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氢燃料电池系统NVH问题及解决方案

2020年07月01日

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pc幸运28上一篇文章,小创给大家带来了“pc幸运28在燃料电池领域产品和技术介绍”,相信对我们pc幸运28在氢燃料电池领域的技术解决方案及产品开发有了基础的认识和理解。借此机会再次介绍下,pc幸运28在燃料电池的辅助系统零部件领域主要涉及以下几大系统中的核心部件,如下图所示:

pc幸运281、空气进气系统: 水分离器、颗粒和化学过滤器、压缩机噪声消音器;

2、尾排系统:排气/水整体解决方案,包括排水、储水、防结冰、尾排消声;

pc幸运283、氢气供应系统:氢引射器、氢水分离器;

4、热管理系统:热管理阀;

5、以及辅助以上系统工作的泵阀类产品。

pc幸运28今天,小创分享给各位的主要是“氢燃料电池系统的NVH综合解决方案”。NVH(Noise Vibration Harshness)主要指振动、噪声、舒适性指标,目前已经成为各大车企所重点关注并大力攻关的一项性能指标。而对于氢燃料电池系统而言,NVH在各大性能指标中又成为最重要、最难于攻关的关键性能指标之一,因此可以说NVH性能是困扰当下氢燃料整车、系统集成厂商、零部件供应商的最为严峻的问题,亦是开发过程中最难以逾越的技术“鸿沟”。氢燃料电池系统的噪声源主要有:阴极空气压缩机、尾排系统,以及系统中的其它零部件,如氢循环泵、氢引射器、阳极氢气喷射等产生的噪声。空压机与尾排系统,作为氢燃料电池系统的两大关键零部件,他们的NVH性能决定了系统的噪声能量级,以及整机辐射声品质水平。

空气压缩机噪声

空压机作为氢燃料电池系统阴极空气供应的动力装置,通常其工作转速较高(几千到几万转/分钟不等),因此常常会产生较高频率的高能量噪声成分,表现为尖锐、刺耳的主观感受,严重影响系统的声品质水平。空气压缩机目前主要有罗茨式、双螺杆式、离心式三种型式,如下图所示,当然现在市场上还有双级离心式结构。罗茨式、螺杆式空压机的结构比较相似均属于容积式空压机,通过两个转子啮合实现压缩空气的目的,核心区别在于双螺杆空压机工作过程中存在连续的内压缩过程,相对压缩效率更高。离心式空压机通过电机驱动压气机,轴向进气在叶轮和压壳内的空腔内完成压缩,最终经压壳径向甩出。离心空压机结构紧凑、尺寸较小,整体辐射噪声能量相对较低,但高频宽频气流噪声问题仍显著存在,影响系统主观声品质水平。

传统内燃机的噪声特性,自然吸气发动机通常表现为相对低频的噪声成分,主要贡献为发动机发火相关的阶次成分以及一些结构、气路共振成分,能量基本集中在1500Hz以内。而涡轮增压型发动机,由于涡轮增压器的存在,内部气流经压缩高速运转易于形成湍流/涡等现象,通常表现出宽频段较高频气流噪声成分,能量一般集中在1000Hz-5000Hz成分,当然也存在更高频的异响成分,此处不做赘述。氢燃料电池空压机的噪声特性则不尽相同,罗茨/螺杆式空压机由于内部存在转子之间的啮合,因此高速运转过程中会产生显著的同步噪声成分,与转速所对应的基频及其齿数相关,由于是典型的旋转机械结构,因此还存在着高谐次噪声成分。

不同于传统内燃机,空压机转速高,又叠加叶片切割效应,因此空压机噪声的阶次成分频率覆盖很宽。某个特定的阶次成分通常覆盖2000-3000Hz频段,多个阶次成分噪声覆盖了高达10000Hz甚至更高的频率范围。因此对燃料电池空压机进行NVH降噪处理的难度较高,NVH性能开发所需的专项技术能力要求较高。

空压机噪声解决方案

空压机进气侧连接至进气空滤系统,出气侧连接至中冷器最终通入电堆的阴极,因此其噪声的传递路径主要为:空滤进气口辐射、空压机出气管路辐射、空压机本体辐射,以及空压机进气管路辐射等。不同的空压机型式在噪声量级及贡献量略有差异,但多个工程项目经验总结,空压机出气管路辐射、空滤进气口辐射的噪声贡献最高,空压机本体辐射、进气管路辐射的噪声贡献次之。由此可见,空压机管路系统噪声的辐射贡献仍占据最大的贡献量。

pc幸运28消声器结构已广泛应用于管路系统的NVH解决方案,能有效抑制特定频率范围的噪声成分,以降低辐射噪声水平。但是对于氢燃料电池空压机管路噪声的控制相对难度更高,所设计的消声器需要覆盖更宽的频率范围,特定的频段需要更高的消声量,同时还要重点关注高转速段的高频尖锐噪声声品质问题。pc幸运28先后承接并完成了多个燃料电池空压机NVH优化项目,包括目前仍在研的氢燃料系统NVH相关项目,也针对性开发了多个管路系统消声器结构,涵盖罗茨式、双螺杆式、离心式三种型式的空压机。

针对某双螺杆式空压机的管路系统进行消声器结构设计,近场辐射噪声水平得到显著的降低,全转速段噪声声压级水平平均降幅达15dB(A)以上,12000Hz频率范围以内,空压机各阶次噪声成分均有大幅降低,且高转速段由于高压比下产生的宽频气流噪声也得到了明显的衰减,高频尖锐刺耳感降低,整体噪声声品质水平得到有效的控制。

pc幸运28而对于离心式空压机,其压叶轮类似于传统车的涡轮增压器压气机,内部叶轮高速旋转(转速通常达到几万转/分钟),空气在压壳内经叶片连续切割压缩,会产生典型的宽频气流噪声,同时压叶轮由电机驱动,因此作为旋转部件压气机还存在着典型的同步噪声及其BPF(Blade Passing Noise:叶片通过噪声),尤其体现在高转速区域。pc幸运28针对某离心式空压机管路系统进行消声器结构设计后,辐射噪声水平得到显著的降低,全转速段噪声声压级能量降幅显著。特别体现在800-3500Hz、5000-7000Hz、9000-11000Hz三个频段,宽频气流噪声成分改善明显。仔细分析colormap图可以发现隐藏在空压机中高转速段1000-2000Hz频段内存在典型的同步噪声成分,与空压机的工作转速相关,优化后该窄频带同步噪声成分基本消失,系统主观声品质改善明显。

除此以外,部分空压机在内部定转子结构、外部壳体结构设计时,未充分考虑整体动力学性能及其结构NVH性能,通常在整体成品阶段表现出较突出的本体辐射噪声贡献。针对这一途径的噪声辐射,根本原因来自于空压机内部定转子结构包括啮合的设计,另一部分也与本体刚度相关。通常而言,壳体结构刚度不足会引起辐射噪声过高,当然壳体面质量也与自身隔声性能相关。针对此类噪声问题,pc幸运28也曾设计了空压机壳体的吸隔声罩,兼顾了吸声、隔声性能,实现全频段噪声的有效抑制与衰减。但毋庸置疑,吸隔声罩的配套,需要结合整车的NVH性能与成本之间的平衡,以及NVH性能与整机散热热管理之间的权衡,这些都在产品设计过程中需要全面考虑。

燃料电池尾排系统噪声

pc幸运28尾排系统,又称排气系统,普遍应用于传统车领域,而氢燃料电池系统又有较大区别于传统尾排系统。关于燃料电池尾排系统的以塑代钢,小创在上一篇文稿中已经详细阐述,便不做赘述,在此主要分享NVH相关特性。传统车尾排系统通常含有消声包结构,分为前消、中消、后消,现在主流的方案包含前消与后消,省去了中消结构,甚至个别车仅保留尾管处的大消包结构。

在谈尾排消包方案设计之前,先谈谈排气噪声的特性,便于诸位理解设计的意图与目的。传统车排气噪声的主要成分:气流噪声(简称流噪)、阶次噪声(与发动机发火相关)、管路气柱共振噪声。其中发动机发火相关的阶次噪声以及管路气柱共振噪声成分,系整个尾排系统管口噪声的最主要贡献量,表现为1000Hz以内的相对低频特性,发火基频通常处在200Hz以内。因此,传统动力尾排消包需要容积更大的消声器声腔,大消包通常有25-30L。而反观燃料电池系统,其噪声特性并非主要贡献在低频成分,通常体现在中高频,甚至偏高频成分贡献。因此,氢燃料电池系统尾排消声器的设计,必然与传统车大消包不同。整体而言,氢燃料所需要的尾排消包容积可以更小一些,而不同于传统车消包的纯低频设计,氢燃料尾排消声器需要重点关注中高频的消声性能,因此更相近于进气系统消声设计的多腔穿孔式结构更为适合氢燃料电池尾排NVH方案。

pc幸运28同时尾管尺寸与走向布置直接影响了管口气流噪声水平,因此尾管方案也是尾排系统的设计关键之一。当然,氢燃料系统尾排设计环节还需兼顾排、储水、以及水分离等特定功能。

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