我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)技術(shù)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(chē)Aion LX FuelCell；2021年3月長(zhǎng)城汽車(chē)推出車(chē)規(guī)級(jí)“氫動(dòng)力系統(tǒng)”全場(chǎng)景解決方案——氫檸技術(shù)；2022年1月奇瑞汽車(chē)推出基于艾瑞澤5的氫燃料電池汽車(chē)；2022年4月長(zhǎng)安汽車(chē)發(fā)布“深藍(lán)”品牌首款車(chē)型，并將提供燃料電池版本，預(yù)計(jì)2022年第二季度上市；2022年北京冬奧會(huì)，吉利、宇通、福田等車(chē)企提供氫燃料電池汽車(chē)參與服務(wù)。

 

近兩年來(lái)，從車(chē)企的戰(zhàn)略布局，國(guó)家相關(guān)政策出臺(tái)，以及國(guó)內(nèi)外對(duì)于氫燃料電池的技術(shù)革新，昭示著氫燃料電池汽車(chē)未來(lái)將迎來(lái)較大的發(fā)展，而NVH作為汽車(chē)性能優(yōu)劣的重要一環(huán)，同樣有提前入局的必要。汽車(chē)NVH指噪聲、震動(dòng)與聲震粗糙度，這是衡量汽車(chē)制造質(zhì)量的一個(gè)綜合性指標(biāo)，帶給汽車(chē)用戶(hù)的是主觀和表面的感受。車(chē)的NVH問(wèn)題是國(guó)際汽車(chē)業(yè)各大整車(chē)制造企業(yè)和零部件企業(yè)關(guān)注的問(wèn)題之一。

 

1、氫燃料電池技術(shù)簡(jiǎn)介

 

燃料電池按照其應(yīng)用電解質(zhì)的類(lèi)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(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。汽車(chē)工業(yè)通常使用質(zhì)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(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，燃料電池成本高、質(zhì)子交換膜技術(shù)含量高、生產(chǎn)難度大、使用壽命短等缺點(diǎn)是制約燃料電池發(fā)展的重要因素。

 

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

 

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）發(fā)電原理

 

2、氫燃料電池汽車(chē)NVH特性研究現(xiàn)狀及控制

 

與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)不同，燃料電池的動(dòng)力總成并非發(fā)動(dòng)機(jī)，因此燃料電池的噪聲級(jí)整體較小。但同時(shí)由于燃料電池動(dòng)力總成系統(tǒng)噪聲非常復(fù)雜且不具備傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的線性度以及掩蔽效應(yīng)，乘客對(duì)于燃料電池汽車(chē)的主觀感受并不優(yōu)于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)。

 

燃料電池車(chē)的動(dòng)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(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、電池反應(yīng)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(wèn)題特性有別于傳動(dòng)燃油汽車(chē)。例如，排氣系統(tǒng)由于缺少發(fā)動(dòng)機(jī)階次噪聲，流噪成為排氣噪聲主要貢獻(xiàn)成分[3]。

 

燃料電池汽車(chē)動(dòng)力總成

 

目前，針對(duì)燃料電池汽車(chē)的NVH問(wèn)題研究取得了一些成果，但整體研究不夠深入、廣泛，沒(méi)有形成一套類(lèi)似于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題控制方法。文章結(jié)合相關(guān)論文對(duì)氫燃料電池汽車(chē)空氣輔助系統(tǒng)、氫氣噴射系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)的NVH問(wèn)題進(jìn)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(jī)、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(chē)行駛工況變化，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率直接相關(guān)。空氣輔助系統(tǒng)是燃料電池汽車(chē)噪聲主要組成成分，分為氣動(dòng)噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲兩部分。

 

氣動(dòng)噪聲主要由空壓機(jī)工作時(shí)造成的壓力波動(dòng)產(chǎn)生，空壓機(jī)在工作時(shí)轉(zhuǎn)速較高，導(dǎo)致輔助系統(tǒng)中產(chǎn)生高頻、高能量的氣動(dòng)噪聲成分，主觀感受尖銳、刺耳，嚴(yán)重影響汽車(chē)聲品質(zhì)。空氣壓縮機(jī)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(jié)構(gòu)緊湊、整體輻射噪聲能量相對(duì)較低，但高頻、寬頻氣流噪聲問(wèn)題仍顯著存在。對(duì)于氣動(dòng)噪聲的控制通常從空濾器、空壓機(jī)、消聲器三部分進(jìn)行。

 

對(duì)于空壓機(jī)氣動(dòng)噪聲控制，石川哲平等通過(guò)調(diào)整空壓機(jī)結(jié)構(gòu)，配比階次噪聲，使空壓機(jī)噪聲主觀感受更為舒適。

 

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

 

此外，由于燃料電池汽車(chē)氣動(dòng)噪聲具有寬頻、中高頻噪聲為主的特點(diǎn)，通常使用多孔消聲器消除空壓機(jī)寬頻帶氣動(dòng)噪聲。左曙光等人設(shè)計(jì)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(jī)1000r/min——3800r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)噪聲大的問(wèn)題，如圖所示：

 

微穿孔消聲器結(jié)構(gòu)示意

 

微穿孔消聲器傳遞損失

 

空壓機(jī)的振動(dòng)特征主要集中在中、高頻范圍，針對(duì)空壓機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲問(wèn)題，石川哲平等通過(guò)將空壓機(jī)與變速箱剛性連接，利用動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)低頻振動(dòng)特性，達(dá)到抑制空壓機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲的目的，如圖所示，在變速箱側(cè)使用三個(gè)橡膠隔振墊降低振動(dòng)傳遞：

 

驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(guò)噴射系統(tǒng)進(jìn)入電池陰極參與反應(yīng)，噴射系統(tǒng)通過(guò)支架安裝在汽車(chē)底盤(pán)，供氫管道通過(guò)卡扣與車(chē)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(jié)構(gòu)噪聲。葉勝望等對(duì)某款燃料電池汽車(chē)的氫燃料噴射噪聲進(jìn)行了相關(guān)分析，對(duì)比車(chē)內(nèi)噪聲頻譜與氫燃料噴射系統(tǒng)振動(dòng)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(rèn)為該噪聲問(wèn)題管道氣流引起，通過(guò)加裝消聲器的方案，解決該噪聲問(wèn)題：

 

氫燃料噴射系統(tǒng)引發(fā)車(chē)內(nèi)噪聲問(wèn)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(jī)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(fù)責(zé)把化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水蒸氣及時(shí)排出。由于排氣系統(tǒng)需要利用空壓機(jī)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用低壓損設(shè)計(jì)，通常會(huì)將排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)為直管形式，并使用較大的管路內(nèi)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(huì)造成排氣系統(tǒng)內(nèi)部積水問(wèn)題，引起長(zhǎng)時(shí)間使用的霉變和生銹問(wèn)題，在設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)時(shí)，會(huì)留有較大的漏水孔。