氫燃料電池車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲和車(chē)外警示音

楊慶敏

【摘 要】氫燃料電池汽車(chē)以行駛中零污染排放，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪音低而成為汽車(chē)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，但燃料電池車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲及振動(dòng)也不容忽視。本世紀(jì)初就有許多對(duì)燃料電池車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲源和振動(dòng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)分析及其減振降噪的具體研究。本文通過(guò)文獻(xiàn)研究法，梳理了日本“未來(lái)” 車(chē)內(nèi)噪聲源及振動(dòng)原因，以資相關(guān)人員借鑒。

【關(guān)鍵詞】日本氫燃料電池車(chē);車(chē)內(nèi)噪聲和振動(dòng);車(chē)輛接近警示音

中圖分類(lèi)號(hào)： U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）04-0087-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.032

0 前言

氫燃料電池汽車(chē)以行駛中零污染排放，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪音低，且氫能來(lái)源廣數(shù)量多而成為近年來(lái)汽車(chē)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。為了獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，各國(guó)紛紛出臺(tái)政策，加速推進(jìn)氫燃料電池車(chē)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，燃料電池屬于靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，運(yùn)行過(guò)程中噪音和振動(dòng)都較小，低速行駛時(shí)車(chē)外幾乎沒(méi)有噪聲。但燃料電池車(chē)車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲還是不容忽視的，早在本世紀(jì)初就有許多專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)燃料電池車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲源和振動(dòng)進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，尋求著解決辦法。

2006年閻礁、左曙光等就對(duì)燃料電池轎車(chē)車(chē)內(nèi)聲振特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，采集了實(shí)驗(yàn)用樣車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲及運(yùn)動(dòng)部件振動(dòng)加速度的信號(hào)，找出了實(shí)驗(yàn)用樣車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲來(lái)源于驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成和燃料電池系統(tǒng)中的氫泵和風(fēng)機(jī)，提出了減震降噪措施（閻礁、左曙光等，2006年）;申秀敏、左曙光等于2008年對(duì)燃料電池車(chē)進(jìn)行了聲振測(cè)試和噪聲源識(shí)別（申秀敏、左曙光等，2008年），確定了主要振動(dòng)噪聲源為空氣輔助系統(tǒng)和氫氣輔助系統(tǒng)以及燃料電池冷卻系統(tǒng)，提出了對(duì)風(fēng)機(jī)及氫氣輔助系統(tǒng)箱體的改進(jìn)方案;康強(qiáng)、左曙光等在《燃料電池轎車(chē)空氣輔助系統(tǒng)噪聲研究的進(jìn)展》（2012年）中指出“空氣輔助系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)振動(dòng)和噪聲是燃料電池車(chē)噪聲的主要源頭”，總結(jié)了燃料電池車(chē)空氣輔助系統(tǒng)噪聲研究的方向。葉勝望等（2017年11月）從氫噴射噪聲角度分析了燃料電池汽車(chē)噪聲源及給出了優(yōu)化方法。

日本的2014年商業(yè)化，量產(chǎn)化了的氫燃料電池車(chē)“未來(lái)”車(chē)內(nèi)也有噪聲和振動(dòng)，川邊謙一在《燃料電池自動(dòng)車(chē)のメカニズム》（2016年）中指出在“未來(lái)”車(chē)內(nèi)也能感知到噪聲和振動(dòng)，分析了噪聲源，并指出“未來(lái)”在低速行駛時(shí)車(chē)外噪聲很小，小到路人幾乎感知不到。為安全起見(jiàn)，“未來(lái)”車(chē)身前部安裝有車(chē)外擴(kuò)音器以警示路人。本文用文獻(xiàn)研究法梳理了“未來(lái)” 車(chē)內(nèi)噪聲源及振動(dòng)原因，以資相關(guān)人員借鑒。

1 氫燃料電池車(chē)行駛時(shí)也有磁勵(lì)音

“未來(lái)”在行駛時(shí)，能聽(tīng)到吱吱的聲音。其音量，會(huì)隨著行駛速度的加快而增大，不光是加速時(shí)，減速時(shí)也能聽(tīng)到。這個(gè)聲音，被稱(chēng)作磁勵(lì)音，主要是從電機(jī)中發(fā)出的，用電機(jī)做驅(qū)動(dòng)的車(chē)中，都有類(lèi)似的聲音，燃料電池車(chē)，電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)，都能聽(tīng)到類(lèi)似的聲音。

磁勵(lì)音是在動(dòng)力控制總成中產(chǎn)生的電的雜音。電機(jī)等因這個(gè)雜音而振動(dòng)，并發(fā)出吱吱的聲音，這個(gè)雜音來(lái)源于動(dòng)力控制總成內(nèi)部的能量半導(dǎo)體，能量半導(dǎo)體以一秒鐘數(shù)千次以上的速度，反復(fù)開(kāi)關(guān)電源，致使在流回電機(jī)的電流中參雜了噪聲。磁勵(lì)音隨著行駛速度不同其音量也會(huì)發(fā)生變化，其原因在于能量控制總成里電力的轉(zhuǎn)換原理，在能量控制總成里，有兩種電力轉(zhuǎn)換裝置，一種是逆變器（inverter），把直流電變成交流電，另一種是整流器（converter），把交流電變成直流電。燃料電池或驅(qū)動(dòng)用電池被稱(chēng)作直流電，電機(jī)被稱(chēng)作交流電。為使這兩種不同電流能相互自由轉(zhuǎn)換，需要逆變器或整流器。

產(chǎn)生噪聲的功率半導(dǎo)體位于逆變器或整流器中，那么是怎樣進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換的？以逆變器為例加以說(shuō)明。逆變器把由二極管供給的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，再通過(guò)三極管傳送給電機(jī)。六個(gè)功率半導(dǎo)體各自獨(dú)立且周期性地反復(fù)高速通斷，把直流電切割成非常細(xì)碎的電流，組成交流電（圖1）。

在此轉(zhuǎn)換中利用了功率半導(dǎo)體能把直流電壓自由降壓的原理。如果使用典型控制方法的脈沖振幅調(diào)制（Pulse Amplitude Modulation）的話，電源接通時(shí)的矩形波（脈沖波）輸出頻率周期性縮短，平均電壓就會(huì)下降。利用這個(gè)原理，周期性地改變平均電壓，就能形成三相交流電波形。但是，形成的只是類(lèi)似的交流電，電壓波形不是規(guī)范的正弦波，這是產(chǎn)生噪聲的主要原因。

因?yàn)槟孀兤骺梢钥刂齐姍C(jī)，根據(jù)行駛狀況能改變?nèi)嘟涣麟姷牟ㄐ巍ｋ姍C(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩等能改變和控制輸入電機(jī)的三相交流電的電壓和周波數(shù)。此時(shí)，因?yàn)樵肼暤妮敵龉β拾l(fā)生變化，磁勵(lì)音的輸出功率也相應(yīng)變化，吱吱音的高低也會(huì)隨著行駛速度的變化而變化。

以上是電流流入電機(jī)、加速時(shí)的狀況。電機(jī)發(fā)電，用再生制動(dòng)能量回收剎車(chē)減速時(shí)，同樣，磁勵(lì)音的高低也隨行駛速度變化。使用再生制動(dòng)能量回收剎車(chē)時(shí)的整流器中，也應(yīng)用了功率半導(dǎo)體降低直流電壓的原理。

整流器不僅僅是把三相交流電變成直流電，還控制著直流電壓使其保持穩(wěn)定。電機(jī)輸出的交流電的電壓，隨著其旋轉(zhuǎn)而變化。而驅(qū)動(dòng)用電池，如果不把輸入的直流電壓穩(wěn)定在一定范圍的話就不能充電，因此把三相交流電轉(zhuǎn)換成高壓直流電，用功率半導(dǎo)體降為適當(dāng)?shù)碾妷?，輸入?qū)動(dòng)用電池中。這時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生電噪聲，傳遞至電機(jī)，發(fā)出磁勵(lì)音。

2 氫燃料電池車(chē)“未來(lái)”特有的噪聲

“未來(lái)”加速時(shí)，除了能聽(tīng)到吱吱的磁勵(lì)音外，還能聽(tīng)到嗡嗡的聲音。這是氫泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度加快時(shí)發(fā)出的聲音，是燃料電池車(chē)特有的代表性的噪聲。用這個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械把車(chē)外空氣送進(jìn)燃料電池，加速時(shí)，為提高燃料電池的發(fā)電量，送入的空氣量增多，因此旋轉(zhuǎn)速度加快，就發(fā)出嗡嗡的聲音。另外，低速行駛時(shí)，燃料電池發(fā)電量減少，旋轉(zhuǎn)速度下降，會(huì)發(fā)出嗚嗚的輕微聲音。

但無(wú)論是磁勵(lì)音還是旋轉(zhuǎn)機(jī)械等的噪聲，和發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲相比都非常小，小到行駛速度加快時(shí)，會(huì)被輪胎滾動(dòng)的噪聲或風(fēng)噪聲掩蓋過(guò)去。因此，不關(guān)掉空調(diào)，讓車(chē)內(nèi)靜下來(lái)仔細(xì)聽(tīng)的話，有時(shí)會(huì)聽(tīng)不到那些噪聲。

3 車(chē)外車(chē)輛接近預(yù)警裝置的警示音

“未來(lái)”的車(chē)身前部裝有擴(kuò)音器，低速行駛時(shí)向車(chē)外發(fā)出警示音，這個(gè)被稱(chēng)作車(chē)輛接近預(yù)警裝置的警示音，起著告知路上行人車(chē)輛經(jīng)過(guò)近旁的作用。

車(chē)輛接近預(yù)警裝置不只是燃料電池車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)以及混合動(dòng)力車(chē)等多種車(chē)型都裝有該裝置。這些車(chē)，在低速行駛時(shí)，幾乎沒(méi)有噪聲，為了安全起見(jiàn)裝置了通報(bào)音。

“未來(lái)”在車(chē)輛啟動(dòng)至行駛速度提升為每小時(shí)25公里這個(gè)區(qū)間內(nèi)，車(chē)輛接近預(yù)警裝置開(kāi)始啟動(dòng)，發(fā)出通告音。通告音的高低，隨著行駛速度提高而逐步變化，音色也呈現(xiàn)出類(lèi)似轟轟的獨(dú)特的聲音。因?yàn)椴幌癜l(fā)動(dòng)機(jī)聲音那么大，所以在車(chē)內(nèi)如果關(guān)著車(chē)窗的話，很難注意到通告音。

車(chē)輛接近預(yù)警裝置之所以被研發(fā)是混合電動(dòng)車(chē)太安靜而引起的。日本和美國(guó)等國(guó)家，出于保護(hù)視覺(jué)障礙殘疾人的角度，對(duì)逐漸普及的混合動(dòng)力車(chē)提出了過(guò)于安靜，有危險(xiǎn)等疑慮。因此，美日兩國(guó)為了保護(hù)行人的安全，規(guī)定了必須給汽車(chē)安裝最低標(biāo)準(zhǔn)的警示鈴聲。日本國(guó)土交通部2010年公布了安裝車(chē)輛接近預(yù)警裝置的指導(dǎo)方針。

4 結(jié)語(yǔ)

以“未來(lái)”為代表的日本氫燃料電池車(chē)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛從啟動(dòng)到高速行駛工況下的車(chē)輛舒適性等的性能目標(biāo)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了不同于內(nèi)燃機(jī)車(chē)的加速車(chē)內(nèi)噪聲減噪的目標(biāo)。和國(guó)內(nèi)用于聲振測(cè)試及噪聲源識(shí)別等實(shí)驗(yàn)用樣車(chē)相比，空氣輔助系統(tǒng)噪聲以及氫噴射噪聲都被減低到被輪胎滾動(dòng)的噪聲或風(fēng)噪聲掩蓋掉的程度，為我國(guó)的燃料電池汽車(chē)減振降噪研究樹(shù)立了研發(fā)的目標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]川辺謙一，燃料電池自動(dòng)車(chē)のメカニズム，講談社，2016年2月20日.

[2]閻礁 ? 左曙光等，燃料電車(chē)轎車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲特性實(shí)驗(yàn)分析，汽車(chē)技術(shù)，2006年.

[3]申秀敏 ?左曙光等 燃料電池車(chē)聲振測(cè)試及噪聲源識(shí)別，聲學(xué)技術(shù)，2008年8月.

[4]唐強(qiáng) ?左曙光等 燃料電池轎車(chē)空氣輔助系統(tǒng)噪聲研究的進(jìn)展，噪聲與振動(dòng)控制，2012年2月.

[5]葉勝望等，燃料電池汽車(chē)氫噴射噪聲分析及優(yōu)化，新能源汽車(chē)，2017，11.