燃料电池系统噪声测试方法研究
时间：2023-02-17 10:45:06 来源：千叶帆 本文已影响人
许向国， 付 娜
(中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122)
2022年3月，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，氢能是未来国家能源体系的重要组成部分。
助力实现“双碳”目标，深入推进能源生产和消费革命。可见，统筹规划、整体布局氢能全产业链发展，既是能源绿色低碳专项的重要抓手，也为碳达峰、碳中和目标实现提供了有力支撑。
发展车用氢能产业是促进清洁能源体系构建和汽车强国建设的重要途径，氢燃料电池汽车是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车[1]。随着人们对汽车乘坐舒适性要求的提高，汽车的噪声控制日益受到人们的重视。目前，对汽油车、柴油车噪声问题已经采取了行之有效的控制措施，而燃料电池汽车噪声源识别与测试优化还有待提高。梁晓燕等研究了燃料电池汽车空气进气噪声测试方法，叶胜望[2]等研究了氢喷射系统的噪声与优化，前期研究多集中在子系统噪声测试与优化，在整个燃料电池系统集成后的噪声测试方法上没有研究，因此以燃料电池系统为研究对象，着重对燃料电池系统噪声源进行分析，通过研究测试方法进行噪声试验及验证，准确测定燃料电池系统的噪声。
燃料电池系统主要由燃料电池电堆、控制子系统、空气供应子系统、氢气供应子系统、水热管理子系统、DC/DC变换器等几大部分组成，其结构原理如图1所示。燃料电池电堆本身的电能转化非常安静，但维持燃料电池电堆的正常运行需要一套复杂的供气、排气、冷却保障系统。这些保障系统产生了振动和噪声，主要是空气供应子系统中的空气压缩机、氢气供应子系统中的氢气循环泵、排气噪声、固定部件振动噪声等[3-6]。因此，在燃料电池系统研发中的噪声识别和控制问题成为了科研人员面临的一个新难。
图1 燃料电池系统结构原理图
1.1 空气供应子系统噪声
氢燃料电池汽车的进气存在噪声问题。燃料电池系统中的空气供应子系统是将具有一定压力、流量以及湿度的空气供应给燃料电池堆[7]。通常空气供应子系统主要由空气滤清器、空气压缩机、中冷器、增湿器、消声元器件、调节阀及连接管理件等组成。噪声源主要来源于空气压缩机产生的高频噪声；
空气压缩机不断挤压或者高速旋转空气过程中压力波产生的空气动力噪声；
高流速空气流过进气口以及排气口时的涡流噪声[8-9]。另外，空压机在运转时泵体和电机也会产生较大的机械振动噪声。
针对空气供应子系统的噪声来源，降噪措施包括：优化主噪声源（空压机）的悬挂位置；
优化空气管路结构，减少气体涡流的形成；
在进排气口加装消声器；
在噪声源外加隔音材料等[10-11]。
1.2 氢气子供应系统噪声
氢气供应子系统的作用是持续将高纯度的、具有一定流量和压力的氢气提供给燃料电池堆。氢气供应子系统主要包括储氢系统、减压阀、压力调节阀、氢气循环泵、加湿器、汽水分离器及氢气尾排阀等[12]。氢气子系统噪声来源主要是氢气循环泵工作噪声，主要是扇叶高速运转时产生的机械声、进口及出口氢气流动产生的涡流声、氢气循环泵工作时与支架产生的振动噪声等[13]。另外，管道内高压氢气的流噪声以及喷氢本体电磁阀开关闭合也会引起噪声。
针对氢气供应子系统的噪声，降噪措施主要有：修改氢气循环泵橡胶弹性支架刚度特性，降低振动以达到降噪；
在电控喷氢阀前后加装消声装置[14]。
1.3 冷却系统噪声
冷却系统散热风扇噪声发生的原因是空气的涡旋流动所致，因此出现了频率范围较宽的压力波动[15]。这种宽频带噪声其有一个围绕某个频率的较宽峰值的特征，它是风扇叶片在这个频率下由空气掠过风扇或风扇电机支撑或风扇保护罩上筋条所构成的结构件而产生的。散热风扇一般和车辆其他系统共用，所以燃料电池系统噪声测试时可不考虑散热风扇的噪声
燃料电池系统带载噪声测试方法现目前无统一的国家标准，各大系统厂商大多参照的内燃机或是变压器国家标准只测空压机或者是氢气循环泵，若是对燃料电池系统进行带载噪声测试则对测试涉氢环境提出了需求，需对半消音室进行涉氢改造，工序复杂，造价昂贵。针对这一问题，本文提出一种高校可行和简易现场检测方法对燃料电池系统进行带载噪声测试。
本实验采用燃料电池系统测试台架对燃料电池系统进行带载测试，按照制造商建议的起动步骤起动燃料电池系统，测量燃料电池系统在怠速状态、50%额定功率和额定功率工况下的噪声值。噪声测试时，燃料电池发动机应模拟整车状态（包括布置、连接），同时噪音测试过程中，燃料电池系统可增加进气消音器、排气消音器、降噪包裹材料等能在整车上实施的降噪措施。
本试验采用声压级测量值表示燃料电池系统的噪声水平。测试设备符合GB/T 3785的规定的Ⅰ型声级计，试验前、后均采用精度优于±0.5 dB的声校准器对该设备进行校准。声级计是一种能得到客观的、可重复测量声压级的仪器，包括传声器、处理单元和读数单元。
2.1 试验环境
试验环境应是在一个反射面之上的近似自由场。理想的试验环境应是使测量表面位于一个基本不受邻近物体或该环境边缘反射的声场内。因此，反射物体（支撑面除外）应尽可能远离基准体，且应比测量表面在其上的投影大。此外，在有反射面的情况下，可用吸声板来改善试验环境[16]。
2.2 传声器布置
噪声测量时，应先确定基准体和测量距离以确定测量表面并布置传声器位置。测量距离d可以在0.1 ～1 m之间选择。测量表面与墙面和天花板的距离应≥0.5 m，传声器布置为5个测试位点，布置位置示意图如图2所示。本次测试d取值为0.3 m[16]。
图2 基准体、测量表面和传声器位置示意图[16]
2.3 环境与背景噪声的影响
考虑到常规实验室背景噪声比较大，本次实验验证通过增加隔声材料的方式降低实验室的背景噪声，使被测系统的噪声与背景噪声的差值大于10 dB[17]。
但实际的试验环境与理想的自由场环境有明显不同，实验室的地面、墙壁、测试台架等会反射声波对试验品所发出的声波进行干扰，从而导致驻波的出现，影响声级测量准确性。在本实验中同步引入环境修正系数K来消除实验室边界或邻近物体的反射产生的影响，环境修正值K考虑了不希望出现的试验室边界或邻近试品的反射物所产生的声反射的影响，K值主要取决于实验室吸声面积A对测量表面积S的比值，环境修正系数K的最大允许值为7 dB[18]。
环境修正系数K计算公式如下：
式中：K——环境修正值，dB；
A——实验室的吸声面积，m2；
α——平均吸声系数；
SV——实验室（墙壁、天棚和地面）的总表面积，m2；
S——被测样品表面面积，m2；
h——被测样品高度，m；
lm——轮廓线周长，m。
测量背景噪声对测试结果影响时，声级计所处的位置和实际测试时的位置相同。在试验前和试验后分别测量出背景噪声的平均声压级。
式中：M——测试点总数；
LbgAi——各测试点上测得的背景噪声A计权声压级。
2.4 试验数据处理
式中：N——测点总数；
LpAi——各测试点上测得的A计权声压级。
其中LbgA为测试前后两个计算出的背景噪声平均A计权声压级中的较小者，结果如表1所示。
表1 试验接受准则
2.5 典型燃料电池系统噪声测试结果
参照T/CECA-G0125-2021 T/CSTE 0121-2021《“领跑者”标准评价要求 车用燃料电池发动机》图体标准[19-20]规定的方法进行试验。选取某款额定功率为110 kW的国产燃料电池系统样机进行噪声测试，分别测量怠速状态、50%额定功率和额定功率工况下燃料电池系统噪声和背景噪声，样品参数信息详见表2。
表2 样品参数信息
试验室长2.9 m，宽2.7 m，高1.9 m，其平均吸声系数α为0.35。样品规定轮廓线高度lm为5.42 m。因此：
实验室总面积：SV=2×（2.9×2.7+2.9×1.9+2.7×1.9）=36.94 m2。
测量表面的面积：S=1.25×5.42×0.65=4.40 m2。
环境修正系统（必须≤7 dB）：K=3.73 dB。
简易测试法测试流程：按照图2的方式将待测样品放入试验室中央，另将传声器布置在待测样品5个面，距离待测样品0.3 m。试验前在不起动燃料电池系统的状态下先测试背景噪声，然后按照制造商建议的起动步骤起动燃料电池系统，燃料电池系统启动后，在怠速状态下持续稳定运行10 min，再按照制造商规定的加载方式加载到50%额定功率及额定功率状态，分别稳定运行10 min，记录燃料电池系统在怠速状态、50%额定功率、额定功率过程中的噪音最大值，试验结束20 min后测试环境背景噪声值。噪音测试过程中尽量避免暂停或中断，时间平均声压级的测量时间间隔至少10 s，最好20 s或更长。
试验过程中的数据记录及试验结果如表3所示。
表3 实验数据记录dB
在试验过程中，测试监控表明空气系统的空压机、氢气系统的氢泵、水热管理系统的水泵等是燃料电池系统的主要噪声源。为验证测试结果的可靠性，将其与在半消音室测试环境条件下的测试结果进行对比，结果基本一致，表明测试结果的有效性，对比数据如表4所示。
表4 数据对比dB
研究了汽车用燃料电池系统的噪声来源及其测试方法，提出了燃料电池系统高效和简易的现场带载噪声测试方法，针对环境与背景噪声的影响，提出引入环境修正系数K来消除实验室边界或邻近物体的反射产生影响的解决方案，并对该方法的可靠性进行验证。通过对国内某款燃料电池系统进行噪声测试，验证了本测试方法的有效性和准确性。
简易测试方法的提出有效简化了对涉氢半消音室的需求，可快速准确地建立燃料电池系统噪音测试方法，提升测试效率。本研究对建立燃料电池系统噪声测试国家标准和燃料电池汽车噪声设计等提供有效的参考。
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