燃料电池电动车的NVH设计开发：从原理到噪声源与振动源

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随着环保意识的提高和可再生能源的发展，燃料电池电动车成为了未来汽车产业的一个重要发展方向。然而，在燃料电池电动车的设计开发过程中，噪声、振动和刺耳的声音仍然是一个需要解决的问题。本文将探讨燃料电池电动车的NVH（噪声、振动和刺耳的声音）设计开发，从燃料电池原理、噪声源和振动源三个方面进行介绍。

一、燃料电池原理

燃料电池是一种利用氢气和氧气在催化剂的作用下进行反应产生电能的装置。燃料电池的工作原理是燃料（氢气）与氧化剂连续地分别地加入到电池的两极，通过电化学反应过程产生电能。“电解质是必要的，它将离子从一个电极传导到另一个极。燃料供应到电池的正极，在催化剂的作用下电子从燃料中释放出来。在正负极点位差之下，电子从外部的电路流到负极上，在负极上将正离子与氧化极组合，产生化学反应的产品，或排放物。燃料电池中的这种化学反应与传统电池中的化学反应很相似，燃料电池的热动力电压与反应所释放的能量以及反应中传导的电子数量相关。

图1 燃料电池车原理

二、燃料电池车辆噪声源

燃料电池车辆有它的NVH特点。燃料电池通过电化过程发电，不产生噪声。但燃料供应，氧化剂供应，冷却条统，空调条统等辅助设备的振动与噪声成为新的噪声源，而且设有噪声覆盖效应。

燃料电池车辆的噪声源可以分为两类：机械噪声和气动噪声。机械噪声主要来自于燃料电池系统中的机械部件，例如电机、冷却系统和压缩机等。这些部件在运行过程中会产生摩擦、震动和共振等噪声。气动噪声则是由于氢气和氧气在燃料电池系统中流动时所产生的噪声。为了降低噪声影响，设计人员需要对这些噪声源进行有效控制和优化。

下图为市场上流行的四款撚料电池车辆，有GM的HydroGen4(a:奔驰的F-Cell,B-Class(b);Toyota的Mirai(c)以及BMW的Hydrogen7(d)。有轿跑，MPV与轿车，在结构上很有燃料电池车辆的代表性。

图2 市场上有代表性的四种燃料电池车辆

三、燃料电池车辆布置特点

这些燃料电池车辆的结构特点是绝大部分的燃料电池系统发电的辅助设备：进气系统，冷却水泵系统、空调系统等都放到车辆前部的发动机舱内。因此发动机舱是燃料电池车辆噪声与振动的位置。氢燃料箱都是放到车后面，与之相关的辅助装置（氢气供气象统）一般都是安装在离氢气储存箱附近。根据这些燃料电池车辆的结构布置特点，它们的噪声与振动源都在发动机舱。

图3 典型燃料电池车辆简图

四、燃料电池车辆主要振动源

燃料电池车辆的主要振动源可以分为两类：机械振动和结构振动。机械振动主要来自于电机、压缩机和泵等机械部件的运行过程中产生的振动。这些振动会传递到车辆的底盘、车身和车轮等结构中，引起噪声和不适感。结构振动则是由于车辆行驶过程中路面不平、车身共振等因素引起的振动。为了减少振动的传递和影响，设计人员需要采取有效的隔振措施和结构优化。

图4 燃料电池车进气系统瞬态噪声特点

燃料电池反应堆需要一套辅助系统为其负极提供电化反应所需要的空气。这套辅助集统包括压缩机与驱动压缩机的电机、热管理系统、连接与控制系统，还要有相关的空气清洁系统，加湿系统。空压机一般有两种：一种是螺杆式(SCREW)压缩机，一种是离心式(CENTRIFUGAL)压缩机。对于双螺杆式空压机，压缩空气过程产生的噪声占主导地位。正时齿轮是将各个螺杆同步化，也会引起齿轮啮合噪声。离心式压缩机是通过叶片驱动空气产生压力，它的主要噪声是叶片的叶片通过频率(BLADE PASSING FREQUENCY,BPF)产生的单频及其高频阶次的噪声，此外，气体的湍流会引起宽频带的噪声。不管使用哪种空压机，它们的选择部件的动不平衡会产生脉冲振动，是主要的振动源。