氢燃料电池车车内噪声和车外警示音
文章来源：汽车NVH之家
发布时间：2020-07-27
氢燃料电池汽车以行驶中零污染排放，驱动系统噪音低而成为汽车企业关注的焦点，但燃料电池车车内噪声及振动也不容忽视。本世纪初就有许多对燃料电池车车内噪声源和振动进行的实验分析及其减振降噪的具体研究。本文通过文献研究法，梳理了日本“未来” 车内噪声源及振动原因，以资相关人员借鉴。
氢燃料电池汽车以行驶中零污染排放， 驱动系统噪音低， 且氢能来源广数量多而成为近年来汽车企业关注的焦点。为了获得竞争优势，各国纷纷出台政策，加速推进氢燃料电池车关键技术的研发。与内燃机汽车相比， 燃料电池属于静态能量转换装置， 运行过程中噪音和振动都较小， 低速行驶时车外几乎没有噪声。但燃料电池车车内振动和噪声还是不容忽视的，早在本世纪初就有许多专家和学者对燃料电池车车内噪声源和振动进行过实验分析，寻求着解决办法。
2006年阎礁、左曙光等就对燃料电池轿车车内声振特性进行了实验分析， 采集了实验用样车车内噪声及运动部件振动加速度的信号， 找出了实验用样车车内噪声来源于驱动电机总成和燃料电池系统中的氢泵和风机，提出了减震降噪措施（阎礁、左曙光等，2006年）；申秀敏、左曙光等于2008 年对燃料电池车进行了声振测试和噪声源识别（申秀敏、左曙光等，2008 年），确定了主要振动噪声源为空气辅助系统和氢气辅助系统以及燃料电池冷却系统， 提出了对风机及氢气辅助系统箱体的改进方案；康强、左曙光等在《燃料电池轿车空气辅助系统噪声研究的进展》（2012 年） 中指出“空气辅助系统中的风机振动和噪声是燃料电池车噪声的主要源头”， 总结了燃料电池车空气辅助系统噪声研究的方向。叶胜望等（2017 年11 月）从氢喷射噪声角度分析了燃料电池汽车噪声源及给出了优化方法。
日本的2014 年商业化， 量产化了的氢燃料电池车“未来”车内也有噪声和振动，川边谦一在《燃料電池自動車のメカニズム》（2016 年）中指出在“未来”车内也能感知到噪声和振动， 分析了噪声源， 并指出 “未来” 在低速行驶时车外噪声很小， 小到路人几乎感知不到。为安全起见，“未来”车身前部安装有车外扩音器以警示路人。本文用文献研究法梳理了 “未来” 车内噪声源及振动原因，以资相关人员借鉴。
“未来”在行驶时，能听到吱吱的声音。其音量，会随着行驶速度的加快而增大， 不光是加速时， 减速时也能听到。这个声音，被称作磁励音，主要是从电机中发出的，用电机做驱动的车中，都有类似的声音，燃料电池车，电动车和混合动力车，都能听到类似的声音。
磁励音是在动力控制总成中产生的电的杂音。电机等因这个杂音而振动， 并发出吱吱的声音， 这个杂音来源于动力控制总成内部的能量半导体， 能量半导体以一秒钟数千次以上的速度， 反复开关电源， 致使在流回电机的电流中参杂了噪声。磁励音随着行驶速度不同其音量也会发生变化, 其原因在于能量控制总成里电力的转换原理， 在能量控制总成里， 有两种电力转换装置，一种是逆变器(inverter），把直流电变成交流电，另一种是整流器(converter)，把交流电变成直流电。燃料电池或驱动用电池被称作直流电， 电机被称作交流电。为使这两种不同电流能相互自由转换，需要逆变器或整流器。
产生噪声的功率半导体位于逆变器或整流器中，那么是怎样进行电力转换的？以逆变器为例加以说明。逆变器把由二极管供给的直流电转换为交流电，再通过三极管传送给电机。六个功率半导体各自独立且周期性地反复高速通断， 把直流电切割成非常细碎的电流，组成交流电（图1）。
在此转换中利用了功率半导体能把直流电压自由降压的原理。如果使用典型控制方法的脉冲振幅调制（Pulse Amplitude Modulation）的话，电源接通时的矩形波 （脉冲波） 输出频率周期性缩短， 平均电压就会下降。利用这个原理，周期性地改变平均电压，就能形成三相交流电波形。但是，形成的只是类似的交流电，电压波形不是规范的正弦波， 这是产生噪声的主要原因。
出处：川边谦一，《燃料電池自動車のメカニズム》，講談社（2016 年），P42。
因为逆变器可以控制电机， 根据行驶状况能改变三相交流电的波形。电机的转速和扭矩等能改变和控制输入电机的三相交流电的电压和周波数。此时，因为噪声的输出功率发生变化， 磁励音的输出功率也相应变化， 吱吱音的高低也会随着行驶速度的变化而变化。
以上是电流流入电机、加速时的状况。电机发电，用再生制动能量回收刹车减速时， 同样， 磁励音的高低也随行驶速度变化。使用再生制动能量回收刹车时的整流器中， 也应用了功率半导体降低直流电压的原理。
整流器不仅仅是把三相交流电变成直流电， 还控制着直流电压使其保持稳定。电机输出的交流电的电压，随着其旋转而变化。而驱动用电池，如果不把输入的直流电压稳定在一定范围的话就不能充电， 因此把三相交流电转换成高压直流电， 用功率半导体降为适当的电压， 输入驱动用电池中。这时， 也会产生电噪声，传递至电机，发出磁励音。
“未来”加速时，除了能听到吱吱的磁励音外，还能听到嗡嗡的声音。这是氢泵等旋转机械旋转速度加快时发出的声音， 是燃料电池车特有的代表性的噪声。用这个旋转机械把车外空气送进燃料电池， 加速时，为提高燃料电池的发电量， 送入的空气量增多， 因此旋转速度加快， 就发出嗡嗡的声音。另外， 低速行驶时，燃料电池发电量减少，旋转速度下降，会发出呜呜的轻微声音。
但无论是磁励音还是旋转机械等的噪声， 和发动机的噪声相比都非常小， 小到行驶速度加快时， 会被轮胎滚动的噪声或风噪声掩盖过去。因此， 不关掉空调， 让车内静下来仔细听的话， 有时会听不到那些噪声。
“未来”的车身前部装有扩音器，低速行驶时向车外发出警示音， 这个被称作车辆接近预警装置的警示音，起着告知路上行人车辆经过近旁的作用。
车辆接近预警装置不只是燃料电池车， 电动汽车以及混合动力车等多种车型都装有该装置。这些车，在低速行驶时， 几乎没有噪声， 为了安全起见装置了通报音。
“未来” 在车辆启动至行驶速度提升为每小时25公里这个区间内， 车辆接近预警装置开始启动， 发出通告音。通告音的高低， 随着行驶速度提高而逐步变化， 音色也呈现出类似轰轰的独特的声音。因为不像发动机声音那么大， 所以在车内如果关着车窗的话，很难注意到通告音。
车辆接近预警装置之所以被研发是混合电动车太安静而引起的。日本和美国等国家， 出于保护视觉障碍残疾人的角度， 对逐渐普及的混合动力车提出了过于安静，有危险等疑虑。因此，美日两国为了保护行人的安全， 规定了必须给汽车安装最低标准的警示铃声。日本国土交通部2010 年公布了安装车辆接近预警装置的指导方针。
以“未来”为代表的日本氢燃料电池车，实现了车辆从启动到高速行驶工况下的车辆舒适性等的性能目标， 同时也实现了不同于内燃机车的加速车内噪声减噪的目标。和国内用于声振测试及噪声源识别等实验用样车相比， 空气辅助系统噪声以及氢喷射噪声都被减低到被轮胎滚动的噪声或风噪声掩盖掉的程度，为我国的燃料电池汽车减振降噪研究树立了研发的目标。
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