二季度上市；2022年北京冬奧會，吉利、宇通、福田等車企提供氫燃料電池汽車參與服務。

 

近兩年來，從車企的戰略布局，國家相關政策出臺，以及國內外對于氫燃料電池的技術革新，昭示著氫燃料電池汽車未來將迎來較大的發展，而NVH作為汽車性能優劣的重要一環，同樣有提前入局的必要。汽車NVH指噪聲、震動與聲震粗糙度，這是衡量汽車制造質量的一個綜合性指標，帶給汽車用戶的是主觀和表面的感受。車的NVH問題是國際汽車業各大整車制造企業和零部件企業關注的問題之一。

 

1、氫燃料電池技術簡介

 

燃料電池按照其應用電解質的類型可以分為：堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）以及質子交換膜燃料電池（PEMFC）。汽車工業通常使用質子交換膜燃料電池（PEMFC），這種燃料電池具有工作溫度低、能量密度高、轉化率高等優點。同時，燃料電池成本高、質子交換膜技術含量高、生產難度大、使用壽命短等缺點是制約燃料電池發展的重要因素。

 

質子交換膜燃料電池（PEMFC）本質上是燃料的氧化還原反應，如圖2所示：氫氣進入燃料電池陽極，并在催化劑的作用下反應生成電子、氫離子，氧氣進入燃料電池陰極反應得到電子、氧離子。氫離子穿過質子交換膜到達電池陰極，并與陰極的氧離子反應生成純凈水，此過程中，電子通過外部電路產生電流。

 

質子交換膜燃料電池（PEMFC）發電原理

 

2、氫燃料電池汽車NVH特性研究現狀及控制

 

與傳統燃油汽車不同，燃料電池的動力總成并非發動機，因此燃料電池的噪聲級整體較小。但同時由于燃料電池動力總成系統噪聲非常復雜且不具備傳統發動機噪聲的線性度以及掩蔽效應，乘客對于燃料電池汽車的主觀感受并不優于傳統燃油汽車。

 

燃料電池車的動力總成主要包括：空氣輔助系統、氫氣輔助系統、冷卻系統、驅動電機系統、電池反應堆等幾部分，如圖3所示。噪聲源發生了變化，由此產生的NVH問題特性有別于傳動燃油汽車。例如，排氣系統由于缺少發動機階次噪聲，流噪成為排氣噪聲主要貢獻成分[3]。

 

燃料電池汽車動力總成

 

目前，針對燃料電池汽車的NVH問題研究取得了一些成果，但整體研究不夠深入、廣泛，沒有形成一套類似于傳統燃油汽車的振動噪聲問題控制方法。文章結合相關論文對氫燃料電池汽車空氣輔助系統、氫氣噴射系統、排氣系統的NVH問題進行了梳理，希望大家從中能夠有所收獲。

 

2.1、空氣輔助系統

 

空氣輔助系統主要包括空壓機、空濾器、增濕器、中冷器、消聲器、管道等，主要為燃料電池提供足夠多的清潔壓縮空氣，空氣供給量隨著汽車行駛工況變化，與驅動電機輸出功率直接相關。空氣輔助系統是燃料電池汽車噪聲主要組成成分，分為氣動噪聲、結構噪聲兩部分。

 

氣動噪聲主要由空壓機工作時造成的壓力波動產生，空壓機在工作時轉速較高，導致輔助系統中產生高頻、高能量的氣動噪聲成分，主觀感受尖銳、刺耳，嚴重影響汽車聲品質。空氣壓縮機目前主要有羅茨式、雙螺桿式、離心式三種型式，如圖4所示，其中離心式結構緊湊、整體輻射噪聲能量相對較低，但高頻、寬頻氣流噪聲問題仍顯著存在。對于氣動噪聲的控制通常從空濾器、空壓機、消聲器三部分進行。

 

對于空壓機氣動噪聲控制，石川哲平等通過調整空壓機結構，配比階次噪聲，使空壓機噪聲主觀感受更為舒適。

 

空濾器是降低進氣噪聲最有效的手段之一，由于空氣中的顆粒物會堵塞質子交換膜，雜質氣體（SO2、NH3、NOx 等）會造成催化劑中毒，氫燃料電池汽車的空濾器與傳統燃油汽車的空濾器不同，包含紙質濾芯以及活性炭濾芯兩層過濾裝置，如圖6所示。

 

此外，由于燃料電池汽車氣動噪聲具有寬頻、中高頻噪聲為主的特點，通常使用多孔消聲器消除空壓機寬頻帶氣動噪聲。左曙光等人設計了一款在2000Hz——3500Hz有較好消聲效果的微穿孔消聲器，解決了空壓機1000r/min——3800r/min轉速范圍內噪聲大的問題，如圖所示：

 

微穿孔消聲器結構示意

 

微穿孔消聲器傳遞損失

 

空壓機的振動特征主要集中在中、高頻范圍，針對空壓機結構噪聲問題，石川哲平等通過將空壓機與變速箱剛性連接，利用動力總成懸置系統低頻振動特性，達到抑制空壓機結構噪聲的目的，如圖所示，在變速箱側使用三個橡膠隔振墊降低振動傳遞：

 

驅動電機總成懸置配置

 

2.2、氫氣噴射系統

 

燃料電池系統中，氫氣通過噴射系統進入電池陰極參與反應，噴射系統通過支架安裝在汽車底盤，供氫管道通過卡扣與車身連接，由于噴射系統存在較為穩定的噴射，因此可能產生結構噪聲。葉勝望等對某款燃料電池汽車的氫燃料噴射噪聲進行了相關分析，對比車內噪聲頻譜與氫燃料噴射系統振動頻譜較為一致，如圖所示，確定噪聲是由氫燃料噴射系統產生，經研究認為該噪聲問題管道氣流引起，通過加裝消聲器的方案，解決該噪聲問題：

 

氫燃料噴射系統引發車內噪聲問題分析

 

2.3、排氣系統

 

氫燃料電池排氣系統噪聲，包括空壓機噪聲、各閥體（氫氣、空氣等）產生的泄氣噪聲、流體噪聲等[6]。排氣系統除了降噪功能外，還負責把化學反應產生的水蒸氣及時排出。由于排氣系統需要利用空壓機產生的高壓氣體將水蒸氣最大限度吹出，因此排氣系統在設計時應盡量采用低壓損設計，通常會將排氣系統設計為直管形式，并使用較大的管路內徑。此外，氫燃料電池系統排出的水在低于80°C下存在大量的水蒸氣和液態水，該成分會造成排氣系統內部積水問題，引起長時間使用的霉變和生銹問題，在設計排氣系統時，會留有較大的漏水孔。