熱泵空調采暖噪聲診斷及優化研究

趙敏，李杰，田蜀東

摘 要：當前，熱泵空調因其能效比高、耗電量低、結構緊湊的優點，成為未來純電動汽車和雙模車汽車空調的主要研究方向和發展趨勢。由于熱泵空調工況惡劣，冬天為使車內快速升溫，需要在短時間內使壓縮機提升至較高轉速，這往往會引發車內噪聲，使得乘員產生抱怨。解決熱泵空調帶來的NVH性能問題顯得尤為迫切。文章以搭載熱泵空調系統的某款EV車型為例，基于Simcenter Test.Lab軟件和西門子數采前端進行摸底測試分析，確定了高壓管振動和壓縮機轉速策略不合理為造成車內噪聲大的主要影響因素，隨后進行了高壓管加裝配重塊和控制壓縮機轉速方案的相關優化驗證。在保證熱泵制熱性能的前提下，車內噪聲得到了明顯的下降。

關鍵詞：熱泵空調;NVH性能;高壓管振動;壓縮機轉速策略;優化驗證

中圖分類號：TH212;TH213.3 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-117-05

Noise diagnosis and optimization study of heat pump air-conditionings heating mode

Zhao Min， Li Jie， Tian Shudong

（ BYD Automobile IndustryLimited Company.， Product Planning &New Technology Research Institude.，

Guang dong Shenzhen 518118 ）

Abstract： Currently， because of its higher energy efficiency ratio， lower power consumption， compact structure， heat pump air-conditioning gradually becomes main research fields and development tendency for air-conditioning of battery electric vehicle and dual-mode vehicle. The heat pump air-conditioning often works in bad environment， especially in cold winter. In order to heighten the inside temperature of the vehicle， compressor rotational speed need to grow higher in short time， which will result in unbearable noise for passengers. Thus， it seem to be urgent to solve the NVH problem followed with the heat pump air-conditioning. In the paper， firstly we carry out thorough NVH test for a battery electric vehicle based on Siemens data acquisition frontend and the relevant software Simcenter Test.Lab， and then come to a conclusion that high pressure pipes vibration and unreasonable rotational speed of compressor are the two main influencing factors. Secondly， we formulate two schemes according to the analytical reasons and verify the relevant NVH performance. Ultimately， we find that the two schemes， i.e.， adding weights for high pressure pipe， controlling compressor rotational speed according to gear of air blower， can also be effective. Under the premise of heating performance inside of vehicle， inside noise of vehicle dramatically declines by use of the two schemes.

Keywords： Heat pump air-conditioning; NVH performance; Vibration of high pressure pipe; Speed strategy of compressor; Optimization and verification

CLC NO.： TH212; TH213.3 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-117-05

1 引言

隨著我國汽車行業的發展，乘車舒適性逐漸成為顧客重點關注的方面之一。而汽車的NVH性能（Noise噪聲，Vibra -tion振動，Harshness聲振粗糙度）對乘車舒適性至關重要。空調系統作為整車NVH性能評估過程中重要的一個組成部分，越來越引起工程技術人員的重視。尤其是純電動汽車的研發，沒有了最大源頭發動機振動噪聲的干擾和掩蔽，空調系統的NVH性能問題凸顯嚴重。

當前，傳統燃油車及雙模車型冬季采暖使用發動機余熱或PTC輔助加熱進行。而純電動車由于沒有了發動機的存在，這給冬季車內空調采暖帶來了新的挑戰。由于PTC能耗高，制熱效率低，在降低能耗、提高續航里程的背景下，熱泵空調技術[1-3]由于自身能效比高、耗電量低、結構簡單、穩定可靠，因此獲得了純電動車研發的青睞。

熱泵空調采暖過程中通過內冷凝器進行車內車外熱量的交換。由于熱泵空調工作條件較為惡劣，需要較短的時間使得車內得到升溫，壓縮機轉速聲音較明顯，這往往會引起乘員的抱怨。當前，熱泵空調技術更多的研究在其采暖經濟性上[4-7]，針對熱泵空調采暖帶來的振動噪聲問題研究還較少，更多的技術研究局限于空調零部件級NVH和燃油車空調NVH性能評估上。劉敏[8]等對空調壓縮機支架模態及動剛度分析進行了求解，確保性能滿足目標要求。黃麗那[9]等針對汽車怠速下暖通空調異響問題，通過試驗排查，明確了噪聲源于24 階階次鼓風機電機噪聲，且在鼓風機1600rpm時產生共振。冀軍鶴[10]等針對怠速開空調出現“嗒嗒聲”，進行測試確認為渦旋壓縮機排氣脈動引起，通過改變壓縮機排氣腔結構，聲音得到明顯改善。孫啟甲[11]針對燃油車發動機950rpm結構共振異響和怠速嗚嗚聲異響問題進行了研究。

由于熱泵空調，尤其是采暖過程的NVH性能在純電動車上綜合表現較差，需要進行對該系統進行“源-路徑-接受者”相關研究[12]，減小振動傳遞，降低噪聲的傳播[13]，優化熱泵空調系統NVH性能，達到提高整車級NVH性能，提高品質，增強乘車舒適性。

2 問題描述及評估

針對某款搭載熱泵空調系統的在研純電動車型，乘員抱怨熱泵采暖過程中（吹腳除霜外循環模式），壓縮機高速運轉時，車內噪聲過大，難以忍受。

正式測試前，基于主觀評分細則，組織相關人員及NVH工程師進行主觀評價，評估出熱泵空調在不同鼓風機擋位下、不同環境溫度下的NVH表現，方便制定后續測試策略。評估結果見表1所示。

表1 ?NVH主觀評價結果

表2 ?主觀評價結果描述

通過上述表格可知，熱泵空調系統的NVH主觀評價評分較低，屬于較高風險范疇，因此需要進行摸底測試，全面評估熱泵空調技術在純電動車上的NVH性能，尋找問題癥結，進行優化驗證。

3 摸底測試

3.1 測試要求

熱泵空調NVH測試，采用西門子40通道數采前端SCM2E05和配套測試軟件Simcenter Test.lab進行數據采集工作。正式測試前，需確保熱泵空調能夠正常工作，電池電量應≥80%，以避免因電量降低而導致空調系統工作電壓變化。測試過程中背景噪聲應小于被測噪聲10dB，且周圍環境應為無風狀態，以避免影響麥克風測試結果。

對熱泵空調系統進行布置測點，振動測點選取壓縮機端蓋、高壓管、方向盤、座椅滑軌，噪聲測點選取壓縮機近場、車內主駕內耳進行數據采集。

3.2 測試方案

考慮進行不同環境溫度、鼓風機不同檔位（1-7檔位）下的熱泵空調采暖振動噪聲摸底測試。

熱泵空調工作模式為吹腳除霜外循環，采暖溫度為Hi，測試各個擋位下的自由運行工況，其中包含了啟動初期的非穩定運行過程和隨后的平穩轉速運行過程。對該兩個過程分別進行數據采集。

3.3 數據分析

通過分析熱泵啟動初期非穩定運行過程的數據，可以獲取不同鼓風機擋位對應下的壓縮機轉速策略。

圖1和圖2分別是環境溫度為-5℃、-10℃、-15℃下的壓縮機最高轉速及平穩轉速曲線變化情況。

圖1 ?壓縮機最高轉速曲線

從圖中可以獲取壓縮機轉速控制策略，根據圖1，環境溫度越低，壓縮機最高轉速越高。尤其在-15℃時，不論鼓風機擋位如何變化，壓縮機最高轉速基本保持不變，均為6000rpm。根據圖2，整體來講，壓縮機平穩轉速隨鼓風機擋位上升而上升。

圖2 ?壓縮機平穩轉速曲線

通過對平穩轉速運行過程測得數據進行分析，可以確定車內噪聲貢獻比較大的來源。以鼓風機1擋位為例，說明主駕內耳聲壓級的主要貢獻來源。

圖3 ?車內聲壓級（鼓風機1擋位，環境溫度-5℃）

圖4 ?車內聲壓級（鼓風機1擋位，環境溫度-10℃）

圖3、圖4、圖5分別是鼓風機1擋位、環境溫度為-5℃、-10℃、-15℃下的車內噪聲聲壓級。觀察不同環境溫度下的噪聲頻譜圖，可以看到壓縮機特征頻率同車內聲壓級峰值存在對應關系。由于鼓風機一擋位目標值設定為28dBA，車內噪聲幅值超出要求的頻率處，高壓管振動貢獻較大。車內噪聲來源詳情可以參考表3所示。

圖5 ?車內聲壓級（鼓風機1擋位，環境溫度-15℃）

表3 ?車內噪聲來源

可以看出對車內噪聲頻譜圖貢獻比較大的為高壓管的振動，其次為壓縮機本體振動。

通過分析熱泵啟動初期非穩定運行過程，建立壓縮機轉速同鼓風機擋位的關系，為基于“源”的壓縮機轉速控制策略調整，建立了數據依據。通過分析熱泵啟動后壓縮機轉速平穩運行過程，確立了高壓管振動為主要的傳遞路徑。

最終，考慮在“路徑”優化上，從高壓管著手，加裝配重塊進行優化驗證;在“源”上，從壓縮機轉速策略進行控制，鼓風機1-2擋位，壓縮機轉速控制在≤2500rpm，鼓風機在3-4擋位，壓縮機轉速控制在≤3600rpm。通過高壓管和轉速策略兩種方案，進行該純電動車型的熱泵空調NVH優化驗證工作。

4 優化驗證

基于摸底測試中確立的優化方案，進行路徑及源頭優化方案效果驗證。

4.1 高壓管加配重塊

首先，確認車輛狀態正常工作，無螺栓松動，高壓管進內冷凝器的前圍處密封良好，隨后進行振動噪聲測點布置，進行原狀態及加裝配重塊方案的數據采集和分析。

圖6 ?高壓管加裝配重塊

高壓管加裝配重塊如圖6所示，測試鼓風機1擋位，熱泵空調啟動后，壓縮機轉速平穩運行階段。

分析原狀態和高壓管加裝配重塊的車內噪聲頻譜圖（見圖7），發現：高壓管加裝配重塊后，車內主駕內耳聲壓級為46.61dBA，相較于原狀態，下降了3.61dBA，降幅明顯，且車內主觀評價有改善效果。高壓管在壓縮機基頻、2階、4階存在振動峰值，對車內噪聲貢獻較大，從圖中可以看到加裝配重塊后，車內噪聲幅值在壓縮機特征頻率處（基頻、2階、4階）下降，表4詳細說明了在不同不同階次頻段內，聲壓級降幅結果。

圖7 ?主駕內耳噪聲頻譜圖

表4 ?原狀態與加裝配重塊車內聲壓級對比dB（A）

同樣對原狀態和高壓管加裝配重塊情形下的高壓管振動頻譜圖進行分析，見圖8所示。加裝配重塊后，高壓管振動2階、4階、6階的峰值均有較明顯下降，分別選取階次附近頻率段，通過計算其有效值，觀察振動幅值下降幅值，見表5所示。可以看到在0-500Hz頻段內，加裝配重塊方案的Z向振動有效值為0.5m/s2，相比于原狀態，振動減小了0.48m/s2，效果較明顯。

圖8 ?高壓管振動頻譜圖

表5 ?原狀態與加裝配重塊振動RMS值對比（m/s2）

4.2 控制壓縮機轉速

控制鼓風機1-2擋位時，壓縮機轉速≤2500rpm;控制鼓風機3-4擋位時，壓縮機轉速≤3600rpm。基于上述新方案進行環境溫度-5℃，鼓風機1-4擋位下的NVH性能評估與結果驗證。

（a）1擋位（2500rpm） ? ? ? （b）2擋位（原狀態與2500rpm）

（c）3擋位（原狀態與3600rpm） ?（d）4擋位（原狀態與3600rpm）

圖9 ?鼓風機1-4擋位車內噪聲結果對比

需要說明的是，未改轉速控制策略前，環境溫度為-5℃，鼓風機1擋位采暖過程中，自行跳檔至2擋位，壓縮機轉速一直保持4800rpm不變化，車內噪聲主觀評價較差。圖9（a-d）為采取新的壓縮機轉速策略后，車內噪聲聲壓級曲線。

觀察圖9，不難發現，基于新的壓縮機轉速控制策略，車內噪聲表現優于原狀態。噪聲全頻段總聲壓級在鼓風機2擋位下降2.9dBA，在鼓風機3擋位下降1.83dBA，在鼓風機4擋位下降0.75dBA，詳情見表6。

表6 ?不同鼓風機擋位下的車內聲壓級（dBA）

由于高壓管振動為熱泵空調車內噪聲主要傳遞路徑，進一步，觀察控制壓縮機轉速策略下的高壓管振動情況，見圖10（a-d）所示。相比于原狀態，改變不同鼓風機擋位下的壓縮機轉速，高壓管振動幅值下降明顯。鼓風機2擋位-4擋位下，高壓管振動RSS值分別下降了2.9m/s2、3.14m/s2、2.92m/s2，見表7所示。

（a）1擋位（2500rpm） ? ? （b）2擋位（原狀態與2500rpm）

（c）3擋位（原狀態與3600rpm） ?（d）4擋位（原狀態與3600rpm）

圖10 ?鼓風機1-4擋位高壓管振動頻譜圖

表7 ?不同鼓風機擋位下的高壓管振動RSS值（m/s2）

在保證采暖性能的前提下，采取高壓管加配重塊、控制壓縮機轉速策略的方案均能使得車內噪聲得到明顯的下降。

5 結論與建議

通過摸底試驗，查明了高壓管振動對車內噪聲存在較大貢獻，確立了高壓管路徑優化方案和控制壓縮機轉速策略方案，最終在滿足采暖性能的前提下，上述優化方案均能使得車內噪聲得到較明顯的下降。

（1）高壓管振動較大

高壓管振動特征頻率對乘員艙主駕內耳聲壓級存在較大貢獻。通過高壓管加配重塊，車內聲壓級下降明顯。通過觀察確認，壓縮機高壓管出口橡膠軟管長度較短，對NVH性能存在不利影響。設計中，可以加長橡膠軟管長度，并進行合理布置，從而提升NVH性能。

（2）壓縮機控制策略

壓縮機轉速同鼓風機擋位相關，最終確立壓縮機轉速策略為：鼓風機1-2擋位，壓縮機轉速≤2500rpm;鼓風機3-4擋位，壓縮機轉速≤3600rpm。控制壓縮機轉速策略對車內噪聲聲壓級有明顯效果。

可以根據實際情況，在滿足熱泵空調采暖性能的前提下，從經濟成本和時間成本考慮，采用高壓管配重方案還是壓縮機轉速控制方案。

參考文獻

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