利用軟件對(duì)熱管理NVH性能進(jìn)行優(yōu)化的方案

李貴賓

(寧波吉利汽車研究開(kāi)發(fā)有限公司,浙江 寧波 315336)

0 前言

混動(dòng)車輛的噪聲振動(dòng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲振動(dòng)、純電狀態(tài)行駛時(shí)風(fēng)扇和壓縮機(jī)的噪聲振動(dòng)，以及空調(diào)的噪聲振動(dòng)，這對(duì)噪聲-振動(dòng)-聲振粗糙度(NVH)提出新的要求。在工程開(kāi)發(fā)時(shí)，需要在滿足整車熱管理需求的同時(shí)，考慮硬件平臺(tái)通用化，努力降低熱管理運(yùn)動(dòng)零部件的噪聲，以及對(duì)方向盤(pán)、座椅的抖動(dòng)激勵(lì)。而軟件的應(yīng)用會(huì)對(duì)NVH的優(yōu)化有立竿見(jiàn)影的效果，且零部件的設(shè)計(jì)變更費(fèi)用幾乎為0，可以有效規(guī)避零部件的設(shè)計(jì)變更成本。

1 風(fēng)扇的振動(dòng)及噪聲

混動(dòng)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池、空調(diào)的冷卻均通過(guò)與整車前端的冷卻模塊強(qiáng)制對(duì)流而實(shí)現(xiàn)。考慮零部件成本因素，較多車型均使用單電機(jī)的風(fēng)扇。為了滿足整車熱管理高風(fēng)量的要求，風(fēng)扇直徑偏大，全速運(yùn)行時(shí)噪聲較大[1]。另外，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速范圍為0～3 000 r/min，振動(dòng)覆蓋頻段較寬，易與發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)產(chǎn)生共振效應(yīng)，再通過(guò)整車前端模塊安裝點(diǎn)，經(jīng)過(guò)縱梁、前圍、地板等傳遞至方向盤(pán)及座椅，導(dǎo)致方向盤(pán)及座椅抖動(dòng)劇烈。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)量需求

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫影響因素

發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫受發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、水流量、外部環(huán)境溫度的影響。控制發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的方法一般有以下2種：

方法1，水溫與風(fēng)扇占空比一一對(duì)應(yīng)，再采用遲滯抑制風(fēng)扇波動(dòng)的方法控制，缺點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)水溫不能維持在穩(wěn)定的適合發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)水溫區(qū)間。較高的水溫會(huì)影響循環(huán)熱效率，較低的水溫會(huì)增大摩擦損失。不同環(huán)境溫度下，固定的風(fēng)扇占空比可以獲得同樣的風(fēng)量，若以高環(huán)境溫度確定該占空比與水溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系，則低溫環(huán)境下冷卻能力過(guò)剩，甚至出現(xiàn)節(jié)溫器溫度振蕩現(xiàn)象[2]。反之，若以低環(huán)境溫度確定占空比與水溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系，則高溫環(huán)境下冷卻能力不足，由于熱慣性較大，可能存在持續(xù)高占空比運(yùn)行的情況。

方法2，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩確定發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量，再通過(guò)水流量及散熱器的散熱性能獲取散熱器的散熱量，由發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱量、水流量及散熱器散熱量共同確定維持目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫所需的風(fēng)量。其中，散熱器的散熱性能需要考慮冷卻液和冷卻空氣的溫差。該方法可以有效解決不同環(huán)境溫度下不同液氣溫差下風(fēng)量需求不同的問(wèn)題，可以維持水溫的穩(wěn)定性。方法2的Simulink模型設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 Simulink模型設(shè)計(jì)

圖1中輸入端口1為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際水溫，輸入端口2為設(shè)定的目標(biāo)水溫，輸入端口3為環(huán)境溫度，輸入端口4為發(fā)動(dòng)機(jī)水流量，子模塊“發(fā)動(dòng)機(jī)散熱功率計(jì)算”使用比例-積分-微分(PID)算法計(jì)算當(dāng)前環(huán)境溫度下達(dá)到目標(biāo)水溫需要散出的熱量，子模塊“散熱器散熱性能計(jì)算”根據(jù)散熱器的性能確定散出“發(fā)動(dòng)機(jī)散熱功率計(jì)算”模塊計(jì)算出的發(fā)熱量所需的風(fēng)量。

2.2 風(fēng)量需求

為防止前機(jī)艙高溫對(duì)零部件的損害[3]，需要根據(jù)排氣溫度對(duì)風(fēng)扇請(qǐng)求適當(dāng)?shù)恼伎毡龋艢庀到y(tǒng)的輻射熱量對(duì)零部件的影響需要考慮環(huán)境溫度的因素，否則在冬季也容易造成風(fēng)扇的高速運(yùn)行。

3 電機(jī)回路的風(fēng)量請(qǐng)求

電機(jī)的效率較高，回路的熱量一般較小，可以根據(jù)電機(jī)散熱器的入水口溫度及環(huán)境溫度進(jìn)行查表控制。需要注意的是電機(jī)回路的各零部件要求水溫較低，需要冷卻的冷卻液溫度區(qū)間也較小，不適合劃分過(guò)多的冷卻風(fēng)扇等級(jí)。過(guò)多的冷卻風(fēng)扇等級(jí)意味著每個(gè)等級(jí)的水溫區(qū)間非常小，也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及噪聲的波動(dòng)。

充電時(shí)的冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高，否則噪聲過(guò)大易引起用戶反感，此外某些情況下并不是風(fēng)量越大越好，對(duì)于混動(dòng)車型風(fēng)扇，50%占空比以下即可滿足慢充車載充電機(jī)(OBC)的要求，一般可將水溫控制在65 ℃左右，若OBC的本體溫度仍無(wú)法降低，且與水溫差值較大時(shí)，可以考慮OBC零部件換熱問(wèn)題。

4 空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)量需求

4.1 整車空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)量影響因素

整車空調(diào)系統(tǒng)在怠速時(shí)受熱回流及熱力膨脹閥開(kāi)度影響，存在壓力波動(dòng)，導(dǎo)致根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)壓力進(jìn)行控制的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速也會(huì)跟隨空調(diào)系統(tǒng)壓力波動(dòng)。

采用空調(diào)系統(tǒng)壓力-風(fēng)扇占空比一一對(duì)應(yīng)的查表法控制結(jié)果如圖2所示。

圖2 空調(diào)系統(tǒng)壓力-風(fēng)扇占空比控制(波動(dòng))

4.2 空調(diào)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)量的請(qǐng)求

空調(diào)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)量的請(qǐng)求，可以根據(jù)設(shè)定系統(tǒng)目標(biāo)壓力進(jìn)行控制。由于低車速(20 km/h)下更容易聽(tīng)到噪聲，因此可以在不影響系統(tǒng)安全的前提下，分別對(duì)高低車速設(shè)定不同的目標(biāo)壓力，以降低在較低車速下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

考慮城市工況的一般車速在60 km/h以下，在車速60 km/h以下時(shí)脈沖寬度調(diào)制(PWM)風(fēng)扇采用分檔控制，并且根據(jù)環(huán)境溫度設(shè)定遲滯量，對(duì)隨著空調(diào)系統(tǒng)壓力波動(dòng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速波動(dòng)進(jìn)行抑制，控制邏輯如圖3所示。

圖3 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制邏輯

圖中的U/L圖標(biāo)表示變化的風(fēng)量上下限，通過(guò)對(duì)當(dāng)前風(fēng)量進(jìn)行不斷偏移變化的上下限進(jìn)行控制，有利于此問(wèn)題的解決。圖4為采用該邏輯進(jìn)行改良后的結(jié)果。

圖4 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制邏輯的改進(jìn)

由圖3、圖4可見(jiàn)：采用帶遲滯的風(fēng)扇控制能實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的穩(wěn)定控制。需要注意的是遲滯量不能設(shè)置得過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇持續(xù)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

4.3 空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)量需求解決方法

對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)，即使在春秋季進(jìn)行頻繁開(kāi)關(guān)空調(diào)操作時(shí)，也會(huì)因?yàn)槎啻伍_(kāi)啟出現(xiàn)較高的初始?jí)毫Γ绕鋵?duì)于無(wú)霍爾傳感器的無(wú)刷風(fēng)扇，這種情況出現(xiàn)的比例也較高。風(fēng)扇在獲得空調(diào)開(kāi)啟的信號(hào)后，需要先尋找內(nèi)部磁場(chǎng)位置而延遲運(yùn)行，導(dǎo)致壓縮機(jī)已運(yùn)行而風(fēng)扇未能開(kāi)啟，或因?qū)ふ掖艌?chǎng)位置產(chǎn)生延遲，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速短時(shí)間內(nèi)未能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定所需轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)壓力升高，所以在多次開(kāi)關(guān)后會(huì)出現(xiàn)風(fēng)扇高速運(yùn)行。

在高溫環(huán)境下，考慮壓縮機(jī)剛開(kāi)啟時(shí)壓力瞬間上升，風(fēng)扇需要先于壓縮機(jī)開(kāi)啟，尤其對(duì)于無(wú)霍爾傳感器的無(wú)刷風(fēng)扇，更是必要的。若風(fēng)扇的開(kāi)啟落后于壓縮機(jī)的開(kāi)啟，可能會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)觸發(fā)壓力保護(hù)，頻繁切斷運(yùn)行。在遠(yuǎn)程空調(diào)、充電等先決功能狀態(tài)下，需要對(duì)制冷性能和NVH性能做出取舍，產(chǎn)生較大噪聲的功能可能會(huì)引起用戶反感甚至棄用。除了上述措施外，當(dāng)空調(diào)開(kāi)啟后立即給一定的最低風(fēng)量，在環(huán)境溫度較低時(shí)給予一定的小風(fēng)量，也有利于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速波動(dòng)的控制。以某車型35 ℃環(huán)境溫度怠速穩(wěn)態(tài)工況，800 W/m2日照為例，空調(diào)系統(tǒng)目標(biāo)壓力設(shè)定為2.1 MPa時(shí)，能量消耗功率約為1.53 kW，目標(biāo)壓力更改為1.7 MPa時(shí)，能量消耗約為1.32 kW，能耗約降低13.7%。

5 壓縮機(jī)的振動(dòng)及噪聲

5.1 壓縮機(jī)的振動(dòng)

當(dāng)壓縮機(jī)在較低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，頻率與方向盤(pán)或座椅的固有頻率接近，會(huì)導(dǎo)致方向盤(pán)和座椅抖動(dòng)，值得一提的是，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)方向盤(pán)或座椅的激勵(lì)不僅僅與其轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與空調(diào)系統(tǒng)的冷媒壓力強(qiáng)相關(guān)，在低的冷媒壓力和高的冷媒壓力下，方向盤(pán)或座椅的振幅會(huì)有明顯的差異。

5.2 壓縮機(jī)的噪聲

當(dāng)壓縮機(jī)高速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大機(jī)械噪聲，所以需要結(jié)合乘員艙和電池的制冷需求，在低車速下對(duì)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行抑制，但需要滿足空調(diào)屬性目標(biāo)的要求。夏季車輛的一種常用工況是在陽(yáng)光下暴曬進(jìn)行充電，當(dāng)用戶使用車輛開(kāi)啟空調(diào)后，除了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升有較大的噪聲外，空調(diào)出風(fēng)口也可以聽(tīng)到噪聲，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的上升速率對(duì)空調(diào)噪聲有很大的影響。

5.3 解決方法

用戶開(kāi)啟空調(diào)后，在1 min內(nèi)對(duì)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速上升速率進(jìn)行限制。主要原因在于剛開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)蒸發(fā)器溫度比較高，對(duì)于舒適性，并不適合立即吹面，一般執(zhí)行一段時(shí)間的吹腳模式，待蒸發(fā)器溫度下降后再切換為吹面模式，在此期間，吹腳模式并不需要特別低的風(fēng)溫。1 min后蒸發(fā)器溫度有所降低，過(guò)熱度下降，膨脹閥處冷媒流速降低后會(huì)有明顯改善，若此時(shí)用戶已開(kāi)始行車，則基本聽(tīng)不到空調(diào)噪聲。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，軟件控制的開(kāi)發(fā)對(duì)熱管理的NVH有很大的改進(jìn)優(yōu)化作用。風(fēng)扇和壓縮機(jī)是熱管理系統(tǒng)的高噪聲來(lái)源，介紹了兩者的控制邏輯，通過(guò)對(duì)風(fēng)扇和壓縮機(jī)控制邏輯的合理控制，結(jié)合整車熱管理的需求，可以實(shí)現(xiàn)減振和降噪的目標(biāo)。