許向國(guó)， 付 娜

(中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

0 引 言

2022年3月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》，氫能是未來(lái)國(guó)家能源體系的重要組成部分。

助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，深入推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命。可見(jiàn)，統(tǒng)籌規(guī)劃、整體布局氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，既是能源綠色低碳專(zhuān)項(xiàng)的重要抓手，也為碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供了有力支撐。

發(fā)展車(chē)用氫能產(chǎn)業(yè)是促進(jìn)清潔能源體系構(gòu)建和汽車(chē)強(qiáng)國(guó)建設(shè)的重要途徑，氫燃料電池汽車(chē)是一種用車(chē)載燃料電池裝置產(chǎn)生的電力作為動(dòng)力的汽車(chē)[1]。隨著人們對(duì)汽車(chē)乘坐舒適性要求的提高，汽車(chē)的噪聲控制日益受到人們的重視。目前，對(duì)汽油車(chē)、柴油車(chē)噪聲問(wèn)題已經(jīng)采取了行之有效的控制措施，而燃料電池汽車(chē)噪聲源識(shí)別與測(cè)試優(yōu)化還有待提高。梁曉燕等研究了燃料電池汽車(chē)空氣進(jìn)氣噪聲測(cè)試方法，葉勝望[2]等研究了氫噴射系統(tǒng)的噪聲與優(yōu)化，前期研究多集中在子系統(tǒng)噪聲測(cè)試與優(yōu)化，在整個(gè)燃料電池系統(tǒng)集成后的噪聲測(cè)試方法上沒(méi)有研究，因此以燃料電池系統(tǒng)為研究對(duì)象，著重對(duì)燃料電池系統(tǒng)噪聲源進(jìn)行分析，通過(guò)研究測(cè)試方法進(jìn)行噪聲試驗(yàn)及驗(yàn)證，準(zhǔn)確測(cè)定燃料電池系統(tǒng)的噪聲。

1 燃料電池系統(tǒng)主要噪聲源

燃料電池系統(tǒng)主要由燃料電池電堆、控制子系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)、DC/DC變換器等幾大部分組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。燃料電池電堆本身的電能轉(zhuǎn)化非常安靜，但維持燃料電池電堆的正常運(yùn)行需要一套復(fù)雜的供氣、排氣、冷卻保障系統(tǒng)。這些保障系統(tǒng)產(chǎn)生了振動(dòng)和噪聲，主要是空氣供應(yīng)子系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)、氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)中的氫氣循環(huán)泵、排氣噪聲、固定部件振動(dòng)噪聲等[3-6]。因此，在燃料電池系統(tǒng)研發(fā)中的噪聲識(shí)別和控制問(wèn)題成為了科研人員面臨的一個(gè)新難。

圖1 燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1.1 空氣供應(yīng)子系統(tǒng)噪聲

氫燃料電池汽車(chē)的進(jìn)氣存在噪聲問(wèn)題。燃料電池系統(tǒng)中的空氣供應(yīng)子系統(tǒng)是將具有一定壓力、流量以及濕度的空氣供應(yīng)給燃料電池堆[7]。通?？諝夤?yīng)子系統(tǒng)主要由空氣濾清器、空氣壓縮機(jī)、中冷器、增濕器、消聲元器件、調(diào)節(jié)閥及連接管理件等組成。噪聲源主要來(lái)源于空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高頻噪聲；空氣壓縮機(jī)不斷擠壓或者高速旋轉(zhuǎn)空氣過(guò)程中壓力波產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲；高流速空氣流過(guò)進(jìn)氣口以及排氣口時(shí)的渦流噪聲[8-9]。另外，空壓機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)泵體和電機(jī)也會(huì)產(chǎn)生較大的機(jī)械振動(dòng)噪聲。

針對(duì)空氣供應(yīng)子系統(tǒng)的噪聲來(lái)源，降噪措施包括：優(yōu)化主噪聲源（空壓機(jī)）的懸掛位置；優(yōu)化空氣管路結(jié)構(gòu)，減少氣體渦流的形成；在進(jìn)排氣口加裝消聲器；在噪聲源外加隔音材料等[10-11]。

1.2 氫氣子供應(yīng)系統(tǒng)噪聲

氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)的作用是持續(xù)將高純度的、具有一定流量和壓力的氫氣提供給燃料電池堆。氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)氫系統(tǒng)、減壓閥、壓力調(diào)節(jié)閥、氫氣循環(huán)泵、加濕器、汽水分離器及氫氣尾排閥等[12]。氫氣子系統(tǒng)噪聲來(lái)源主要是氫氣循環(huán)泵工作噪聲，主要是扇葉高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械聲、進(jìn)口及出口氫氣流動(dòng)產(chǎn)生的渦流聲、氫氣循環(huán)泵工作時(shí)與支架產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲等[13]。另外，管道內(nèi)高壓氫氣的流噪聲以及噴氫本體電磁閥開(kāi)關(guān)閉合也會(huì)引起噪聲。

針對(duì)氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)的噪聲，降噪措施主要有：修改氫氣循環(huán)泵橡膠彈性支架剛度特性，降低振動(dòng)以達(dá)到降噪；在電控噴氫閥前后加裝消聲裝置[14]。

1.3 冷卻系統(tǒng)噪聲

冷卻系統(tǒng)散熱風(fēng)扇噪聲發(fā)生的原因是空氣的渦旋流動(dòng)所致，因此出現(xiàn)了頻率范圍較寬的壓力波動(dòng)[15]。這種寬頻帶噪聲其有一個(gè)圍繞某個(gè)頻率的較寬峰值的特征，它是風(fēng)扇葉片在這個(gè)頻率下由空氣掠過(guò)風(fēng)扇或風(fēng)扇電機(jī)支撐或風(fēng)扇保護(hù)罩上筋條所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)件而產(chǎn)生的。散熱風(fēng)扇一般和車(chē)輛其他系統(tǒng)共用，所以燃料電池系統(tǒng)噪聲測(cè)試時(shí)可不考慮散熱風(fēng)扇的噪聲

2 燃料電池系統(tǒng)噪聲測(cè)試方法

燃料電池系統(tǒng)帶載噪聲測(cè)試方法現(xiàn)目前無(wú)統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，各大系統(tǒng)廠商大多參照的內(nèi)燃機(jī)或是變壓器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)只測(cè)空壓機(jī)或者是氫氣循環(huán)泵，若是對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行帶載噪聲測(cè)試則對(duì)測(cè)試涉氫環(huán)境提出了需求，需對(duì)半消音室進(jìn)行涉氫改造，工序復(fù)雜，造價(jià)昂貴。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出一種高?？尚泻秃?jiǎn)易現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行帶載噪聲測(cè)試。

本實(shí)驗(yàn)采用燃料電池系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行帶載測(cè)試，按照制造商建議的起動(dòng)步驟起動(dòng)燃料電池系統(tǒng)，測(cè)量燃料電池系統(tǒng)在怠速狀態(tài)、50%額定功率和額定功率工況下的噪聲值。噪聲測(cè)試時(shí)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)模擬整車(chē)狀態(tài)（包括布置、連接），同時(shí)噪音測(cè)試過(guò)程中，燃料電池系統(tǒng)可增加進(jìn)氣消音器、排氣消音器、降噪包裹材料等能在整車(chē)上實(shí)施的降噪措施。

本試驗(yàn)采用聲壓級(jí)測(cè)量值表示燃料電池系統(tǒng)的噪聲水平。測(cè)試設(shè)備符合GB/T 3785的規(guī)定的Ⅰ型聲級(jí)計(jì)，試驗(yàn)前、后均采用精度優(yōu)于±0.5 dB的聲校準(zhǔn)器對(duì)該設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。聲級(jí)計(jì)是一種能得到客觀的、可重復(fù)測(cè)量聲壓級(jí)的儀器，包括傳聲器、處理單元和讀數(shù)單元。

2.1 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)是在一個(gè)反射面之上的近似自由場(chǎng)。理想的試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)是使測(cè)量表面位于一個(gè)基本不受鄰近物體或該環(huán)境邊緣反射的聲場(chǎng)內(nèi)。因此，反射物體（支撐面除外）應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離基準(zhǔn)體，且應(yīng)比測(cè)量表面在其上的投影大。此外，在有反射面的情況下，可用吸聲板來(lái)改善試驗(yàn)環(huán)境[16]。

2.2 傳聲器布置

噪聲測(cè)量時(shí)，應(yīng)先確定基準(zhǔn)體和測(cè)量距離以確定測(cè)量表面并布置傳聲器位置。測(cè)量距離d可以在0.1 ～1 m之間選擇。測(cè)量表面與墻面和天花板的距離應(yīng)≥0.5 m，傳聲器布置為5個(gè)測(cè)試位點(diǎn)，布置位置示意圖如圖2所示。本次測(cè)試d取值為0.3 m[16]。

圖2 基準(zhǔn)體、測(cè)量表面和傳聲器位置示意圖[16]

2.3 環(huán)境與背景噪聲的影響

考慮到常規(guī)實(shí)驗(yàn)室背景噪聲比較大，本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證通過(guò)增加隔聲材料的方式降低實(shí)驗(yàn)室的背景噪聲，使被測(cè)系統(tǒng)的噪聲與背景噪聲的差值大于10 dB[17]。

但實(shí)際的試驗(yàn)環(huán)境與理想的自由場(chǎng)環(huán)境有明顯不同，實(shí)驗(yàn)室的地面、墻壁、測(cè)試臺(tái)架等會(huì)反射聲波對(duì)試驗(yàn)品所發(fā)出的聲波進(jìn)行干擾，從而導(dǎo)致駐波的出現(xiàn)，影響聲級(jí)測(cè)量準(zhǔn)確性。在本實(shí)驗(yàn)中同步引入環(huán)境修正系數(shù)K來(lái)消除實(shí)驗(yàn)室邊界或鄰近物體的反射產(chǎn)生的影響，環(huán)境修正值K考慮了不希望出現(xiàn)的試驗(yàn)室邊界或鄰近試品的反射物所產(chǎn)生的聲反射的影響，K值主要取決于實(shí)驗(yàn)室吸聲面積A對(duì)測(cè)量表面積S的比值，環(huán)境修正系數(shù)K的最大允許值為7 dB[18]。

環(huán)境修正系數(shù)K計(jì)算公式如下：

式中：K——環(huán)境修正值，dB；

A——實(shí)驗(yàn)室的吸聲面積，m2；

α——平均吸聲系數(shù)；

SV——實(shí)驗(yàn)室（墻壁、天棚和地面）的總表面積，m2；

S——被測(cè)樣品表面面積，m2；

h——被測(cè)樣品高度，m；

lm——輪廓線周長(zhǎng)，m。

測(cè)量背景噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果影響時(shí)，聲級(jí)計(jì)所處的位置和實(shí)際測(cè)試時(shí)的位置相同。在試驗(yàn)前和試驗(yàn)后分別測(cè)量出背景噪聲的平均聲壓級(jí)。

式中：M——測(cè)試點(diǎn)總數(shù)；

LbgAi——各測(cè)試點(diǎn)上測(cè)得的背景噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

式中：N——測(cè)點(diǎn)總數(shù)；

LpAi——各測(cè)試點(diǎn)上測(cè)得的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。

其中LbgA為測(cè)試前后兩個(gè)計(jì)算出的背景噪聲平均A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)中的較小者，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)接受準(zhǔn)則

2.5 典型燃料電池系統(tǒng)噪聲測(cè)試結(jié)果

參照T/CECA-G0125-2021 T/CSTE 0121-2021《“領(lǐng)跑者”標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)要求 車(chē)用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)》圖體標(biāo)準(zhǔn)[19-20]規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)。選取某款額定功率為110 kW的國(guó)產(chǎn)燃料電池系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)試，分別測(cè)量怠速狀態(tài)、50%額定功率和額定功率工況下燃料電池系統(tǒng)噪聲和背景噪聲，樣品參數(shù)信息詳見(jiàn)表2。

表2 樣品參數(shù)信息

試驗(yàn)室長(zhǎng)2.9 m，寬2.7 m，高1.9 m，其平均吸聲系數(shù)α為0.35。樣品規(guī)定輪廓線高度lm為5.42 m。因此：

實(shí)驗(yàn)室總面積：SV=2×（2.9×2.7+2.9×1.9+2.7×1.9）=36.94 m2。

測(cè)量表面的面積：S=1.25×5.42×0.65=4.40 m2。

環(huán)境修正系統(tǒng)（必須≤7 dB）：K=3.73 dB。

簡(jiǎn)易測(cè)試法測(cè)試流程：按照?qǐng)D2的方式將待測(cè)樣品放入試驗(yàn)室中央，另將傳聲器布置在待測(cè)樣品5個(gè)面，距離待測(cè)樣品0.3 m。試驗(yàn)前在不起動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的狀態(tài)下先測(cè)試背景噪聲，然后按照制造商建議的起動(dòng)步驟起動(dòng)燃料電池系統(tǒng)，燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)后，在怠速狀態(tài)下持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行10 min，再按照制造商規(guī)定的加載方式加載到50%額定功率及額定功率狀態(tài)，分別穩(wěn)定運(yùn)行10 min，記錄燃料電池系統(tǒng)在怠速狀態(tài)、50%額定功率、額定功率過(guò)程中的噪音最大值，試驗(yàn)結(jié)束20 min后測(cè)試環(huán)境背景噪聲值。噪音測(cè)試過(guò)程中盡量避免暫停或中斷，時(shí)間平均聲壓級(jí)的測(cè)量時(shí)間間隔至少10 s，最好20 s或更長(zhǎng)。

試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)記錄及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄dB

在試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試監(jiān)控表明空氣系統(tǒng)的空壓機(jī)、氫氣系統(tǒng)的氫泵、水熱管理系統(tǒng)的水泵等是燃料電池系統(tǒng)的主要噪聲源。為驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果的可靠性，將其與在半消音室測(cè)試環(huán)境條件下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果基本一致，表明測(cè)試結(jié)果的有效性，對(duì)比數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)對(duì)比dB

3 結(jié)束語(yǔ)

研究了汽車(chē)用燃料電池系統(tǒng)的噪聲來(lái)源及其測(cè)試方法，提出了燃料電池系統(tǒng)高效和簡(jiǎn)易的現(xiàn)場(chǎng)帶載噪聲測(cè)試方法，針對(duì)環(huán)境與背景噪聲的影響，提出引入環(huán)境修正系數(shù)K來(lái)消除實(shí)驗(yàn)室邊界或鄰近物體的反射產(chǎn)生影響的解決方案，并對(duì)該方法的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某款燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行噪聲測(cè)試，驗(yàn)證了本測(cè)試方法的有效性和準(zhǔn)確性。

簡(jiǎn)易測(cè)試方法的提出有效簡(jiǎn)化了對(duì)涉氫半消音室的需求，可快速準(zhǔn)確地建立燃料電池系統(tǒng)噪音測(cè)試方法，提升測(cè)試效率。本研究對(duì)建立燃料電池系統(tǒng)噪聲測(cè)試國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和燃料電池汽車(chē)噪聲設(shè)計(jì)等提供有效的參考。