在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車上，熱管理系統(tǒng)及其核心部件壓縮機(jī)隨發(fā)動機(jī)一同工作，因此其振動噪聲問題易被更大的發(fā)動機(jī)振動噪聲所掩蓋。對于新能源汽車，由于缺乏發(fā)動機(jī)的掩蓋效應(yīng)，熱管理系統(tǒng)的振動噪聲問題會變得突出。尤其是壓縮機(jī)，它不僅服務(wù)于空調(diào)，還需參與電池?zé)峁芾淼裙ぷ?，工況更為惡劣，若匹配不當(dāng)，會在車內(nèi)產(chǎn)生明顯的振動噪聲。此外，在部分新能源車型上，熱管理系統(tǒng)的制熱系統(tǒng)已從常用的PTC系統(tǒng)升級為熱泵系統(tǒng)。熱泵系統(tǒng)對壓縮機(jī)、管路、電子閥等部件的要求更高且更復(fù)雜，因此也帶來了更多的NVH挑戰(zhàn)。針對上述問題，需要從系統(tǒng)整體層面綜合考慮NVH開發(fā)方案。本文以某款混合動力轎車的熱泵系統(tǒng)為例，詳細(xì)分析其結(jié)構(gòu)特征、NVH產(chǎn)生機(jī)理及解決措施。

熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

熱泵系統(tǒng)具備制冷和制熱雙重功能。制冷原理與普通空調(diào)相同：制冷時，高溫高壓的冷媒流經(jīng)車外冷凝器，釋放熱量至車外；制熱時則相反，高溫高壓的冷媒流經(jīng)車內(nèi)冷凝器，釋放熱量到乘員艙。系統(tǒng)組成如圖所示。相比普通空調(diào)，熱泵空調(diào)在空調(diào)箱體內(nèi)增設(shè)了車內(nèi)冷凝器，并增加了多個電子膨脹閥、電磁閥、單向閥和傳感器等。

1、 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)將低溫低壓的氣態(tài)冷媒壓縮為高溫高壓的過熱氣態(tài)，是熱管理系統(tǒng)的核心。目前，新能源汽車行業(yè)內(nèi)普遍采用渦旋式壓縮機(jī)，其工作原理如下：壓縮機(jī)內(nèi)部的動盤繞靜盤做平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動，氣態(tài)冷媒從吸氣口進(jìn)入，被吸入月牙形氣腔；隨著月牙形氣腔閉合，密閉容積逐漸被轉(zhuǎn)移至靜盤中心并不斷縮小，氣態(tài)冷媒被持續(xù)壓縮，最終從中間排氣口排出。

2、 熱管理系統(tǒng)管路熱管理系統(tǒng)管路用于連接熱管理系統(tǒng)的各個部件，按壓力可分為高壓管路和低壓管路。高壓管路指壓縮機(jī)到膨脹閥之間的部分；低壓管路指膨脹閥到壓縮機(jī)之間的部分。在高低壓管路之間，可能會有一段同軸管，以提高系統(tǒng)效率。管路從機(jī)艙延伸至車內(nèi)，通常會通過車身上的幾個固定點(diǎn)進(jìn)行安裝。3、 冷媒模塊新能源汽車熱管理系統(tǒng)目前正向集成化方向發(fā)展，主要包括冷媒側(cè)集成、冷凍液側(cè)集成，或兩者的共同集成。冷媒側(cè)集成模塊將電磁閥、電子膨脹閥、單向閥及板換集成于一體，通常安裝在機(jī)艙前圍板或縱梁上。模塊內(nèi)設(shè)多層流道，外設(shè)多個接口，通過閥體開關(guān)調(diào)節(jié)冷媒流向，從而實(shí)現(xiàn)制冷與制熱模式的循環(huán)。4、 HVAC箱體HVAC箱體在空調(diào)系統(tǒng)中起到熱交換、出風(fēng)模式控制及出風(fēng)溫度調(diào)節(jié)的作用。熱交換器主要包括蒸發(fā)器、冷凝器和暖風(fēng)芯體。通過調(diào)整冷暖風(fēng)門的位置，調(diào)節(jié)流經(jīng)蒸發(fā)器和暖風(fēng)芯體的風(fēng)量比例，使冷熱風(fēng)混合均勻后，從模式出風(fēng)口吹出。

熱泵系統(tǒng)的振動噪聲控制

激勵源的控制：壓縮機(jī)作為熱泵系統(tǒng)的核心激勵源，需通過改進(jìn)其自身結(jié)構(gòu)來減弱激勵。一是優(yōu)化壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，例如動盤與靜盤的型線、曲軸襯套的配合間隙、滑動副的接觸面等，以降低工作腔的壓力脈動和零件的異常摩擦，進(jìn)而削弱激勵。二是優(yōu)化壓縮機(jī)的安裝，比如提高壓縮機(jī)固定支架的模態(tài)、增強(qiáng)安裝點(diǎn)的動剛度，從而避免設(shè)計缺陷引起的共振，放大激勵。

傳遞路徑控制：提高機(jī)艙的隔吸聲性能，改進(jìn)前圍板管路過孔處的隔聲措施，可降低壓縮機(jī)向車內(nèi)的輻射噪聲。此外，增加壓縮機(jī)隔聲罩能抑制車外輻射噪聲。壓縮機(jī)的振動，一方面通過動力總成傳遞到與之相連的車身，再傳遞到車內(nèi)座椅和轉(zhuǎn)向盤；另一方面通過高低壓管路向外傳遞，在管路與車身連接處（例如管路支撐點(diǎn)或冷媒側(cè)集成模塊安裝點(diǎn)）會傳遞給車身，激發(fā)車身振動和噪聲。因此，選擇合適的管路固定位置和方式對于減少激勵傳遞至關(guān)重要。下圖為整車壓縮機(jī)振動激勵傳遞路徑示意圖。

給壓縮機(jī)匹配消聲器是一種非常有效的降噪手段，通常將其布置在接近壓縮機(jī)排氣口側(cè)的管路上。車上的壓縮機(jī)消聲器一般采用擴(kuò)張式結(jié)構(gòu)。消聲器的噪聲傳遞損失與消聲器的入管直徑d、擴(kuò)張腔直徑D及擴(kuò)張腔長度L相關(guān)，其計算方法如下：

式中：TL 為傳遞損失；m 為擴(kuò)張比；λ 為波長；t 為管內(nèi)溫度；f 為激勵頻率。接受點(diǎn)控制：接受點(diǎn)是指車內(nèi)乘員的主觀感知點(diǎn)，如轉(zhuǎn)向盤、人耳處等。

對接受點(diǎn)的振動須從設(shè)計角度進(jìn)行模態(tài)避頻，或者匹配吸振器以降低振幅。對于人耳旁噪聲的控制，除了避免車內(nèi)聲腔模態(tài)耦合外，近年來主動降噪方法（ANC）也是一種重要解決方案。

熱泵系統(tǒng)NVH分析與優(yōu)化方案

熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)通常工作轉(zhuǎn)速高、范圍廣，工作負(fù)荷大，且在純電工況下無發(fā)動機(jī)掩蔽效應(yīng)，因此NVH問題更為突出，主要表現(xiàn)為以下特征：（1）壓縮機(jī)高轉(zhuǎn)速時噪聲大；（2）轉(zhuǎn)向盤振動顯著增強(qiáng)；（3）中高頻激勵成分增多；（4）車外壓縮機(jī)噪聲突兀。

1、車內(nèi)噪聲問題分析與優(yōu)化

某款熱泵空調(diào)在低溫制熱模式下，壓縮機(jī)升速時，車內(nèi)出現(xiàn)明顯轟鳴。分析顯示，車內(nèi)噪聲在200~250 Hz頻段存在明顯共振帶。通過排查激勵源和路徑，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)本體振動頻譜特征與問題相同。進(jìn)一步仿真分析壓縮機(jī)，結(jié)果顯示其1階彎曲模態(tài)為240.2 Hz，與車內(nèi)噪聲問題相符，且應(yīng)變能主要集中于安裝點(diǎn)。針對壓縮機(jī)殼體安裝點(diǎn)，如圖采用加強(qiáng)方案以提高連接剛度和模態(tài)。實(shí)車驗(yàn)證表明，車內(nèi)240 Hz噪聲共振帶已消除，優(yōu)化效果顯著。

如前所述，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期間，冷媒從壓縮機(jī)排出時會產(chǎn)生周期性的壓力變化，進(jìn)而形成壓力脈動，這種脈動以振動的形式作用于管路上，并通過管路安裝點(diǎn)傳遞至車身，從而產(chǎn)生車內(nèi)輻射噪聲。為降低熱泵系統(tǒng)噪聲，需合理匹配管路中的軟管長度、對管路固定點(diǎn)進(jìn)行隔振以及采用管路消聲器等方法。以某34mL排量的熱泵壓縮機(jī)為例，使用空氣作為介質(zhì)，模擬轉(zhuǎn)速為4,800 r/min時壓縮機(jī)產(chǎn)生的氣流脈動進(jìn)行橫向?qū)Ρ妊芯?。在消聲器入口處輸入特定頻率波動的質(zhì)量流量，觀察消聲器出口處的壓力隨消聲器容積的變化情況。在排量和轉(zhuǎn)速確定的條件下，消聲器容積越大，對壓力波動的抑制效果及對管路振動的衰減效果均越好。當(dāng)擴(kuò)張腔容積與壓縮機(jī)排量的比值接近某一特定值時，繼續(xù)增大容積對壓力脈動衰減的增益將逐漸減小，壓力脈動的抑制效果趨于上限。通過仿真分析，可獲得消聲器設(shè)計的最優(yōu)降噪方案。2、轉(zhuǎn)向盤振動問題分析與優(yōu)化熱泵系統(tǒng)兼具制冷與制熱功能，在不同工作條件下，其工作模式、工作部件及工作路線均有所差異。以采暖模式為例，存在HEV工況、EV工況、極寒工況、低溫工況、次低溫工況、電池包加熱工況等六種以上工作模式，涉及水PTC、余熱換板、外冷凝器、內(nèi)冷凝器、發(fā)動機(jī)、壓縮機(jī)等部件的啟動與否，且冷媒流通路線各不相同。因此，當(dāng)工況切換時，壓縮機(jī)激勵會通過不同管路傳遞至空調(diào)系統(tǒng)HVAC箱體，直接影響車內(nèi)振動與噪聲。當(dāng)熱泵系統(tǒng)制熱時，壓縮機(jī)壓縮后的高溫高壓氣態(tài)冷媒從壓縮機(jī)排出，通過管路進(jìn)入車內(nèi)HVAC箱體，并輸送給車內(nèi)冷凝器。壓縮機(jī)帶來的壓力脈動會引起管路振動，這些振動經(jīng)HVAC箱體、前圍板安裝點(diǎn)、CCB管梁傳遞，一部分以振動形式表現(xiàn)在轉(zhuǎn)向盤上，另一部分則通過HVAC箱體與車身之間的連接點(diǎn)，以輻射噪聲形式在乘員艙內(nèi)擴(kuò)散。上文提到的壓縮機(jī)排出管消聲器、軟管長度加長及管路安裝點(diǎn)采用隔振襯套，均是在激勵源前端和傳遞路徑上所做的優(yōu)化措施。而HVAC箱體的優(yōu)化，則是以車身前圍板為界，在乘員艙內(nèi)實(shí)施的NVH優(yōu)化措施。熱泵系統(tǒng)的HVAC箱體與普通空調(diào)的主要差異在于多出一個車內(nèi)冷凝器。與車內(nèi)冷凝器相連的壓縮機(jī)高壓排出管振動激勵較大，是車內(nèi)振動噪聲的主要傳遞路徑。因此，管路與箱體、芯體與箱體之間應(yīng)避免剛性連接，必須采取隔振措施?？尚械腘VH解決措施如下：（1）對車內(nèi)冷凝器管路進(jìn)行隔振；（2）控制車內(nèi)冷凝器芯體與箱體周邊的間隙；（3）采用PU發(fā)泡材料填充間隙，如圖所示。某款熱泵系統(tǒng)的HVAC箱體采用了上述措施，數(shù)據(jù)對比顯示，該方案已顯著降低轉(zhuǎn)向盤振動幅值。

3、壓縮機(jī)車外噪聲問題分析與優(yōu)化

相比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，熱泵系統(tǒng)對壓縮機(jī)功率和工作轉(zhuǎn)速有更高的要求，因此，在高負(fù)荷工況下，壓縮機(jī)自身運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的輻射噪聲也會更大。例如，高溫高原系統(tǒng)制冷加電池冷卻工況、寒區(qū)電池加熱加空調(diào)采暖工況、大功率直流充電時的電池冷卻工況、寒區(qū)電動車高速行駛后怠速時的電池制冷加空調(diào)采暖工況等，這些高負(fù)荷運(yùn)行工況給空調(diào)系統(tǒng)NVH帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

當(dāng)車輛處于EV模式下的原地停駛或低速行駛工況時，壓縮機(jī)高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速工作產(chǎn)生的車外輻射噪聲易引發(fā)關(guān)注。此類噪聲的NVH特征主要體現(xiàn)在中高頻段，表現(xiàn)為尖銳刺耳的聲響。發(fā)動機(jī)艙的聲密性較乘員艙差，存在多處噪聲泄漏點(diǎn)，如前艙底護(hù)板孔洞、輪罩與翼子板間隙、機(jī)艙蓋間隙、進(jìn)氣格柵等裸露縫隙，這些均為壓縮機(jī)噪聲向車身周圍環(huán)境泄漏的主要途徑。為解決壓縮機(jī)車外輻射噪聲問題，可設(shè)計并開發(fā)壓縮機(jī)聲學(xué)包。聲學(xué)包的設(shè)計需依據(jù)壓縮機(jī)輻射噪聲的頻譜特性，既要考慮聲學(xué)材料在中高頻的吸聲性能和低頻的隔聲性能，也要兼顧材料的環(huán)保性、耐久性和密封性等基本要素。

按照NVH設(shè)計要求，開發(fā)了某款熱泵壓縮機(jī)聲學(xué)包。安裝該聲學(xué)包后，在消聲室內(nèi)進(jìn)行了整車驗(yàn)證。在距離車前1米、高度1.65米的位置布置了傳聲器。試驗(yàn)結(jié)果顯示，中高頻噪聲改善了近5dB；壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)態(tài)工況（步進(jìn)間隔1000r/min）總噪聲值優(yōu)化了3dB。最終，整車車外輻射噪聲的優(yōu)化效果達(dá)到了預(yù)期，如圖所示（左側(cè)為噪聲頻譜對比，右側(cè)為不同轉(zhuǎn)速工況噪聲聲壓級對比）。

4、基于NVH性能的熱泵系統(tǒng)控制策略優(yōu)化

通常情況下，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高或鼓風(fēng)機(jī)擋位的調(diào)高，熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生的振動噪聲會越來越大。因此，在解決熱泵系統(tǒng)NVH問題的過程中，除了要對各個零部件提出NVH設(shè)計要求外，還需配合優(yōu)秀的控制策略，才能將整個系統(tǒng)的NVH性能發(fā)揮到最佳。NVH開發(fā)工作應(yīng)積極參與熱泵控制策略的標(biāo)定過程。一款性能優(yōu)秀的熱泵系統(tǒng)既要滿足空調(diào)舒適性、能耗和效率的要求，同時也要將整車空調(diào)的NVH性能做到最優(yōu)?；旌蟿恿I車根據(jù)駕駛模式（如EV模式或HEV模式）以及熱泵系統(tǒng)需求對象（如乘員艙或電池包）的不同，分類匹配相應(yīng)的軟件控制策略。另外，根據(jù)車輛運(yùn)行狀態(tài)的不同，熱泵工作條件還可分為：

（1）怠速工況；

（2）靜置充電工況；

（3）行車工況?？梢?，由于整車運(yùn)行狀態(tài)的不同，熱泵系統(tǒng)工作的背景噪聲會有明顯差異，因此對熱泵系統(tǒng)的NVH要求也不同。從上述條件可知，在EV怠速工況、靜置充電工況以及EV低速行駛工況下，乘客對熱泵系統(tǒng)的NVH性能要求最為苛刻。因此，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速策略應(yīng)根據(jù)空調(diào)擋位、車輛模式、行駛車速以及乘員艙與電池包是否都有制冷或制熱需求等條件，結(jié)合車內(nèi)乘員的NVH容忍度，來制定不同條件下的壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速。

依據(jù)以上所述NVH優(yōu)化方案，對某款混合動力轎車的熱泵系統(tǒng)開展振動噪聲優(yōu)化后，其改進(jìn)前后的對比結(jié)果如圖。從圖中可見NVH性能改善明顯，達(dá)到原先設(shè)定的目標(biāo)。

總結(jié)

本文基于熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，研究了熱泵系統(tǒng)振動噪聲性能的控制方法，并將該方法應(yīng)用于某混合動力轎車的熱泵系統(tǒng)NVH性能開發(fā)中，取得了較好的改善效果。從中可以得出以下結(jié)論：

1、壓縮機(jī)是熱泵系統(tǒng)NVH問題的核心激勵源。通過優(yōu)化壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計以降低壓力脈動，同時提升壓縮機(jī)的安裝模態(tài)和安裝點(diǎn)動剛度，以避免共振現(xiàn)象。

2、空調(diào)管路是重要的NVH傳遞路徑。一方面，需根據(jù)壓縮機(jī)排量大小在管路中匹配適合的消聲器來降低壓縮機(jī)激勵；另一方面，將部分空調(diào)管路改為一定長度的軟管，并對管路固定點(diǎn)采取隔振措施，可有效降低壓縮機(jī)激勵傳遞給車身HVAC箱體對車內(nèi)振動噪聲產(chǎn)生直接影響，因此，在箱體設(shè)計開發(fā)時應(yīng)增加減振隔振措施。

3、壓縮機(jī)控制策略對熱泵系統(tǒng)整車NVH表現(xiàn)有重要影響。應(yīng)根據(jù)車輛不同工況制定精確的壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速策略，以實(shí)現(xiàn)NVH最優(yōu)效果。

注：文章中引用數(shù)據(jù)和圖片來源網(wǎng)絡(luò)