某純電動汽車電動壓縮機振動噪聲問題分析與優化

馬一鳴，白楊翼，楊興龍，胡鵬宇，蘇 玲，劉 杰

（1.一汽奔騰轎車有限公司，吉林 長春 130000；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

近年，在國家的政策和市場的刺激兩方面影響下，國內新能源汽車市場呈現快速增長的趨勢，中國也成為全球新能源汽車的消費大國。其中，純電動汽車是新能源汽車發展的一個重要方向。相對于傳統汽油車，純電動車結構雖然沒有傳統車發動機工作帶來的噪聲，車輛在行駛過程中給予消費者較高的靜謐性，但是也會產生特定的噪聲。如車輛在怠速或者低速行駛時，由電動空調壓縮機、電子水泵、電子真空助力泵等工作所產生的振動噪聲就較為明顯[1]。在車輛設計研發階段，如果存在上述問題，需要妥善解決，避免車輛未來使用后可能引發的顧客投訴問題。

目前，針對電動空調壓縮機噪聲大問題多數研究集中在相對簡單的怠速工況，缺少對車輛在不同工況行駛下壓縮機噪聲改善的研究，也缺少針對純電動車電動壓縮機產生噪聲特點的研究。針對這些情況，本文闡述了解決某純電動汽車壓縮機振動噪聲問題的思路和方法：在車輛怠速工況及行駛工況下，對壓縮機振動噪聲問題進行了分析，并對問題進行優化，最終實車確認優化效果，最后達到了解決電動壓縮機在多個運行工況下振動噪聲問題的目的。為今后類似課題的研究解決，提供了行之有效的參考方法[2]。

1 問題描述及原因分析

1.1 問題描述

某自主品牌純電動汽車進行主客觀評價及測試分析發現：整車在怠速工況或低速行駛工況時，電動空調壓縮機啟動后，特別在2 500 r·min-1時，振動噪聲較大，同時壓縮機轉速達到4 000 r·min-1以后，車內噪聲明顯，并伴有強烈的壓耳感，且能明顯感覺到方向盤振動，以上問題主觀評價無法接受。

由于純電動車的電動壓縮機工作時和傳統車壓縮機不同，工作轉速區間較大，一般乘用車用電動壓縮機工作轉速區間1 000 r·min-1～7 000 r·min-1，其特點是振動噪聲的大小與轉速成正比[3]。通過式（1）計算可得，壓縮機的基頻激勵區間在16 Hz～133 Hz，同時伴隨諧頻激勵。因此，從噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness,NVH）可知，其激勵頻率較廣。如果模態設計不好的情況下，很容易引起共振。

式中，f為電動壓縮機基頻激勵頻率；n為電動壓縮機工作轉速。

為了更好解決該研究樣車壓縮機工作時車內振動噪聲較大問題，試驗車輛通過控制器局域網絡（Controller Area Network, CAN）外接信號控制接通空調A/C開關，保持問題轉速2 500 r·min-1以及進行轉速升降控制，同時控制壓縮機的開啟與停止。通過試驗排查分析可知，2 500 r·min-1振動噪聲較大的主要根源為壓縮機激勵頻率與方向盤模態42 Hz耦合共振，但是由于電動壓縮機的激勵特點，無法通過模態解耦來實現，因此，只能通過路徑排查分析進行優化解決。

1.2 原因路徑分析

該研究試驗樣車的電動壓縮機布置在電驅系統上，從結構路徑上分析建立“激勵源-傳遞路徑-接受者”分析模型。如圖1所示，包括壓縮機轉速控制策略控制，壓縮機本體振動噪聲控制，結構空氣路徑優化控制三個方向。對于結構路徑傳遞，相對復雜，振動噪聲主要通過三條路徑傳播：（1）通過壓縮機支架到達電驅總成，再通過懸置系統傳遞到副車架和縱梁上，然后經過車身最終傳遞到方向盤及駕駛員人耳位置。該路徑已做優化，無提升空間；（2）通過管路與車身安裝點傳遞到車身前圍進而傳遞到方向盤及駕駛員人耳位置；（3）通過管路、冷卻水箱總成傳遞到縱梁上面最終傳遞到方向盤及駕駛員人耳位置。通過路徑分析排查，目前貢獻較大的為結構路徑，因此，下文通過優化結構路徑進行改善同時配合控制策略進行約束，達到優化車內振動噪聲的效果[4]。

圖1 電動壓縮機問題分析模型

2 方案驗證

根據以上分析結果可知，在滿足熱管理需求及其它性能的要求下，往往壓縮機本體很難優化，那么就需要通過優化結構路徑和控制策略，以改善車內振動噪聲問題。

2.1 路徑優化

1.空調管路軟管加長

由于該研究車型機艙布置限制，前期在開發設計時，空調管路軟管長度較短，無法起到較好的隔振效果，在振動噪聲傳播的結構路徑中將壓縮機管路進行加長230 mm驗證，方案如圖2所示。

圖2 空調管路加長方案對比

2.空調管路安裝點隔振優化

通過拆解分析，空調管路車身安裝點路徑有優化貢獻。目前該車采用一級隔振方案，因此，需要在管路車身安裝點繼續增加隔振，實現二級隔振效果，優化方案如圖3所示。

圖3 空調管路車身安裝點加隔振方案

3.冷卻水箱隔振墊優化

分析過程中識別到冷卻水箱振動較明顯，測量發現水箱隔振墊較硬，隔振性能較差。進一步優化水箱隔振軟墊硬度，由原來的邵氏硬度70 HA降低至50 HA，方案對比如圖4所示。

圖4 水箱隔振墊硬度優化方案

結合上述結構路徑優化方案，進行車內振動噪聲測試分析評估及主觀評價。車內主駕右耳噪聲頻譜、方向盤振動頻譜對比結果如圖5、圖6所示，其中，①為原狀態，②為空調管路加長方案，③為管路安裝點加隔振方案，④為冷卻水箱管路隔振方案，所有方案優化效果對比見表1，每個方案為逐一疊加。通過對比結果可知，無論是車內噪聲還是方向盤振動均有明顯的優化，開發過程空調開一般選擇鼓風機1擋、內循環、吹面模式來評判壓縮機振動噪聲問題，在電動壓縮機工作轉速為2 500 r·min-1時，車內噪聲的聲壓級由原狀態的48.7 dB(A)降低到40.6 dB(A)，方向盤振動均方根RMS值由原狀態0.5 m/s2降到0.32 m/s2。主觀車內振動噪聲優化明顯[5]。同時，對比了增加方案后電動壓縮機在2 000 r·min-1～6 000 r·min-1工作時車內噪聲結果，如圖7所示，4 000 r·min-1以上車內噪聲優化明顯。

圖5 壓縮機轉速2 500 r·min-1主駕右耳噪聲頻譜對比

圖6 壓縮機轉速2 500 r·min-1方向盤12點振動頻譜對比

圖7 壓縮機各轉速下主駕右耳噪聲聲壓級對比

表1 優化方案對比效果

2.2 控制策略優化

在完成了結構路徑優化后，客觀測試結果有改善，但主觀評價壓縮機部分工況仍不滿足主觀評價目標，需要針對壓縮機部分轉速段振動噪聲問題繼續改善，主要控制策略為針對壓縮機轉速進行聯調和問題段避頻兩項優化。其中本文采用了電動壓縮機轉速、車速以及鼓風機擋位聯合調控的方法，由于車速越高，純電動車的其他噪音包括路噪、風噪、電驅噪聲對壓縮機噪聲都有一定的掩蔽作用，其次鼓風機中高擋位的出風口噪聲也具備相應的掩蔽效應，因此，可根據不同的車速，不同鼓風機擋位進行聯合控制，盡可能地降低壓縮機高轉速噪聲在車內的感知情況。本文通過對研究車輛的怠速、不同的車速、減速滑行等工況進行了聯合調控[7]，對不同車速下鼓風機擋位和壓縮機轉速進行了限制，具體的控制策略優化矩陣如圖8所示。

圖8 壓縮機轉速控制策略優化矩陣圖

在此基礎上，結合實際車輛運行下的問題頻率，對2 400 r·min-1～2 600 r·min-1段進行了避頻，避免壓縮機轉速穩態工作時落在該區間，實車主觀感受得到進一步改善，主觀評價可接受。

同時，由于空調系統控制策略的調整，需要對電動壓縮機制冷性能驗證，參照QC 658—2009-T汽車空調制冷系統性能道路試驗方法，最終結果滿足最初的制冷性能設計需求。

最終，通過上述3種結構路徑優化方案以及空調控制策略的聯合優化，樣車主觀評價達標。綜合方案可以很好地解決純電動汽車空調壓縮機振動噪聲較大的問題，具備較高的工程指導應用價值。

3 結束語

本文通過對某自主品牌純電動車電動壓縮機振動噪聲問題進行了分析與研究，通過結構路徑方案優化與空調系統控制策略調試聯合的方法，解決了電動壓縮機的振動噪聲問題，有效的提升了乘客的駕乘舒適性，具有較高的工程指導意義，具體結論如下：

（1）通過對壓縮機相關的問題分析和結構傳遞路徑進行優化，調整管路長度、增加管路隔振、降低襯套硬度等關鍵路徑優化措施，解決了壓縮機2 500 r·min-1由共振引起的車內振動噪聲大的問題。

（2）提出了一種解決電動壓縮機振動噪聲問題新的思路，通過轉速控制策略與車速，鼓風機擋位聯合調試的方法，優化了定置工況及低速行駛工況，壓縮機轉速在4 000 r·min-1以上時車內噪聲大的問題。該方案具有很高的工程指導意義。