热泵空调采暖噪声诊断及优化研究

方案的相关优化验证。在保证热泵制热性能的前提下，车内噪声得到了明显的下降。

关键词：热泵空调;NVH性能;高压管振动;压缩机转速策略;优化验证

中图分类号：TH212;TH213.3  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）23-117-05

Noise diagnosis and optimization study of heat pump air-conditioning’s heating mode

Zhao Min， Li Jie， Tian Shudong

（ BYD Automobile IndustryLimited Company.， Product Planning &New Technology Research Institude.，

Guang dong Shenzhen 518118 ）

Abstract： Currently， because of its higher energy efficiency ratio， lower power consumption， compact structure， heat pump air-conditioning gradually becomes main research fields and development tendency for air-conditioning of battery electric vehicle and dual-mode vehicle. The heat pump air-conditioning often works in bad environment， especially in cold winter. In order to heighten the inside temperature of the vehicle， compressor rotational speed need to grow higher in short time， which will result in unbearable noise for passengers. Thus， it seem to be urgent to solve the NVH problem followed with the heat pump air-conditioning. In the paper， firstly we carry out thorough NVH test for a battery electric vehicle based on Siemens data acquisition frontend and the relevant software Simcenter Test.Lab， and then come to a conclusion that high pressure pipe’s vibration and ueasonable rotational speed of compressor are the two main influencing factors. Secondly， we formulate two schemes according to the analytical reasons and verify the relevant NVH performance. Ultimately， we find that the two schemes， i.e.， adding weights for high pressure pipe， controlling compressor rotational speed according to gear of air blower， can also be effective. Under the premise of heating performance inside of vehicle， inside noise of vehicle dramatically declines by use of the two schemes.

Keywords： Heat pump air-conditioning; NVH performance; Vibration of high pressure pipe; Speed strategy of compressor; Optimization and verification

CLC NO.： TH212; TH213.3  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）23-117-05

1 引言

隨着我国汽车行业的发展，乘车舒适性逐渐成为顾客重点关注的方面之一。而汽车的NVH性能（Noise噪声，Vibra -tion振动，Harshness声振粗糙度）对乘车舒适性至关重要。空调系统作为整车NVH性能评估过程中重要的一个组成部分，越来越引起工程技术人员的重视。尤其是纯电动汽车的研发，没有了最大源头发动机振动噪声的干扰和掩蔽，空调系统的NVH性能问题凸显严重。

当前，传统燃油车及双模车型冬季采暖使用发动机余热或PTC辅助加热进行。而纯电动车由于没有了发动机的存在，这给冬季车内空调采暖带来了新的挑战。由于PTC能耗高，制热效率低，在降低能耗、提高续航里程的背景下，热泵空调技术[1-3]由于自身能效比高、耗电量低、结构简单、稳定可靠，因此获得了纯电动车研发的青睐。

热泵空调采暖过程中通过内冷凝器进行车内车外热量的交换。由于热泵空调工作条件较为恶劣，需要较短的时间使得车内得到升温，压缩机转速声音较明显，这往往会引起乘员的抱怨。当前，热泵空调技术更多的研究在其采暖经济性上[4-7]，针对热泵空调采暖带来的振动噪声问题研究还较少，更多的技术研究局限于空调零部件级NVH和燃油车空调NVH性能评估上。刘敏[8]等对空调压缩机支架模态及动刚度分析进行了求解，确保性能满足目标要求。黄丽那[9]等针对汽车怠速下暖通空调异响问题，通过试验排查，明确了噪声源于24 阶阶次鼓风机电机噪声，且在鼓风机1600rpm时产生共振。冀军鹤[10]等针对怠速开空调出现“嗒嗒声”，进行测试确认为涡旋压缩机排气脉动引起，通过改变压缩机排气腔结构，声音得到明显改善。孙启甲[11]针对燃油车发动机950rpm结构共振异响和怠速呜呜声异响问题进行了研究。

由于热泵空调，尤其是采暖过程的NVH性能在纯电动车上综合表现较差，需要进行对该系统进行“源-路径-接受者”相关研究[12]，减小振动传递，降低噪声的传播[13]，优化热泵空调系统NVH性能，达到提高整车级NVH性能，提高品质，增强乘车舒适性。

2 问题描述及评估

针对某款搭载热泵空调系统的在研纯电动车型，乘员抱怨热泵采暖过程中（吹脚除霜外循环模式），压缩机高速运转时，车内噪声过大，难以忍受。

正式測试前，基于主观评分细则，组织相关人员及NVH工程师进行主观评价，评估出热泵空调在不同鼓风机挡位下、不同环境温度下的NVH表现，方便制定后续测试策略。评估结果见表1所示。

表1  NVH主观评价结果

表2  主观评价结果描述

通过上述表格可知，热泵空调系统的NVH主观评价评分较低，属于较高风险范畴，因此需要进行摸底测试，全面评估热泵空调技术在纯电动车上的NVH性能，寻找问题症结，进行优化验证。

3 摸底测试

3.1 测试要求

热泵空调NVH测试，采用西门子40通道数采前端SCM2E05和配套测试软件Simcenter Test.lab进行数据采集工作。正式测试前，需确保热泵空调能够正常工作，电池电量应≥80%，以避免因电量降低而导致空调系统工作电压变化。测试过程中背景噪声应小于被测噪声10dB，且周围环境应为无风状态，以避免影响麦克风测试结果。

对热泵空调系统进行布置测点，振动测点选取压缩机端盖、高压管、方向盘、座椅滑轨，噪声测点选取压缩机近场、车内主驾内耳进行数据采集。

3.2 测试方案

考虑进行不同环境温度、鼓风机不同档位（1-7档位）下的热泵空调采暖振动噪声摸底测试。

热泵空调工作模式为吹脚除霜外循环，采暖温度为Hi，测试各个挡位下的自由运行工况，其中包含了启动初期的非稳定运行过程和随后的平稳转速运行过程。对该两个过程分别进行数据采集。

3.3 数据分析

通过分析热泵启动初期非稳定运行过程的数据，可以获取不同鼓风机挡位对应下的压缩机转速策略。

图1和图2分别是环境温度为-5℃、-10℃、-15℃下的压缩机最高转速及平稳转速曲线变化情况。

图1  压缩机最高转速曲线

从图中可以获取压缩机转速控制策略，根据图1，环境温度越低，压缩机最高转速越高。尤其在-15℃时，不论鼓风机挡位如何变化，压缩机最高转速基本保持不变，均为6000rpm。根据图2，整体来讲，压缩机平稳转速随鼓风机挡位上升而上升。

图2  压缩机平稳转速曲线

通过对平稳转速运行过程测得数据进行分析，可以确定车内噪声贡献比较大的来源。以鼓风机1挡位为例，说明主驾内耳声压级的主要贡献来源。

图3  车内声压级（鼓风机1挡位，环境温度-5℃）

图4  车内声压级（鼓风机1挡位，环境温度-10℃）

图3、图4、图5分别是鼓风机1挡位、环境温度为-5℃、-10℃、-15℃下的车内噪声声压级。观察不同环境温度下的噪声频谱图，可以看到压缩机特征频率同车内声压级峰值存在对应关系。由于鼓风机一挡位目标值设定为28dBA，车内噪声幅值超出要求的频率处，高压管振动贡献较大。车内噪声来源详情可以参考表3所示。

图5  车内声压级（鼓风机1挡位，环境温度-15℃）

表3  车内噪声来源

可以看出对车内噪声频谱图贡献比较大的为高压管的振动，其次为压缩机本体振动。

通过分析热泵启动初期非稳定运行过程，建立压缩机转速同鼓风机挡位的关系，为基于“源”的压缩机转速控制策略调整，建立了数据依据。通过分析热泵启动后压缩机转速平稳运行过程，确立了高压管振动为主要的传递路径。

最终，考虑在“路径”优化上，从高压管着手，加装配重块进行优化验证;在“源”上，从压缩机转速策略进行控制，鼓风机1-2挡位，压缩机转速控制在≤2500rpm，鼓风机在3-4挡位，压缩机转速控制在≤3600rpm。通过高压管和转速策略两种方案，进行该纯电动车型的热泵空调NVH优化验证工作。

4 优化验证

基于摸底测试中确立的优化方案，进行路径及源头优化方案效果验证。

4.1 高压管加配重块

首先，确认车辆状态正常工作，无螺栓松动，高压管进内冷凝器的前围处密封良好，随后进行振动噪声测点布置，进行原状态及加装配重块方案的数据采集和分析。

图6  高压管加装配重块

高压管加装配重块如图6所示，测试鼓风机1挡位，热泵空调启动后，压缩机转速平稳运行阶段。

分析原状态和高压管加装配重块的车内噪声频谱图（见图7），发现：高压管加装配重块后，车内主驾内耳声压级为46.61dBA，相较于原状态，下降了3.61dBA，降幅明显，且车内主观评价有改善效果。高压管在压缩机基频、2阶、4阶存在振动峰值，对车内噪声贡献较大，从图中可以看到加装配重块后，车内噪声幅值在压缩机特征频率处（基频、2阶、4阶）下降，表4详细说明了在不同不同阶次频段内，声压级降幅结果。

图7  主驾内耳噪声频谱图

表4  原状态与加装配重块车内声压级对比dB（A）

同样对原状态和高压管加装配重块情形下的高压管振动频谱图进行分析，见图8所示。加装配重块后，高压管振动2阶、4阶、6阶的峰值均有较明显下降，分别选取阶次附近频率段，通过计算其有效值，观察振动幅值下降幅值，见表5所示。可以看到在0-500Hz频段内，加装配重块方案的Z向振动有效值为0.5m/s2，相比于原状态，振动减小了0.48m/s2，效果较明显。

图8  高压管振动频谱图

表5  原状态与加装配重块振动RMS值对比（m/s2）

4.2 控制压缩机转速

控制鼓风机1-2挡位时，压缩机转速≤2500rpm;控制鼓风机3-4挡位时，压缩机转速≤3600rpm。基于上述新方案进行环境温度-5℃，鼓风机1-4挡位下的NVH性能评估与结果验证。

（a）1挡位（2500rpm）       （b）2挡位（原状态与2500rpm）

（c）3挡位（原状态与3600rpm）  （d）4挡位（原状态与3600rpm）

图9  鼓风機1-4挡位车内噪声结果对比

需要说明的是，未改转速控制策略前，环境温度为-5℃，鼓风机1挡位采暖过程中，自行跳档至2挡位，压缩机转速一直保持4800rpm不变化，车内噪声主观评价较差。图9（a-d）为采取新的压缩机转速策略后，车内噪声声压级曲线。

观察图9，不难发现，基于新的压缩机转速控制策略，车内噪声表现优于原状态。噪声全频段总声压级在鼓风机2挡位下降2.9dBA，在鼓风机3挡位下降1.83dBA，在鼓风机4挡位下降0.75dBA，详情见表6。

表6  不同鼓风机挡位下的车内声压级（dBA）

由于高压管振动为热泵空调车内噪声主要传递路径，进一步，观察控制压缩机转速策略下的高压管振动情况，见图10（a-d）所示。相比于原状态，改变不同鼓风机挡位下的压缩机转速，高压管振动幅值下降明显。鼓风机2挡位-4挡位下，高压管振动RSS值分别下降了2.9m/s2、3.14m/s2、2.92m/s2，见表7所示。

（a）1挡位（2500rpm）     （b）2挡位（原状态与2500rpm）

（c）3挡位（原状态与3600rpm）  （d）4挡位（原状态与3600rpm）

图10  鼓风机1-4挡位高压管振动频谱图

表7  不同鼓风机挡位下的高压管振动RSS值（m/s2）

在保证采暖性能的前提下，采取高压管加配重块、控制压缩机转速策略的方案均能使得车内噪声得到明显的下降。

5 结论与建议

通过摸底试验，查明了高压管振动对车内噪声存在较大贡献，确立了高压管路径优化方案和控制压缩机转速策略方案，最终在满足采暖性能的前提下，上述优化方案均能使得车内噪声得到较明显的下降。

（1）高压管振动较大

高压管振动特征频率对乘员舱主驾内耳声压级存在较大贡献。通过高压管加配重块，车内声压级下降明显。通过观察确认，压缩机高压管出口橡胶软管长度较短，对NVH性能存在不利影响。设计中，可以加长橡胶软管长度，并进行合理布置，从而提升NVH性能。

（2）压缩机控制策略

压缩机转速同鼓风机挡位相关，最终确立压缩机转速策略为：鼓风机1-2挡位，压缩机转速≤2500rpm;鼓风机3-4挡位，压缩机转速≤3600rpm。控制压缩机转速策略对车内噪声声压级有明显效果。

可以根据实际情况，在满足热泵空调采暖性能的前提下，从经济成本和时间成本考虑，采用高压管配重方案还是压缩机转速控制方案。

参考文献

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