電動汽車CO2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)振動與噪聲問題解決方法概述

范英杰

（重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶 401520）

0 引言

2021 年，全球純電動汽車銷量約為460 萬輛，中國純電動汽車銷量約為291 萬輛，占比在60%以上。中國是目前世界上新能源汽車產(chǎn)銷量最大的國家。且在能源與環(huán)保的雙重壓力下，純電動汽車銷量將持續(xù)增長。但是，純電動汽車目前仍然存在一些技術(shù)瓶頸，如整車的續(xù)航里程較短、整車的充電時間較長及電池的保養(yǎng)、更換及后處理問題等。其中續(xù)航里程長短是決定用戶是否購買純電動汽車的關(guān)鍵因素，也是開發(fā)人員最為關(guān)注的領(lǐng)域。影響純電動汽車?yán)m(xù)航里程的因素眾多，其中就包括其空調(diào)系統(tǒng)的能耗。寒冷的冬天，純電動汽車在開啟空調(diào)制熱模式時，其續(xù)航里程會有大幅下降，原因在于目前市場上絕大多數(shù)純電動汽車空調(diào)制熱都采用加熱器加熱方式，該方式對電池電量的損耗極大。在解決該問題過程的所有方案中，采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)是目前最為有效的方案之一。

目前在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中用作冷媒的物質(zhì)主要有三種：R134a、R1234yf 及CO2。當(dāng)前已有部分純電動汽車使用R134a 與R1234yf 作為冷媒的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，但該種熱泵因冷媒標(biāo)準(zhǔn)氣壓下沸點較高的原因，在氣溫低于-10 ℃的環(huán)境中制熱效果較差，未得到廣泛應(yīng)用。且R134a 的全球溫室效應(yīng)潛值（GWP100）＝1300，為強(qiáng)溫室效應(yīng)物質(zhì)，也不符合環(huán)保要求，已趨近淘汰。在此情況下，CO2以其眾多突出優(yōu)點，成為了熱泵空調(diào)系統(tǒng)較為理想的冷媒，本文對目前CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)所存在的噪聲（NVH）領(lǐng)域最突出的問題及對應(yīng)解決方法進(jìn)行概述，為開發(fā)空調(diào)系統(tǒng)的工程技術(shù)人員提供參考。

1 CO2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)概述

CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)能夠成為較理想的冷媒：首先，CO2的GWP100＝1，環(huán)保效應(yīng)良好，即使因系統(tǒng)失效造成CO2從空調(diào)系統(tǒng)中泄露至空氣，因其量的不足，也不會對環(huán)境造成太大影響。此外，CO2在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點較低，其在低溫環(huán)境下制熱效果極佳。此外，CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)還擁有壓縮機(jī)效率高、熱損失低等優(yōu)點。綜合來看，CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱時的能源利用率較高，COP 能達(dá)到3.5 左右[1]，可有效延長續(xù)航里程30%以上，遠(yuǎn)高于采用其他冷媒的熱泵。

目前CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)還沒有市場化廣泛應(yīng)用。其主要原因在于該系統(tǒng)的開發(fā)難度較大：CO2臨界壓力較高，約為7.38 MPa；且CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作時處于跨臨界循環(huán)，因此整個空調(diào)系統(tǒng)中的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用傳統(tǒng)冷媒的熱泵系統(tǒng)，約為這些系統(tǒng)的5～10倍，工作時系統(tǒng)中最高壓力能達(dá)到12 MPa 以上。高壓會帶來更強(qiáng)的噪音與振動，且電動汽車無發(fā)動機(jī)的存在，其空調(diào)系統(tǒng)工作時的噪聲無法被發(fā)動機(jī)的本底噪聲掩蓋，造成其空調(diào)系統(tǒng)噪聲比較明顯。除此以外，熱泵空調(diào)系統(tǒng)在制熱時壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速普遍較高，也使得NVH 性能劣化情況較為嚴(yán)重。根據(jù)目前工程化開發(fā)情況來看，CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)NVH 問題極為突出，主要集中在壓縮機(jī)與空調(diào)管路上。

2 CO2 熱泵空調(diào)振動與噪聲問題及解決方法

對CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究目前還主要集中在系統(tǒng)設(shè)計、采暖性能及控制策略上[2-5]，對其NVH 性能的研究鮮見報道。根據(jù)目前針對某純電動汽車CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工程化開發(fā)情況來看，CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)振動與噪聲在制熱工況下較為明顯，其來源主要包括兩個部分：壓縮機(jī)及空調(diào)管路。由于搭載CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)的量產(chǎn)車型較少，目前相關(guān)參考文獻(xiàn)也較少，因此主要以搭載了其他類型空調(diào)系統(tǒng)的純電動汽車開發(fā)經(jīng)驗為主進(jìn)行概述。

2.1 壓縮機(jī)振動與噪聲產(chǎn)生機(jī)理及解決方法

壓縮機(jī)造成的系統(tǒng)振動與噪聲，一般是由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動時的自身振動及其他零部件共振引起。CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其他純電動汽車所用壓縮機(jī)主要為渦旋式壓縮機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。動渦旋由偏心曲軸帶動，因此該種設(shè)計使得壓縮機(jī)工作時產(chǎn)生與其轉(zhuǎn)速相關(guān)的周期性不平衡旋轉(zhuǎn)慣性力，該力會使壓縮機(jī)周期性振動，有可能引起其他零部件的共振。此外，若壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，壓縮機(jī)的振動幅值較大，會直接成為振動源。CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱時處于跨臨界循環(huán)，且為了盡快升溫，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較高。這就使得壓縮機(jī)周期性振動頻率較高，引起其他固有頻率接近其振動頻率的零部件共振。

圖1 電動渦旋式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

秦望等[6]發(fā)現(xiàn)某純電動汽車壓縮機(jī)在3000 r/min時一階振動造成共振，使得方向盤振動較大及車內(nèi)存在明顯轟鳴聲；通過給壓縮機(jī)支架增加橡膠襯套使得壓縮機(jī)一階激勵降低，方向盤振動與車內(nèi)轟鳴水平降低。金明等[7]發(fā)現(xiàn)某純電動汽車壓縮機(jī)在2300 r/min轉(zhuǎn)速下會與風(fēng)扇形成拍振，在5000 r/min 會造成車內(nèi)嚴(yán)重振動；通過優(yōu)化轉(zhuǎn)速策略及改變壓縮機(jī)支架以優(yōu)化安裝剛度，問題得到控制。孔劍等[8]試驗中發(fā)現(xiàn)，某純電動皮卡壓縮機(jī)在2185 r/min 時會引起方向盤、座椅導(dǎo)軌及底板振動，通過調(diào)整壓縮機(jī)支架系統(tǒng)剛度，成功解決該問題。譚雨點等[9]通過優(yōu)化純電動汽車空調(diào)壓縮機(jī)支架模態(tài)，避免了壓縮機(jī)在4000 r/min 時與支架產(chǎn)生共振造成的車內(nèi)振動與噪聲較大問題。何呂昌等[10]用增強(qiáng)材料增強(qiáng)了燃料電池電動車壓縮機(jī)支架的整體剛度，避免了壓縮機(jī)與支架的共振，降低了空調(diào)開啟時車內(nèi)的異常振動。羅穎等[11]發(fā)現(xiàn)，某純電動汽車壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4000 r/min 時，車內(nèi)噪聲與方向盤振動偏大，且頻率與壓縮機(jī)基頻振動頻率接近。采用了優(yōu)化壓縮機(jī)配重、減小旋轉(zhuǎn)不平衡慣性力與提高零件加工質(zhì)量、減少因加工造成的動不平衡的措施后，問題得到改善。邱琳等[12]通過調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及改善壓縮機(jī)內(nèi)部動、靜盤摩擦等措施，消除了純電動汽車空調(diào)開啟時壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)引起的車內(nèi)噪聲問題。綜上所述，對于壓縮機(jī)引起的振動與噪聲問題，主要通過優(yōu)化壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及優(yōu)化壓縮機(jī)支架模態(tài)來解決，但對于主機(jī)廠來講，優(yōu)化壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)較難實現(xiàn)，主要通過優(yōu)化壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與支架模態(tài)兩條措施來控制問題，但壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低后取暖效率會受到影響，因此最優(yōu)措施為對壓縮機(jī)支架進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 空調(diào)管路振動與噪聲產(chǎn)生機(jī)理及解決方法

根據(jù)目前的開發(fā)情況，造成CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)中空調(diào)管路異常振動的原因主要為空調(diào)管路的壓力脈動。管路中壓力脈動一般出現(xiàn)在管路轉(zhuǎn)彎處及管路截面變化處，壓力脈動會造成管路激振。空調(diào)管路截面一般變化較小，但由于空間限制，存在多處轉(zhuǎn)彎，在轉(zhuǎn)彎處的脈動激振力[13]為

其中ΔP為脈動壓力最大幅值，β為彎管轉(zhuǎn)角。由公式可得，脈動激振力主要與彎管轉(zhuǎn)角與脈動壓力相關(guān)，在管路轉(zhuǎn)角處，脈動壓力越大，脈動激振力越大。CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作時系統(tǒng)壓力極高，使得脈動壓力較高，造成脈動激振力較大，因此管路振動情況極為明顯。此外，壓力脈動頻率等于壓縮機(jī)工作頻率，管路的壓力脈動還可能引起其他零部件的共振。趙敏等[14]通過在高壓管轉(zhuǎn)彎處增加質(zhì)量塊及調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的方式，降低了純電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)管路振動幅值與頻率，減輕了車內(nèi)噪音強(qiáng)度。董濤[15]通過改變熱泵空調(diào)系統(tǒng)管路支撐位置和支撐數(shù)量、增加管路配種、調(diào)整管路長度與管壁厚度等方式，改變管路的固有頻率，減輕壓力脈動帶來的管路振動。趙勤等[16]通過對汽車空調(diào)管路的流固耦合分析發(fā)現(xiàn)，空調(diào)管路的硬度越大，管路的振幅越小。張建國等[17]發(fā)現(xiàn)，增加空調(diào)管路長度并增加消音器，可降低管路產(chǎn)生的噪聲，增加配重塊，可降低管路的振動。申秀敏等[18]通過在空調(diào)高壓管與低壓管分別增加400 g 與300 g 的質(zhì)量塊，可降低怠速下開啟空調(diào)時車內(nèi)噪音水平。綜上可知，對于管路在壓力脈動下產(chǎn)生的振動，主要通過改變管路材料、長度、壁厚或增加質(zhì)量塊及消聲器等措施來減輕，其根本目的都是改變管路的固有頻率，使其在相同的激勵下振幅減小。考慮到在主機(jī)廠NVH 部分一般是系統(tǒng)設(shè)計結(jié)束后進(jìn)行評價及改進(jìn)，因此改變管路材料、長度及壁厚等措施并不適用，主要還是通過增加質(zhì)量快及消聲器等措施來減輕管路振動。此外，壓力脈動頻率與壓縮機(jī)工作頻率相同，改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可改變壓力脈動頻率，避免管路振動引起其他零部件的共振。

除壓縮機(jī)與管路振動造成的振動與噪聲外，某些純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)還存在鼓風(fēng)機(jī)、空調(diào)箱噪聲等問題，目前在某車型CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)過程中雖暫未遇到，但也需制定相應(yīng)的防范措施。李鵬等[19]通過優(yōu)化空調(diào)箱內(nèi)部導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，降低了空調(diào)箱內(nèi)渦流造成的車內(nèi)轟鳴強(qiáng)度，主觀評價改善明顯。王俊杰等[20]對鼓風(fēng)機(jī)的輪轂型線和葉頂弧度進(jìn)行優(yōu)化，降低了鼓風(fēng)機(jī)的43 頻次葉噪聲及總聲壓級。沈思思等[21]對鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)的橡膠隔振墊結(jié)構(gòu)、法蘭盤結(jié)構(gòu)及電機(jī)安裝方式進(jìn)行優(yōu)化后，降低了電機(jī)的12 階（600 Hz）電磁振動。羅天勝[22]通過對空調(diào)箱采用擾流板和消音腔共振消音結(jié)構(gòu)原理相結(jié)合，降低了空調(diào)箱氣動噪聲13.77%。整體來看，鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)噪聲、空調(diào)箱噪聲與壓縮機(jī)振動及管路振動造成的振動與噪聲相比，出現(xiàn)頻率較低。解決方法可采用優(yōu)化空調(diào)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)、優(yōu)化鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)傳遞路徑等方式。

3 結(jié)語

綜上所述，CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)過程中的NVH問題主要包括壓縮機(jī)與管路振動造成的振動與噪聲。針對這兩個問題，可以采用優(yōu)化壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及優(yōu)化壓縮機(jī)支架模態(tài)，改變管路材料、長度、壁厚或增加質(zhì)量塊及消聲器等措施來加以解決。這些措施中，優(yōu)化壓縮機(jī)支架模態(tài)、優(yōu)化壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及管路增加質(zhì)量快，在實際的工程開發(fā)中更為適用。此外，針對可能出現(xiàn)的鼓風(fēng)機(jī)及空調(diào)箱噪聲問題，可通過優(yōu)化空調(diào)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，優(yōu)化鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及電機(jī)傳遞路徑等措施來進(jìn)行解決。