新能源汽车热泵系统NVH优化分析

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。

总结

本文基于热泵系统的结构特征，研究了热泵系统振动噪声性能的控制方法，并将该方法应用于某混合动力轿车的热泵系统NVH性能开发中，取得了较好的改善效果。从中可以得出以下结论：

1、压缩机是热泵系统NVH问题的核心激励源。通过优化压缩机内部结构设计以降低压力脉动，同时提升压缩机的安装模态和安装点动刚度，以避免共振现象。

2、空调管路是重要的NVH传递路径。一方面，需根据压缩机排量大小在管路中匹配适合的消声器来降低压缩机激励；另一方面，将部分空调管路改为一定长度的软管，并对管路固定点采取隔振措施，可有效降低压缩机激励传递给车身HVAC箱体对车内振动噪声产生直接影响，因此，在箱体设计开发时应增加减振隔振措施。

3、压缩机控制策略对热泵系统整车NVH表现有重要影响。应根据车辆不同工况制定精确的压缩机工作转速策略，以实现NVH最优效果。

注：文章中引用数据和图片来源网络