電動汽車電動壓縮機噪聲控制方法研究

【歡迎引用】 劉佐軍， 李海鵬， 田飛， 等. 電動汽車電動壓縮機噪聲控制方法研究[J]. 汽車文摘，2024（XX）： X-XX.

【Cite this paper】 LIU Z J， LI H P， TIAN F， et al. Research on Reducing Electrical Compressor Operation Noise of Electric Vehicle[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（XX）： X-XX.

【摘要】隨著新能源車型的廣泛普及，電動壓縮機噪聲逐漸成為電動車噪聲的主要來源。為了分析其發聲機理，明確其噪聲特征和主要傳遞路徑，重點針對電動壓縮機噪聲中的階次噪聲問題展開研究，基于激勵源-路徑-響應分析模型并結合工程開發實例，總結電動壓縮機噪聲的識別和優化控制方法。研究結果表明：相比于抑制壓縮機起振力水平和優化傳遞路徑隔振能力等傳統方法，采用電動電動壓縮機轉速避讓控制策略控制壓縮機一階轟鳴音更具性價比；通過優化和控制壓縮機及散熱風扇安裝支架隔振能力以降低車內拍頻感幅度是控制壓縮機散熱風扇拍頻音的關鍵；基于聲學掩蔽效應原理，可以通過合理增大散熱風扇噪聲，提升顧客對于電動壓縮機電磁噪聲的接受閾值。

關鍵詞：電動壓縮機噪聲；拍頻噪聲；一階轟鳴音；電磁噪聲；噪聲控制方法

中圖分類號：U469.72 文獻標志碼：A DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20240215

Research on Reducing Electrical Compressor Operation Noise of Electric Vehicle

Liu Zuojun， Li Haipeng， Tian Fei， Wen Jinhui， Wu Dan

（Dongfeng Nissan Passenger Vehicle Technology Center， Guangzhou 510800）

【Abstract】 With the widespread popularity of new energy vehicle models， electrical compressor operation noise is one of the main sources of electric vehicle noise. In order to analyze the mechanism of noise generation and clarify the noise characteristics and main transmission paths， this paper focuses on the study of order noise in electric compressor noise， and summarize the identification and optimization control methods of electric compressor noise based on the sources-path-response analysis model combined with engineering development examples. The research results indicate that： compared to traditional methods such as suppressing the compressor’s vibration force level and optimizing the vibration isolation capability of the transmission path， adopting a speed avoidance control strategy for the electric compressor to control the first-order booming noise is more cost-effective; optimizing and controlling the vibration isolation capability of the mounting brackets for the compressor and cooling fan are key to reducing the perceived amplitude of beat frequency noise inside the vehicle; based on the principle of auditory masking， the acceptance threshold for electromagnetic noise of the electric compressor can be increased by reasonably amplifying the noise of the cooling fan.

Key words： Electrical compressor operation noise， Beat noise， First-order Booming noise， Electromagnetic noise， Noise control method

0 引言

隨著生活水平提升，消費者對于汽車舒適性的期望日益增長，噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise Vibration Harshness，NVH）性能作為衡量舒適性的重要指標，在消費者購車和日常使用決策中占據重要地位。與傳統燃油汽車相比，電動汽車（Electric Vehicle，EV）缺乏發動機噪聲的掩蔽效應，其他機構件的運行噪聲更明顯。其中空調系統部件多、使用工況復雜，且各部件既可單獨運行，也可同時運行，導致空調系統工作噪聲問題日益突顯。在怠速和中低速行駛場景中，空調系統噪聲成為車內、外噪聲抱怨的主要來源。

陳江艷等[1]針對壓縮機、壓縮機支架、車體和車內聲腔模態共振耦合引起的電動壓縮機一階轟鳴音問題進行了研究，通過比對壓縮機臺架和整車安裝狀態的差異，同時結合轟鳴音在車內三排座位上的噪聲值差異表現，明確了壓縮機一階轟鳴音的發生機理為：壓縮機一階振動激勵經實車支架放大后傳遞至車身，致使車身薄壁件共振并與車內聲腔耦合，從而向車內輻射低頻噪聲。譚善明等[2]針對壓縮機激勵，通過動力總成懸置傳遞引起的一階轟鳴音進行了研究，通過降低壓縮機轉速和調整動力總成懸置剛度，從振動源和傳遞路徑上降低了車內轟鳴音水平。趙彤航等[3]針對熱泵空調的高頻電磁輻射噪聲課題進行了研究，提出了聲學包要根據壓縮機輻射噪聲的頻譜特性進行設計，既要考慮聲學材料的中高頻吸聲性能、低頻隔聲性能，也要考慮聲學包材料的環保、耐久和密封等性能要求。

現有研究針對電動壓縮機一階轟鳴音的解決思路傾向于抑制壓縮機振動水平、提升傳遞路徑隔振能力及實現共振解耦。針對壓縮機電磁噪聲問題，則通常采用包裹聲學包隔音罩的方法。上述解決方法雖然能夠在一定程度上改善壓縮機噪聲水平，但均大幅增加開發成本。本文重點針對電動壓縮機噪聲中的階次噪聲問題開展了研究，特別是針對壓縮機一階轟鳴音、拍頻音及電磁噪聲。通過分析發聲機理，明確其噪聲特征和主要傳遞路徑。本研究總結了電動壓縮機噪聲的識別和優化控制方法，提出了一種通過調整空調系統的軟件控制邏輯的低成本解決方案，并通過工程實例驗證了該控制方法的有效性，為解決同類型工程問題提供參考。

1 電動壓縮機一階轟鳴音

1.1 電動壓縮機噪聲分類

EV空調系統的關鍵組件主要包括電動壓縮機、前端散熱風扇、供熱通風空氣調節（Heating， Ventilation and Air Conditioning，HVAC）總成、高低壓配管、電子水泵及其他附件，可以實現調節座艙溫濕度、動力總成散熱以及電池溫控的功能。電動壓縮機是空調系統的核心部件，為了滿足座艙環境調節和整車熱管理的動態需求，電動壓縮機的轉速范圍通常為800～8 000 r/min。由于使用工況復雜、調速范圍寬、激勵頻域廣，電動壓縮機噪聲成為空調系統噪聲的主要來源。根據激勵力產生機理，EV空調系統中的電動壓縮機噪聲主要可分為3個類型：

（1）壓縮機進排氣周期性脈動或動平衡不良引起的一階偏心激勵力，通過壓縮機安裝點傳遞至車體，并與車體薄壁板件、車內聲腔模態發生共振耦合，引發座艙內轟鳴音[4]。由于空調系統工作時，多個旋轉件同步運行，當轉速配列不合理時，易在低頻段引發拍頻噪聲。

（2）壓縮機電磁噪聲主要由壓縮機驅動電機的電磁感應和轉矩波動共同作用引起，以中高頻成分為主，而且表現出明顯的階次分布特征。其階次成分主要為驅動電機的極對數階次及其高階諧次?？紤]到電動動力總成（electrical PowerTrain，e-PT）噪聲同樣以中高頻成分為主，所以整車聲學包在隔絕e-PT總成中高頻噪聲的同時，也可以有效降低座艙內的壓縮機電磁噪聲。但直接通過機艙縫隙輻射至車外的壓縮機電磁噪聲已成為定置工況下EV車外噪聲抱怨的主要來源。

（3）壓縮機旋轉部件異常磨損將導致寬頻機械噪聲的產生，如壓縮機動靜渦盤之間相對運動導致的摩擦噪聲以及壓縮機進排氣閥片撞擊閥板產生的撞擊噪聲。

1.2 噪聲識別及傳遞路徑分析

空調系統旋轉零件主要包括電動壓縮機、散熱風扇、鼓風機以及電子水泵。表1為電動壓縮機一階轟鳴音判斷方法，通過單獨運行法和階次頻率計算，可以快速判斷目標噪聲是否為電動壓縮機一階轟鳴音。

壓縮機一階頻率計算公式為：

[f=R60] （1）

式中：[f]為壓縮機一級頻率，[R]為壓縮機轉速。

表2為EV電動壓縮機轉速控制策略。為了提升空調系統工作效率，EV已普遍采用壓縮機轉速與鼓風機擋位匹配的控制策略。此外，為了保證不同鼓風機擋位下的座艙舒適性，對壓縮機在不同鼓風機擋位下的最高工作轉速進行限制。

總結了e-PT前置前驅車型電動壓縮機的2種典型布置方案，分別為將電動壓縮機布置在e-PT側方和副車架橫梁。表3為電動壓縮機減震層級分析。圖1為電動壓縮機布置類型示意。圖2總結了電動壓縮機一階轟鳴音的主要傳遞路徑。

1.3 轟鳴音控制方法

結合源-路徑-響應分析模型，可從源和傳遞路徑2個方面控制壓縮機一階轟鳴音水平。

（1）激勵源（壓縮機一階激勵）。首先通過控制壓縮機進排氣制冷劑脈動和動平衡量，有效降低壓縮機一階振動激勵。其次，優化壓縮機的安裝狀態，提高壓縮機本體和壓縮機支架模態頻率至350 Hz以上（超過一階、二階激勵頻段的[2]倍以上），提高壓縮機安裝點動剛度，規避設計缺陷導致的壓縮機本體共振[4]。

（2）傳遞路徑。在電動壓縮機布置方面，優化傳遞路徑的關鍵在于提高系統隔振能力。若電動壓縮機布置于e-PT總成，減振功能主要由e-PT懸置和底盤懸架襯套承擔，e-PT橡膠懸置的動剛度性能主要體現在500 Hz以上頻段，中低頻段隔振性能差，因此需要重點關注懸架襯套在200 Hz以內的減震性能。若電動壓縮機布置于底盤橫、縱梁，可采用壓縮機二級減震支架彌補單層減震支架隔振不足，考慮2個二級減震支架系統存在2個系統共振頻率，需要做好2個系統共振頻率與壓縮機一階激勵頻段的共振避頻。此外，選擇合適的壓縮機工作轉速也是實現共振解耦的重要手段；通過壓縮機臺架轉速掃頻測試獲得一階振動激勵數據，避免選用一階振動激勵出現明顯峰值的轉速段；結合整車噪聲傳遞函數（Noise Transfer Function，NTF）數據和車體板件、前風擋或天窗玻璃、車內聲腔模態頻率信息，合理選用壓縮機轉速以規避共振耦合發生。

1.4 案例分析

在怠速空調制冷工況條件下，針對某EV車內噪聲問題進行分析。車外環境為30 ℃，車內溫度設置為25 ℃，空調系統處于吹面模式和外循環狀態。當鼓風機由2擋切換至3擋，車內出現持續轟鳴音，主觀判斷為不可接受水平

（1）鎖定故障部件。數據監控表明，壓縮機轉速為2 400 r/min，通過單獨運行法和階次頻率計算，確認該轉速下存在壓縮機一階轟鳴音。該車空調系統在不同鼓風機擋位下，設定了壓縮機最高轉速限制。在鼓風機3擋工況下，壓縮機轉速工作范圍為2 000～3 000 r/min。如圖4所示，使用外部控制裝置對壓縮機進行2 000～3 000 r/min轉速掃頻，發現在2 200～2 600 r/min轉速區間內（對應一階頻率范圍為36.7～43.3 Hz），壓縮機一階轟鳴音為明顯抱怨水平。

（2）傳遞路徑分析。對壓縮機一階轟鳴音傳遞路徑分析中發現在2 300～2 600 r/min轉速區間內，膨脹閥本體振動和制冷劑脈動水平相比于其他轉速段無明顯變化。斷開空調高低壓管路與車體固定支架的連接，發現轟鳴音無明顯變化，據此可排除空調管路振動和管路脈動傳遞風險。斷開壓縮機與e-PT連接螺栓，車內轟鳴音降低至可接受水平。據此可以明確轟鳴音傳遞路徑為：壓縮機一階振動→ePT→前副車架→車體→車內一階轟鳴音。

（3）發生機理。表4對比了電動壓縮機在2 100 r/min和2 400 r/min轉速下，轟鳴音傳遞路徑上各測點的一階頻率峰值。結果表明，激勵源和傳遞路徑無明顯突變，而響應側發生明顯振動惡化。仿真結果顯示，前風擋玻璃上部共振頻率為40.6 Hz，全景天窗前部共振頻率為40.3 Hz，中控臺橫梁共振頻率為39.5 Hz，均處于轟鳴音不可接受轉速段對應的一階頻段之內。據此可知轟鳴音誘發原因為壓縮機一階激勵與上述部件模態頻率發生共振耦合，導致車體振動惡化，并向車內輻射低頻噪聲。

（4）對策方案及可行性評估。結合源-路徑-響應模型，對轟鳴音對策方案及其可行性進行分析，表5展示了詳細的分析結果。

綜合考慮對策效果、成本變更及技術實現可行性，最終選定調整電動壓縮機控制程序的對策方案。鼓風機3擋工況下，壓縮機避開使用2 200～2 600 r/min轉速段，可避免壓縮機一階轟鳴音抱怨。

2 壓縮機和散熱風扇拍頻音

2.1 拍頻發生機理及控制方法

拍頻現象是指2個振幅和頻率相近的簡諧信號疊加，其合成信號的振幅將發生周期性的強弱變化。假設有簡諧信號[x1]和[x2]，則[x1]和[x2]的表達式為：

[x1（t）=A1cos （ω1t+φ1）] （2）

[x2（t）=A2cos （ω2t+φ2）] （3）

式中：[A1]、[A2]為信號幅值，[t]為時間，[ω1]、[ω2]為信號變化周期，[φ1]、[φ2]為信號初始相位。

則由信號[x1]和[x2]合成信號[x0t]表述為：

[x0t=A0cos ω1+ω2t+φ1+φ22] （4）

式中：[A0]為合成信號幅值，[A0]具體表述為：

[A0=A12+A22+2A1A2cos ω2-ω1t+φ2-φ1] （5）

合成信號幅值[A0]的變化周期為[ω2-ω1]，合成信號幅值的峰值為[A2+A1]，谷值為[A2-A1]，幅值在峰值和谷值之間明顯的強弱變化為拍頻。

空調系統的旋轉部件包括電動壓縮機、散熱風扇、鼓風機以及電子水泵。由于電動壓縮機與散熱風扇功率明顯高于鼓風機和電子水泵，其一階振幅更大。因此，拍頻音容易發生在電動壓縮機和散熱風扇之間，其一階振動通過安裝支架傳遞至車架及車身結構，導致車內薄壁板件及內飾覆蓋件發生拍振，并輻射拍頻噪聲。

拍頻頻率計算公式為：

[f=R-R160] （6）

式中：[f]為拍頻音的變化頻率，[R1]為風扇轉速。

如表6所示，通過單獨運行法可以明確一階拍頻音發生對象是否為電動壓縮機一階振動和散熱風扇一階振動。

2.2 拍頻音控制方法

根據式（5）的理論分析，可以從擴大頻率間隔和控制振幅水平2個維度控制拍頻音。

（1）擴大轉頻間隔。結合人體對于低頻信號的敏感性，當2個拍頻對象的轉頻間隔>5 Hz時，即電動壓縮機和散熱風扇的轉速間隔>300 r/min時，拍頻感明顯消失。

（2）控制振幅水平。降低拍頻對象的轉速或不平衡值，可以降低2個拍頻件的一階振幅，從而降低拍頻合成信號的幅值。此時拍頻現象雖然存在，但拍頻感明顯減弱，舒適性得到改善。調整2個拍頻部件的轉速或不平衡量值來改變其一階振幅水平，增加2個拍頻部件的一階振幅差值，此時合成信號幅值的峰值和谷值無明顯差異，拍頻感得到改善。

2.3 案例分析

某EV車型在怠速制冷工況下，鼓風機設定為3擋，壓縮機工作轉速為2 300 r/min，散熱風扇采用脈沖寬度調制電路（Pulse Width Modulation，PWM）控制，風扇轉速2 340 r/min（占空比為80%），空調水泵轉速1 600 r/min（占空比為65%）。如圖5所示，車內出現強弱交替變化的嗡嗡音，變化周期為0.7 Hz。

2.3.1 要因鎖定

結合表5所示拍頻音識別方法，明確該拍頻音發生對象為壓縮機一階振動與散熱風扇一階振動，表7為拍頻音階次計算結果。

2.3.2 對策方案及可行性分析

（1）擴大拍頻間隔方案不可行性分析。該車型空調系統在不同鼓風機擋位下，限定了壓縮機最高轉速。以鼓風機3擋為例，壓縮機轉速最高限值為3 000 r/min。實際運行中，壓縮機實際轉速會根據負載需求在2 000～3 000 r/min區間內實時調整?？紤]到該車型壓縮機常用轉速段為800～8 000 r/min，散熱風扇設計工作轉速范圍為1 000～2 600 r/min，兩者始終存在轉速重疊區域。因此，通過擴大壓縮機和風扇轉速間隔規避拍頻音的方案不可行。

（2）降低壓縮機一階振幅方案不可行性分析。電動壓縮機采用金屬支架與e-PT進行直接硬連接安裝，該支架不具備減振功能。為降低車體側壓縮機一階振動輸入，必須通過調整壓縮機動平衡值減低壓縮機本體一階振幅。然而，該款壓縮機動不平衡量的降低空間有限，且調整動平衡量值可能導致成本上升和生產不良率提高。

（3）降低散熱風扇一階振幅方案可行性分析。如圖6所示，散熱風扇懸置車體端的一階振幅基本隨風扇轉速呈線性變化。在確保散熱需求的前提下，為降低散熱風扇在懸置車體側的一階振幅水平，采取改進措施如下：風扇轉速由2 340 r/min降低至2 200 r/min；風扇動不平衡值由35 g·mm降低至25 g·mm；將風扇安裝點的橡膠懸置硬度由60 HA降低至50 HA。同時采用以上措施，散熱風扇懸置車體端一階振幅降低了14 dB，改善效果明顯。

2.3.3 效果驗證

對策方案實施后，散熱風扇懸置車體端一階振幅降低，其振幅水平與電動壓縮機一階振幅差值增大，如圖7所示，拍頻音得到明顯改善。

3 車外壓縮機電磁噪聲

3.1 電磁噪聲典型特征

圖8為某款電動壓縮機的噪聲臺架測試數據，壓縮機電磁噪聲呈現出2個典型特征：電磁噪聲呈現明顯的階次特征；以中高頻階次成分為主[5]。

3.2 電磁音控制方法

為降低車外場景下的壓縮機電磁噪聲抱怨，可采取以下2個方面措施。

（1）降低電磁輻射噪聲的量級水平。如表8所示，座艙制冷、電池溫控、噪聲控制等多個性能對壓縮機轉速需求存在沖突。為了確保座艙制冷和電池溫控性能需求，電動壓縮機需保持較高工作轉速。在此條件下，通過加裝電動壓縮機外殼隔音罩，可以有效降低壓縮機電磁噪聲的整體幅值。工程實踐表明，采用多層材料隔音罩（圖9），可以降低壓縮機輻射噪聲總量級（OverAll，OA）3～5 dB。

（2）降低電磁噪聲階次成分突出量。由頻譜特性可以看出，壓縮機電磁噪聲呈現離散多階次的中高頻特征，而散熱風扇噪聲以中低頻為主，且呈現寬頻特征?？紤]低頻噪聲對高頻噪聲的聽覺掩蔽效應[6]，可以將散熱風扇噪聲作為掩蔽音，壓縮機電磁噪聲作為被掩蔽音，通過調整壓縮機和散熱風扇的轉速組合，在壓縮機電磁噪聲階次頻段分量上，控制掩蔽音和被掩蔽音的差值，提升乘客對壓縮機電磁音的接受度閾值。

4 結束語

本文對EV車電動壓縮機的典型噪聲問題進行分析，從噪聲機理入手，提煉和總結了電動壓縮機一階轟鳴音、壓縮機-散熱風扇拍頻音和壓縮機電磁音的典型特征，結合激勵源-路徑-響應分析模型和實車案例，總結了噪聲識別和優化控制方法，為解決類似問題提供了可借鑒的思路。

（1）針對電動壓縮機一階轟鳴音，由于車體薄壁板件、車內聲腔、前風擋或天窗玻璃等部件的模態頻率處于電動壓縮機常用工作轉速對應的一階激勵頻段之內，從對策效果、成本變更和副Bxyf1zv1HGxR7elH7xpiRizBBE+djB4+hpQJEI9uUOM=作用影響等因素來看，使用電動壓縮機轉速避讓的控制策略，比采用降低壓縮機本體一階激勵水平和提升傳遞路徑隔振性能的傳統方案更具有性價比。

（2）為了提升空調系統工作效率，EV已普遍使用壓縮機轉速與鼓風機擋位匹配，并限制每個鼓風機擋位下壓縮機最高轉速的控制策略。在該策略下，散熱風扇工作轉速始終會和某一鼓風機擋位下的壓縮機工作轉速區域重疊。因此，控制電動壓縮機、散熱風扇拍頻音的關鍵，在于優化和控制壓縮機和散熱風扇安裝支架的隔振能力，降低車內拍頻感幅度。

（3）本文總結了電動壓縮機電磁輻射噪聲的2種控制思路，即通過盡可能降低電動壓縮機工作轉速和增加隔音罩，降低電磁輻射噪聲的絕對值水平。同時可以結合聲學掩蔽效應原理，以散熱風扇的中低寬頻噪聲作為掩蔽背景，通過合理增大散熱風扇噪聲，可以提升顧客對于電動壓縮機電磁噪聲的接受閾值。

參 考 文 獻

[1] 陳江艷， 賀巖松， 陳遠政. 電動汽車低頻轟鳴聲故障診斷與改進[J]. 振動.測試與診斷， 2023， 43（2）： 343-348

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[3] 趙彤航， 王俊光， 田蜀東， 等. 混合動力轎車熱泵系統NVH控制技術研究[J]. 汽車工程， 2024， 46（2）： 337-345.

[4] 陳江艷， 楊誠. 電動汽車空調系統異響分析與評價[J]. 2023， 42（1）： 68-74.

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（責任編輯 梵玲）