許向國， 付 娜

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

0 引 言

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

助力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，深入推進能源生產(chǎn)和消費革命?？梢?，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項的重要抓手，也為碳達峰、碳中和目標(biāo)實現(xiàn)提供了有力支撐。

發(fā)展車用氫能產(chǎn)業(yè)是促進清潔能源體系構(gòu)建和汽車強國建設(shè)的重要途徑，氫燃料電池汽車是一種用車載燃料電池裝置產(chǎn)生的電力作為動力的汽車[1]。隨著人們對汽車乘坐舒適性要求的提高，汽車的噪聲控制日益受到人們的重視。目前，對汽油車、柴油車噪聲問題已經(jīng)采取了行之有效的控制措施，而燃料電池汽車噪聲源識別與測試優(yōu)化還有待提高。梁曉燕等研究了燃料電池汽車空氣進氣噪聲測試方法，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)噪聲測試與優(yōu)化，在整個燃料電池系統(tǒng)集成后的噪聲測試方法上沒有研究，因此以燃料電池系統(tǒng)為研究對象，著重對燃料電池系統(tǒng)噪聲源進行分析，通過研究測試方法進行噪聲試驗及驗證，準(zhǔn)確測定燃料電池系統(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)生了振動和噪聲，主要是空氣供應(yīng)子系統(tǒng)中的空氣壓縮機、氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)中的氫氣循環(huán)泵、排氣噪聲、固定部件振動噪聲等[3-6]。因此，在燃料電池系統(tǒng)研發(fā)中的噪聲識別和控制問題成為了科研人員面臨的一個新難。

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

氫燃料電池汽車的進氣存在噪聲問題。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]。通常空氣供應(yīng)子系統(tǒng)主要由空氣濾清器、空氣壓縮機、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。噪聲源主要來源于空氣壓縮機產(chǎn)生的高頻噪聲；空氣壓縮機不斷擠壓或者高速旋轉(zhuǎn)空氣過程中壓力波產(chǎn)生的空氣動力噪聲；高流速空氣流過進氣口以及排氣口時的渦流噪聲[8-9]。另外，空壓機在運轉(zhuǎn)時泵體和電機也會產(chǎn)生較大的機械振動噪聲。

針對空氣供應(yīng)子系統(tǒng)的噪聲來源，降噪措施包括：優(yōu)化主噪聲源（空壓機）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)噪聲來源主要是氫氣循環(huán)泵工作噪聲，主要是扇葉高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的機械聲、進口及出口氫氣流動產(chǎn)生的渦流聲、氫氣循環(huán)泵工作時與支架產(chǎn)生的振動噪聲等[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關(guān)閉合也會引起噪聲。

針對氫氣供應(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，降低振動以達到降噪；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所致，因此出現(xiàn)了頻率范圍較寬的壓力波動[15]。這種寬頻帶噪聲其有一個圍繞某個頻率的較寬峰值的特征，它是風(fēng)扇葉片在這個頻率下由空氣掠過風(fēng)扇或風(fēng)扇電機支撐或風(fēng)扇保護罩上筋條所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)件而產(chǎn)生的。散熱風(fēng)扇一般和車輛其他系統(tǒng)共用，所以燃料電池系統(tǒng)噪聲測試時可不考慮散熱風(fēng)扇的噪聲

2 燃料電池系統(tǒng)噪聲測試方法

燃料電池系統(tǒng)帶載噪聲測試方法現(xiàn)目前無統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)，各大系統(tǒng)廠商大多參照的內(nèi)燃機或是變壓器國家標(biāo)準(zhǔn)只測空壓機或者是氫氣循環(huán)泵，若是對燃料電池系統(tǒng)進行帶載噪聲測試則對測試涉氫環(huán)境提出了需求，需對半消音室進行涉氫改造，工序復(fù)雜，造價昂貴。針對這一問題，本文提出一種高校可行和簡易現(xiàn)場檢測方法對燃料電池系統(tǒng)進行帶載噪聲測試。

本實驗采用燃料電池系統(tǒng)測試臺架對燃料電池系統(tǒng)進行帶載測試，按照制造商建議的起動步驟起動燃料電池系統(tǒng)，測量燃料電池系統(tǒng)在怠速狀態(tài)、50%額定功率和額定功率工況下的噪聲值。噪聲測試時，燃料電池發(fā)動機應(yīng)模擬整車狀態(tài)（包括布置、連接），同時噪音測試過程中，燃料電池系統(tǒng)可增加進氣消音器、排氣消音器、降噪包裹材料等能在整車上實施的降噪措施。

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

2.1 試驗環(huán)境

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

2.2 傳聲器布置

噪聲測量時，應(yīng)先確定基準(zhǔn)體和測量距離以確定測量表面并布置傳聲器位置。測量距離d可以在0.1 ～1 m之間選擇。測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個測試位點，布置位置示意圖如圖2所示。本次測試d取值為0.3 m[16]。

圖2 基準(zhǔn)體、測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)實驗室背景噪聲比較大，本次實驗驗證通過增加隔聲材料的方式降低實驗室的背景噪聲，使被測系統(tǒng)的噪聲與背景噪聲的差值大于10 dB[17]。

但實際的試驗環(huán)境與理想的自由場環(huán)境有明顯不同，實驗室的地面、墻壁、測試臺架等會反射聲波對試驗品所發(fā)出的聲波進行干擾，從而導(dǎo)致駐波的出現(xiàn)，影響聲級測量準(zhǔn)確性。在本實驗中同步引入環(huán)境修正系數(shù)K來消除實驗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值主要取決于實驗室吸聲面積A對測量表面積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計算公式如下：

式中：K——環(huán)境修正值，dB；

A——實驗室的吸聲面積，m2；

α——平均吸聲系數(shù)；

SV——實驗室（墻壁、天棚和地面）的總表面積，m2；

S——被測樣品表面面積，m2；

h——被測樣品高度，m；

lm——輪廓線周長，m。

測量背景噪聲對測試結(jié)果影響時，聲級計所處的位置和實際測試時的位置相同。在試驗前和試驗后分別測量出背景噪聲的平均聲壓級。

式中：M——測試點總數(shù)；

LbgAi——各測試點上測得的背景噪聲A計權(quán)聲壓級。

2.4 試驗數(shù)據(jù)處理

式中：N——測點總數(shù)；

LpAi——各測試點上測得的A計權(quán)聲壓級。

其中LbgA為測試前后兩個計算出的背景噪聲平均A計權(quán)聲壓級中的較小者，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗接受準(zhǔn)則

2.5 典型燃料電池系統(tǒng)噪聲測試結(jié)果

參照T/CECA-G0125-2021 T/CSTE 0121-2021《“領(lǐng)跑者”標(biāo)準(zhǔn)評價要求 車用燃料電池發(fā)動機》圖體標(biāo)準(zhǔn)[19-20]規(guī)定的方法進行試驗。選取某款額定功率為110 kW的國產(chǎn)燃料電池系統(tǒng)樣機進行噪聲測試，分別測量怠速狀態(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)信息詳見表2。

表2 樣品參數(shù)信息

試驗室長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：

實驗室總面積：SV=2×（2.9×2.7+2.9×1.9+2.7×1.9）=36.94 m2。

測量表面的面積：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。

簡易測試法測試流程：按照圖2的方式將待測樣品放入試驗室中央，另將傳聲器布置在待測樣品5個面，距離待測樣品0.3 m。試驗前在不起動燃料電池系統(tǒng)的狀態(tài)下先測試背景噪聲，然后按照制造商建議的起動步驟起動燃料電池系統(tǒng)，燃料電池系統(tǒng)啟動后，在怠速狀態(tài)下持續(xù)穩(wěn)定運行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、額定功率過程中的噪音最大值，試驗結(jié)束20 min后測試環(huán)境背景噪聲值。噪音測試過程中盡量避免暫?；蛑袛啵瑫r間平均聲壓級的測量時間間隔至少10 s，最好20 s或更長。

試驗過程中的數(shù)據(jù)記錄及試驗結(jié)果如表3所示。

表3 實驗數(shù)據(jù)記錄dB

在試驗過程中，測試監(jiān)控表明空氣系統(tǒng)的空壓機、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。為驗證測試結(jié)果的可靠性，將其與在半消音室測試環(huán)境條件下的測試結(jié)果進行對比，結(jié)果基本一致，表明測試結(jié)果的有效性，對比數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)對比dB

3 結(jié)束語

研究了汽車用燃料電池系統(tǒng)的噪聲來源及其測試方法，提出了燃料電池系統(tǒng)高效和簡易的現(xiàn)場帶載噪聲測試方法，針對環(huán)境與背景噪聲的影響，提出引入環(huán)境修正系數(shù)K來消除實驗室邊界或鄰近物體的反射產(chǎn)生影響的解決方案，并對該方法的可靠性進行驗證。通過對國內(nèi)某款燃料電池系統(tǒng)進行噪聲測試，驗證了本測試方法的有效性和準(zhǔn)確性。

簡易測試方法的提出有效簡化了對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)噪音測試方法，提升測試效率。本研究對建立燃料電池系統(tǒng)噪聲測試國家標(biāo)準(zhǔn)和燃料電池汽車噪聲設(shè)計等提供有效的參考。