我國氫燃料電池汽車技術起步較晚，但發(fā)展迅速：2020年7月廣汽發(fā)布了首款氫燃料電池汽車Aion LX FuelCell；2021年3月長城汽車推出車規(guī)級“氫動力系統(tǒng)”全場景解決方案——氫檸技術；2022年1月奇瑞汽車推出基于艾瑞澤5的氫燃料電池汽車；2022年4月長安汽車發(fā)布“深藍”品牌首款車型，并將提供燃料電池版本，預計2022年第二季度上市；2022年北京冬奧會，吉利、宇通、福田等車企提供氫燃料電池汽車參與服務。

 

近兩年來，從車企的戰(zhàn)略布局，國家相關政策出臺，以及國內外對于氫燃料電池的技術革新，昭示著氫燃料電池汽車未來將迎來較大的發(fā)展，而NVH作為汽車性能優(yōu)劣的重要一環(huán)，同樣有提前入局的必要。汽車NVH指噪聲、震動與聲震粗糙度，這是衡量汽車制造質量的一個綜合性指標，帶給汽車用戶的是主觀和表面的感受。車的NVH問題是國際汽車業(yè)各大整車制造企業(yè)和零部件企業(yè)關注的問題之一。

 

1、氫燃料電池技術簡介

 

燃料電池按照其應用電解質的類型可以分為：堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）以及質子交換膜燃料電池（PEMFC）。汽車工業(yè)通常使用質子交換膜燃料電池（PEMFC），這種燃料電池具有工作溫度低、能量密度高、轉化率高等優(yōu)點。同時，燃料電池成本高、質子交換膜技術含量高、生產(chǎn)難度大、使用壽命短等缺點是制約燃料電池發(fā)展的重要因素。

 

質子交換膜燃料電池（PEMFC）本質上是燃料的氧化還原反應，如圖2所示：氫氣進入燃料電池陽極，并在催化劑的作用下反應生成電子、氫離子，氧氣進入燃料電池陰極反應得到電子、氧離子。氫離子穿過質子交換膜到達電池陰極，并與陰極的氧離子反應生成純凈水，此過程中，電子通過外部電路產(chǎn)生電流。

 

質子交換膜燃料電池（PEMFC）發(fā)電原理

 

2、氫燃料電池汽車NVH特性研究現(xiàn)狀及控制

 

與傳統(tǒng)燃油汽車不同，燃料電池的動力總成并非發(fā)動機，因此燃料電池的噪聲級整體較小。但同時由于燃料電池動力總成系統(tǒng)噪聲非常復雜且不具備傳統(tǒng)發(fā)動機噪聲的線性度以及掩蔽效應，乘客對于燃料電池汽車的主觀感受并不優(yōu)于傳統(tǒng)燃油汽車。

 

燃料電池車的動力總成主要包括：空氣輔助系統(tǒng)、氫氣輔助系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、驅動電機系統(tǒng)、電池反應堆等幾部分，如圖3所示。噪聲源發(fā)生了變化，由此產(chǎn)生的NVH問題特性有別于傳動燃油汽車。例如，排氣系統(tǒng)由于缺少發(fā)動機階次噪聲，流噪成為排氣噪聲主要貢獻成分[3]。

 

燃料電池汽車動力總成

 

目前，針對燃料電池汽車的NVH問題研究取得了一些成果，但整體研究不夠深入、廣泛，沒有形成一套類似于傳統(tǒng)燃油汽車的振動噪聲問題控制方法。文章結合相關論文對氫燃料電池汽車空氣輔助系統(tǒng)、氫氣噴射系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)的NVH問題進行了梳理，希望大家從中能夠有所收獲。

 

2.1、空氣輔助系統(tǒng)

 

空氣輔助系統(tǒng)主要包括空壓機、空濾器、增濕器、中冷器、消聲器、管道等，主要為燃料電池提供足夠多的清潔壓縮空氣，空氣供給量隨著汽車行駛工況變化，與驅動電機輸出功率直接相關。空氣輔助系統(tǒng)是燃料電池汽車噪聲主要組成成分，分為氣動噪聲、結構噪聲兩部分。

 

氣動噪聲主要由空壓機工作時造成的壓力波動產(chǎn)生，空壓機在工作時轉速較高，導致輔助系統(tǒng)中產(chǎn)生高頻、高能量的氣動噪聲成分，主觀感受尖銳、刺耳，嚴重影響汽車聲品質。空氣壓縮機目前主要有羅茨式、雙螺桿式、離心式三種型式，如圖4所示，其中離心式結構緊湊、整體輻射噪聲能量相對較低，但高頻、寬頻氣流噪聲問題仍顯著存在。對于氣動噪聲的控制通常從空濾器、空壓機、消聲器三部分進行。

 

對于空壓機氣動噪聲控制，石川哲平等通過調整空壓機結構，配比階次噪聲，使空壓機噪聲主觀感受更為舒適。

 

空濾器是降低進氣噪聲最有效的手段之一，由于空氣中的顆粒物會堵塞質子交換膜，雜質氣體（SO2、NH3、NOx 等）會造成催化劑中毒，氫燃料電池汽車的空濾器與傳統(tǒng)燃油汽車的空濾器不同，包含紙質濾芯以及活性炭濾芯兩層過濾裝置，如圖6所示。

 

此外，由于燃料電池汽車氣動噪聲具有寬頻、中高頻噪聲為主的特點，通常使用多孔消聲器消除空壓機寬頻帶氣動噪聲。左曙光等人設計了一款在2000Hz——3500Hz有較好消聲效果的微穿孔消聲器，解決了空壓機1000r/min——3800r/min轉速范圍內噪聲大的問題，如圖所示：

 

微穿孔消聲器結構示意

 

微穿孔消聲器傳遞損失

 

空壓機的振動特征主要集中在中、高頻范圍，針對空壓機結構噪聲問題，石川哲平等通過將空壓機與變速箱剛性連接，利用動力總成懸置系統(tǒng)低頻振動特性，達到抑制空壓機結構噪聲的目的，如圖所示，在變速箱側使用三個橡膠隔振墊降低振動傳遞：

 

驅動電機總成懸置配置

 

2.2、氫氣噴射系統(tǒng)

 

燃料電池系統(tǒng)中，氫氣通過噴射系統(tǒng)進入電池陰極參與反應，噴射系統(tǒng)通過支架安裝在汽車底盤，供氫管道通過卡扣與車身連接，由于噴射系統(tǒng)存在較為穩(wěn)定的噴射，因此可能產(chǎn)生結構噪聲。葉勝望等對某款燃料電池汽車的氫燃料噴射噪聲進行了相關分析，對比車內噪聲頻譜與氫燃料噴射系統(tǒng)振動頻譜較為一致，如圖所示，確定噪聲是由氫燃料噴射系統(tǒng)產(chǎn)生，經(jīng)研究認為該噪聲問題管道氣流引起，通過加裝消聲器的方案，解決該噪聲問題：

 

氫燃料噴射系統(tǒng)引發(fā)車內噪聲問題分析

 

2.3、排氣系統(tǒng)

 

氫燃料電池排氣系統(tǒng)噪聲，包括空壓機噪聲、各閥體（氫氣、空氣等）產(chǎn)生的泄氣噪聲、流體噪聲等[6]。排氣系統(tǒng)除了降噪功能外，還負責把化學反應產(chǎn)生的水蒸氣及時排出。由于排氣系統(tǒng)需要利用空壓機產(chǎn)生的高壓氣體將水蒸氣最大限度吹出，因此排氣系統(tǒng)在設計時應盡量采用低壓損設計，通常會將排氣系統(tǒng)設計為直管形式，并使用較大的管路內徑。此外，氫燃料電池系統(tǒng)排出的水在低于80°C下存在大量的水蒸氣和液態(tài)水，該成分會造成排氣系統(tǒng)內部積水問題，引起長時間使用的霉變和生銹問題，在設計排氣系統(tǒng)時，會留有較大的漏水孔。