氫燃料電池車車內(nèi)噪聲和車外警示音

楊慶敏

【摘 要】氫燃料電池汽車以行駛中零污染排放，驅(qū)動系統(tǒng)噪音低而成為汽車企業(yè)關(guān)注的焦點，但燃料電池車車內(nèi)噪聲及振動也不容忽視。本世紀初就有許多對燃料電池車車內(nèi)噪聲源和振動進行的實驗分析及其減振降噪的具體研究。本文通過文獻研究法，梳理了日本“未來” 車內(nèi)噪聲源及振動原因，以資相關(guān)人員借鑒。

【關(guān)鍵詞】日本氫燃料電池車;車內(nèi)噪聲和振動;車輛接近警示音

中圖分類號： U469.72 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）04-0087-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.032

0 前言

氫燃料電池汽車以行駛中零污染排放，驅(qū)動系統(tǒng)噪音低，且氫能來源廣數(shù)量多而成為近年來汽車企業(yè)關(guān)注的焦點。為了獲得競爭優(yōu)勢，各國紛紛出臺政策，加速推進氫燃料電池車關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。與內(nèi)燃機汽車相比，燃料電池屬于靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，運行過程中噪音和振動都較小，低速行駛時車外幾乎沒有噪聲。但燃料電池車車內(nèi)振動和噪聲還是不容忽視的，早在本世紀初就有許多專家和學(xué)者對燃料電池車車內(nèi)噪聲源和振動進行過實驗分析，尋求著解決辦法。

2006年閻礁、左曙光等就對燃料電池轎車車內(nèi)聲振特性進行了實驗分析，采集了實驗用樣車車內(nèi)噪聲及運動部件振動加速度的信號，找出了實驗用樣車車內(nèi)噪聲來源于驅(qū)動電機總成和燃料電池系統(tǒng)中的氫泵和風機，提出了減震降噪措施（閻礁、左曙光等，2006年）;申秀敏、左曙光等于2008年對燃料電池車進行了聲振測試和噪聲源識別（申秀敏、左曙光等，2008年），確定了主要振動噪聲源為空氣輔助系統(tǒng)和氫氣輔助系統(tǒng)以及燃料電池冷卻系統(tǒng)，提出了對風機及氫氣輔助系統(tǒng)箱體的改進方案;康強、左曙光等在《燃料電池轎車空氣輔助系統(tǒng)噪聲研究的進展》（2012年）中指出“空氣輔助系統(tǒng)中的風機振動和噪聲是燃料電池車噪聲的主要源頭”，總結(jié)了燃料電池車空氣輔助系統(tǒng)噪聲研究的方向。葉勝望等（2017年11月）從氫噴射噪聲角度分析了燃料電池汽車噪聲源及給出了優(yōu)化方法。

日本的2014年商業(yè)化，量產(chǎn)化了的氫燃料電池車“未來”車內(nèi)也有噪聲和振動，川邊謙一在《燃料電池自動車のメカニズム》（2016年）中指出在“未來”車內(nèi)也能感知到噪聲和振動，分析了噪聲源，并指出“未來”在低速行駛時車外噪聲很小，小到路人幾乎感知不到。為安全起見，“未來”車身前部安裝有車外擴音器以警示路人。本文用文獻研究法梳理了“未來” 車內(nèi)噪聲源及振動原因，以資相關(guān)人員借鑒。

1 氫燃料電池車行駛時也有磁勵音

“未來”在行駛時，能聽到吱吱的聲音。其音量，會隨著行駛速度的加快而增大，不光是加速時，減速時也能聽到。這個聲音，被稱作磁勵音，主要是從電機中發(fā)出的，用電機做驅(qū)動的車中，都有類似的聲音，燃料電池車，電動車和混合動力車，都能聽到類似的聲音。

磁勵音是在動力控制總成中產(chǎn)生的電的雜音。電機等因這個雜音而振動，并發(fā)出吱吱的聲音，這個雜音來源于動力控制總成內(nèi)部的能量半導(dǎo)體，能量半導(dǎo)體以一秒鐘數(shù)千次以上的速度，反復(fù)開關(guān)電源，致使在流回電機的電流中參雜了噪聲。磁勵音隨著行駛速度不同其音量也會發(fā)生變化，其原因在于能量控制總成里電力的轉(zhuǎn)換原理，在能量控制總成里，有兩種電力轉(zhuǎn)換裝置，一種是逆變器（inverter），把直流電變成交流電，另一種是整流器（converter），把交流電變成直流電。燃料電池或驅(qū)動用電池被稱作直流電，電機被稱作交流電。為使這兩種不同電流能相互自由轉(zhuǎn)換，需要逆變器或整流器。

產(chǎn)生噪聲的功率半導(dǎo)體位于逆變器或整流器中，那么是怎樣進行電力轉(zhuǎn)換的？以逆變器為例加以說明。逆變器把由二極管供給的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，再通過三極管傳送給電機。六個功率半導(dǎo)體各自獨立且周期性地反復(fù)高速通斷，把直流電切割成非常細碎的電流，組成交流電（圖1）。

在此轉(zhuǎn)換中利用了功率半導(dǎo)體能把直流電壓自由降壓的原理。如果使用典型控制方法的脈沖振幅調(diào)制（Pulse Amplitude Modulation）的話，電源接通時的矩形波（脈沖波）輸出頻率周期性縮短，平均電壓就會下降。利用這個原理，周期性地改變平均電壓，就能形成三相交流電波形。但是，形成的只是類似的交流電，電壓波形不是規(guī)范的正弦波，這是產(chǎn)生噪聲的主要原因。

因為逆變器可以控制電機，根據(jù)行駛狀況能改變?nèi)嘟涣麟姷牟ㄐ?。電機的轉(zhuǎn)速和扭矩等能改變和控制輸入電機的三相交流電的電壓和周波數(shù)。此時，因為噪聲的輸出功率發(fā)生變化，磁勵音的輸出功率也相應(yīng)變化，吱吱音的高低也會隨著行駛速度的變化而變化。

以上是電流流入電機、加速時的狀況。電機發(fā)電，用再生制動能量回收剎車減速時，同樣，磁勵音的高低也隨行駛速度變化。使用再生制動能量回收剎車時的整流器中，也應(yīng)用了功率半導(dǎo)體降低直流電壓的原理。

整流器不僅僅是把三相交流電變成直流電，還控制著直流電壓使其保持穩(wěn)定。電機輸出的交流電的電壓，隨著其旋轉(zhuǎn)而變化。而驅(qū)動用電池，如果不把輸入的直流電壓穩(wěn)定在一定范圍的話就不能充電，因此把三相交流電轉(zhuǎn)換成高壓直流電，用功率半導(dǎo)體降為適當?shù)碾妷?，輸入?qū)動用電池中。這時，也會產(chǎn)生電噪聲，傳遞至電機，發(fā)出磁勵音。

2 氫燃料電池車“未來”特有的噪聲

“未來”加速時，除了能聽到吱吱的磁勵音外，還能聽到嗡嗡的聲音。這是氫泵等旋轉(zhuǎn)機械旋轉(zhuǎn)速度加快時發(fā)出的聲音，是燃料電池車特有的代表性的噪聲。用這個旋轉(zhuǎn)機械把車外空氣送進燃料電池，加速時，為提高燃料電池的發(fā)電量，送入的空氣量增多，因此旋轉(zhuǎn)速度加快，就發(fā)出嗡嗡的聲音。另外，低速行駛時，燃料電池發(fā)電量減少，旋轉(zhuǎn)速度下降，會發(fā)出嗚嗚的輕微聲音。

但無論是磁勵音還是旋轉(zhuǎn)機械等的噪聲，和發(fā)動機的噪聲相比都非常小，小到行駛速度加快時，會被輪胎滾動的噪聲或風噪聲掩蓋過去。因此，不關(guān)掉空調(diào)，讓車內(nèi)靜下來仔細聽的話，有時會聽不到那些噪聲。

3 車外車輛接近預(yù)警裝置的警示音

“未來”的車身前部裝有擴音器，低速行駛時向車外發(fā)出警示音，這個被稱作車輛接近預(yù)警裝置的警示音，起著告知路上行人車輛經(jīng)過近旁的作用。

車輛接近預(yù)警裝置不只是燃料電池車，電動汽車以及混合動力車等多種車型都裝有該裝置。這些車，在低速行駛時，幾乎沒有噪聲，為了安全起見裝置了通報音。

“未來”在車輛啟動至行駛速度提升為每小時25公里這個區(qū)間內(nèi)，車輛接近預(yù)警裝置開始啟動，發(fā)出通告音。通告音的高低，隨著行駛速度提高而逐步變化，音色也呈現(xiàn)出類似轟轟的獨特的聲音。因為不像發(fā)動機聲音那么大，所以在車內(nèi)如果關(guān)著車窗的話，很難注意到通告音。

車輛接近預(yù)警裝置之所以被研發(fā)是混合電動車太安靜而引起的。日本和美國等國家，出于保護視覺障礙殘疾人的角度，對逐漸普及的混合動力車提出了過于安靜，有危險等疑慮。因此，美日兩國為了保護行人的安全，規(guī)定了必須給汽車安裝最低標準的警示鈴聲。日本國土交通部2010年公布了安裝車輛接近預(yù)警裝置的指導(dǎo)方針。

4 結(jié)語

以“未來”為代表的日本氫燃料電池車，實現(xiàn)了車輛從啟動到高速行駛工況下的車輛舒適性等的性能目標，同時也實現(xiàn)了不同于內(nèi)燃機車的加速車內(nèi)噪聲減噪的目標。和國內(nèi)用于聲振測試及噪聲源識別等實驗用樣車相比，空氣輔助系統(tǒng)噪聲以及氫噴射噪聲都被減低到被輪胎滾動的噪聲或風噪聲掩蓋掉的程度，為我國的燃料電池汽車減振降噪研究樹立了研發(fā)的目標。

【參考文獻】

[1]川辺謙一，燃料電池自動車のメカニズム，講談社，2016年2月20日.

[2]閻礁 ? 左曙光等，燃料電車轎車車內(nèi)噪聲特性實驗分析，汽車技術(shù)，2006年.

[3]申秀敏 ?左曙光等 燃料電池車聲振測試及噪聲源識別，聲學(xué)技術(shù)，2008年8月.

[4]唐強 ?左曙光等 燃料電池轎車空氣輔助系統(tǒng)噪聲研究的進展，噪聲與振動控制，2012年2月.

[5]葉勝望等，燃料電池汽車氫噴射噪聲分析及優(yōu)化，新能源汽車，2017，11.