氢燃料电池汽车NVH技术现状及展望

引言

氢气作为火箭发动机的液体燃料想必大家并不陌生，囿于其制造、储存、应用的成本较高，氢能“民用化”进程在过去的百年里走走停停，始终没有大范围应用。而随着全球变暖问题愈演愈烈，各国都在寻求降低碳排放的方法，氢燃料顺势成为热点，2020年欧盟发布《欧盟氢能战略》，同年美国发布《氢能计划发展规划》，2022年3月，国家发展和改革委员会发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，该规划指出为助力实现碳达峰、碳中和目标，深入推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，要促进氢能产业高质量发展^[1]。而汽车工业作为氢能源的主要“集散地”之一，未来可期。

汽车工业对于氢能源的使用主要分为氢燃料电池、氢气发动机两种途径。氢燃料电池技术因上世纪70年代“石油危机”获得契机，迎来快速发展。2014年丰田公司率先推出燃料电池汽车MARIA，此后，宝马、本田、现代等车企也相继推出该领域相关产品，如图1所示。我国氢燃料电池汽车技术起步较晚，但发展迅速：2020年7月广汽发布了首款氢燃料电池汽车Aion LX FuelCell；2021年3月长城汽车推出车规级“氢动力系统”全场景解决方案——氢柠技术；2022年1月奇瑞汽车推出基于艾瑞泽5的氢燃料电池汽车；2022年4月长安汽车发布“深蓝”品牌首款车型，并将提供燃料电池版本，预计2022年第二季度上市；2022年北京冬奥会，吉利、宇通、福田等车企提供氢燃料电池汽车参与服务。近两年来，从车企的战略布局，国家相关政策出台，以及国内外对于氢燃料电池的技术革新，昭示着氢燃料电池汽车未来将迎来较大的发展，而NVH作为汽车性能优劣的重要一环，同样有提前入局的必要。

氢燃料电池汽车NVH技术

1、氢燃料电池技术简介

燃料电池按照其应用电解质的类型可以分为：碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）以及质子交换膜燃料电池（PEMFC）。汽车工业通常使用质子交换膜燃料电池（PEMFC），这种燃料电池具有工作温度低、能量密度高、转化率高等优点。同时，燃料电池成本高、质子交换膜技术含量高、生产难度大、使用寿命短等缺点是制约燃料电池发展的重要因素^[2]。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）本质上是燃料的氧化还原反应，如图2所示：氢气进入燃料电池阳极，并在催化剂的作用下反应生成电子、氢离子，氧气进入燃料电池阴极反应得到电子、氧离子。氢离子穿过质子交换膜到达电池阴极，并与阴极的氧离子反应生成纯净水，此过程中，电子通过外部电路产生电流。

2、氢燃料电池汽车NVH特性研究现状及控制

与传统燃油汽车不同，燃料电池的动力总成并非发动机，因此燃料电池的噪声级整体较小。但同时由于燃料电池动力总成系统噪声非常复杂且不具备传统发动机噪声的线性度以及掩蔽效应，乘客对于燃料电池汽车的主观感受并不优于传统燃油汽车。

燃料电池车的动力总成主要包括：空气辅助系统、氢气辅助系统、冷却系统、驱动电机系统、电池反应堆等几部分，如图3所示。噪声源发生了变化，由此产生的NVH问题特性有别于传动燃油汽车。例如，排气系统由于缺少发动机阶次噪声，流噪成为排气噪声主要贡献成分^[3]。      

目前，针对燃料电池汽车的NVH问题研究取得了一些成果，但整体研究不够深入、广泛，没有形成一套类似于传统燃油汽车的振动噪声问题控制方法。文章结合相关论文对氢燃料电池汽车空气辅助系统、氢气喷射系统、排气系统的NVH问题进行了梳理，希望大家从中能够有所收获。

2.1空气辅助系统

空气辅助系统主要包括空压机、空滤器、增湿器、中冷器、消声器、管道等，主要为燃料电池提供足够多的清洁压缩空气，空气供给量随着汽车行驶工况变化，与驱动电机输出功率直接相关。空气辅助系统是燃料电池汽车噪声主要组成成分，分为气动噪声、结构噪声两部分。

气动噪声主要由空压机工作时造成的压力波动产生，空压机在工作时转速较高，导致辅助系统中产生高频、高能量的气动噪声成分，主观感受尖锐、刺耳，严重影响汽车声品质^[2]。空气压缩机目前主要有罗茨式、双螺杆式、离心式三种型式，如图4所示，其中离心式结构紧凑、整体辐射噪声能量相对较低，但高频、宽频气流噪声问题仍显著存在。对于气动噪声的控制通常从空滤器、空压机、消声器三部分进行。

图4 空气压缩机类型

对于空压机气动噪声控制，石川哲平^[3]等通过调整空压机结构，配比阶次噪声，使空压机噪声主观感受更为舒适，如图5所示。

图5 空压机阶次噪声配比

空滤器是降低进气噪声最有效的手段之一，由于空气中的颗粒物会堵塞质子交换膜，杂质气体（SO2、NH3、NOx 等）会造成催化剂中毒，氢燃料电池汽车的空滤器与传统燃油汽车的空滤器不同，包含纸质滤芯以及活性炭滤芯两层过滤装置，如图6所示。

图6 燃料电池汽车空滤器滤芯结构（图片来自网络）

此外，由于燃料电池汽车气动噪声具有宽频、中高频噪声为主的特点，通常使用多孔消声器消除空压机宽频带气动噪声。左曙光等^[4]，设计了一款在2000Hz~3500Hz有较好消声效果的微穿孔消声器，解决了空压机1000r/min~3800r/min转速范围内噪声大的问题，如图7-8所示。

图7 微穿孔消声器结构示意

图8 微穿孔消声器传递损失

空压机的振动特征主要集中在中、高频范围，针对空压机结构噪声问题，石川哲平等^[3]，通过将空压机与变速箱刚性连接，利用动力总成悬置系统低频振动特性，达到抑制空压机结构噪声的目的，如图9所示，在变速箱侧使用三个橡胶隔振垫降低振动传递。

图9 驱动电机总成悬置配置

2.2氢气喷射系统

燃料电池系统中，氢气通过喷射系统进入电池阴极参与反应，喷射系统通过支架安装在汽车底盘，供氢管道通过卡扣与车身连接，由于喷射系统存在较为稳定的喷射，因此可能产生结构噪声。叶胜望等^[5]，对某款燃料电池汽车的氢燃料喷射噪声进行了相关分析，对比车内噪声频谱与氢燃料喷射系统振动频谱较为一致，如图10所示，确定噪声是由氢燃料喷射系统产生，经研究认为该噪声问题管道气流引起，通过加装消声器的方案，解决该噪声问题。

图10 氢燃料喷射系统引发车内噪声问题分析

2.3排气系统

氢燃料电池排气系统噪声，包括空压机噪声、各阀体（氢气、空气等）产生的泄气噪声、流体噪声等^[6]。排气系统除了降噪功能外，还负责把化学反应产生的水蒸气及时排出。由于排气系统需要利用空压机产生的高压气体将水蒸气最大限度吹出，因此排气系统在设计时应尽量采用低压损设计，通常会将排气系统设计为直管形式，并使用较大的管路内径。此外，氢燃料电池系统排出的水在低于80°C下存在大量的水蒸气和液态水，该成分会造成排气系统内部积水问题，引起长时间使用的霉变和生锈问题，在设计排气系统时，会留有较大的漏水孔，如图11所示。

图11 燃料电池汽车尾排示意（图片来自网络）

结语

文章梳理了氢燃料电池NVH相关问题的一些案例，从中也可看出目前关于氢燃料电池汽车NVH的研究相对匮乏。为实现2050年“碳中和”的长远目标，清洁能源汽车成为必然趋势，当然目前锂电池汽车仍占据主导地位。但从近期国家、社会、市场的反应来看，氢燃料正在面临前所未有的利好期，同时也是验证氢能源路线是否走得通的关键时期。朗德科技作为一家致力于振动噪声控制开发的企业，氢燃料电池汽车NVH开发相关问题的研究工作已经启动。

参考文献

[1]  氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）.

[2]  邓名威. 氢燃料电池用超高速离心空压机系统设计及实验研究[D]. 湖南:湖南大学,2020.

[3]  石川哲平, 佐野真一, 藤谷宏,等. 新型燃料电池汽车的振动噪声性能开发[J]. 国外内燃机, 2017, 49(5):5.

[4]  左曙光, 张珺, 吴旭东,等. 燃料电池车风机用微穿孔管消声器优化设计[J]. 制造业自动化, 2014,36(18):5.

[5]  叶胜望, 梁焱财, 王霁宇,等. 燃料电池汽车氢喷射噪声分析及优化[J]. 上海汽车, 2017(11):3.

[6]  https://zhuanlan.zhihu.com/p/344823633.

备注：图2-图5；图7-图10来自对应的参考论文。