电动汽车CO2,热泵空调系统振动与噪声问题解决方法概述
范英杰
（重庆工商职业学院，重庆 401520）
2021 年，全球纯电动汽车销量约为460 万辆，中国纯电动汽车销量约为291 万辆，占比在60%以上。中国是目前世界上新能源汽车产销量最大的国家。且在能源与环保的双重压力下，纯电动汽车销量将持续增长。但是，纯电动汽车目前仍然存在一些技术瓶颈，如整车的续航里程较短、整车的充电时间较长及电池的保养、更换及后处理问题等。其中续航里程长短是决定用户是否购买纯电动汽车的关键因素，也是开发人员最为关注的领域。影响纯电动汽车续航里程的因素众多，其中就包括其空调系统的能耗。寒冷的冬天，纯电动汽车在开启空调制热模式时，其续航里程会有大幅下降，原因在于目前市场上绝大多数纯电动汽车空调制热都采用加热器加热方式，该方式对电池电量的损耗极大。在解决该问题过程的所有方案中，采用热泵空调系统是目前最为有效的方案之一。
目前在热泵空调系统中用作冷媒的物质主要有三种：R134a、R1234yf 及CO2。当前已有部分纯电动汽车使用R134a 与R1234yf 作为冷媒的热泵空调系统，但该种热泵因冷媒标准气压下沸点较高的原因，在气温低于-10 ℃的环境中制热效果较差，未得到广泛应用。且R134a 的全球温室效应潜值（GWP100）＝1300，为强温室效应物质，也不符合环保要求，已趋近淘汰。在此情况下，CO2以其众多突出优点，成为了热泵空调系统较为理想的冷媒，本文对目前CO2热泵空调系统所存在的噪声（NVH）领域最突出的问题及对应解决方法进行概述，为开发空调系统的工程技术人员提供参考。
CO2热泵空调系统能够成为较理想的冷媒：首先，CO2的GWP100＝1，环保效应良好，即使因系统失效造成CO2从空调系统中泄露至空气，因其量的不足，也不会对环境造成太大影响。此外，CO2在标准大气压下沸点较低，其在低温环境下制热效果极佳。此外，CO2热泵空调系统还拥有压缩机效率高、热损失低等优点。综合来看，CO2热泵空调系统制热时的能源利用率较高，COP 能达到3.5 左右[1]，可有效延长续航里程30%以上，远高于采用其他冷媒的热泵。
目前CO2热泵空调系统还没有市场化广泛应用。其主要原因在于该系统的开发难度较大：CO2临界压力较高，约为7.38 MPa；
且CO2热泵空调系统工作时处于跨临界循环，因此整个空调系统中的压力远远高于采用传统冷媒的热泵系统，约为这些系统的5～10倍，工作时系统中最高压力能达到12 MPa 以上。高压会带来更强的噪音与振动，且电动汽车无发动机的存在，其空调系统工作时的噪声无法被发动机的本底噪声掩盖，造成其空调系统噪声比较明显。除此以外，热泵空调系统在制热时压缩机转速普遍较高，也使得NVH 性能劣化情况较为严重。根据目前工程化开发情况来看，CO2热泵空调系统NVH 问题极为突出，主要集中在压缩机与空调管路上。
对CO2热泵空调系统的研究目前还主要集中在系统设计、采暖性能及控制策略上[2-5]，对其NVH 性能的研究鲜见报道。根据目前针对某纯电动汽车CO2热泵空调系统的工程化开发情况来看，CO2热泵空调系统振动与噪声在制热工况下较为明显，其来源主要包括两个部分：压缩机及空调管路。由于搭载CO2热泵空调系统的量产车型较少，目前相关参考文献也较少，因此主要以搭载了其他类型空调系统的纯电动汽车开发经验为主进行概述。
2.1 压缩机振动与噪声产生机理及解决方法
压缩机造成的系统振动与噪声，一般是由于压缩机转动时的自身振动及其他零部件共振引起。CO2热泵空调系统及其他纯电动汽车所用压缩机主要为涡旋式压缩机，其结构如图1 所示。动涡旋由偏心曲轴带动，因此该种设计使得压缩机工作时产生与其转速相关的周期性不平衡旋转惯性力，该力会使压缩机周期性振动，有可能引起其他零部件的共振。此外，若压缩机结构设计不合理，压缩机的振动幅值较大，会直接成为振动源。CO2热泵空调系统制热时处于跨临界循环，且为了尽快升温，压缩机转速较高。这就使得压缩机周期性振动频率较高，引起其他固有频率接近其振动频率的零部件共振。
图1 电动涡旋式压缩机结构
秦望等[6]发现某纯电动汽车压缩机在3000 r/min时一阶振动造成共振，使得方向盘振动较大及车内存在明显轰鸣声；
通过给压缩机支架增加橡胶衬套使得压缩机一阶激励降低，方向盘振动与车内轰鸣水平降低。金明等[7]发现某纯电动汽车压缩机在2300 r/min转速下会与风扇形成拍振，在5000 r/min 会造成车内严重振动；
通过优化转速策略及改变压缩机支架以优化安装刚度，问题得到控制。孔剑等[8]试验中发现，某纯电动皮卡压缩机在2185 r/min 时会引起方向盘、座椅导轨及底板振动，通过调整压缩机支架系统刚度，成功解决该问题。谭雨点等[9]通过优化纯电动汽车空调压缩机支架模态，避免了压缩机在4000 r/min 时与支架产生共振造成的车内振动与噪声较大问题。何吕昌等[10]用增强材料增强了燃料电池电动车压缩机支架的整体刚度，避免了压缩机与支架的共振，降低了空调开启时车内的异常振动。罗颖等[11]发现，某纯电动汽车压缩机转速为4000 r/min 时，车内噪声与方向盘振动偏大，且频率与压缩机基频振动频率接近。采用了优化压缩机配重、减小旋转不平衡惯性力与提高零件加工质量、减少因加工造成的动不平衡的措施后，问题得到改善。邱琳等[12]通过调整压缩机转速及改善压缩机内部动、静盘摩擦等措施，消除了纯电动汽车空调开启时压缩机运转引起的车内噪声问题。综上所述，对于压缩机引起的振动与噪声问题，主要通过优化压缩机结构、优化压缩机转速及优化压缩机支架模态来解决，但对于主机厂来讲，优化压缩机结构较难实现，主要通过优化压缩机转速与支架模态两条措施来控制问题，但压缩机转速降低后取暖效率会受到影响，因此最优措施为对压缩机支架进行优化。
2.2 空调管路振动与噪声产生机理及解决方法
根据目前的开发情况，造成CO2热泵空调系统中空调管路异常振动的原因主要为空调管路的压力脉动。管路中压力脉动一般出现在管路转弯处及管路截面变化处，压力脉动会造成管路激振。空调管路截面一般变化较小，但由于空间限制，存在多处转弯，在转弯处的脉动激振力[13]为
其中ΔP为脉动压力最大幅值，β为弯管转角。由公式可得，脉动激振力主要与弯管转角与脉动压力相关，在管路转角处，脉动压力越大，脉动激振力越大。CO2热泵空调系统工作时系统压力极高，使得脉动压力较高，造成脉动激振力较大，因此管路振动情况极为明显。此外，压力脉动频率等于压缩机工作频率，管路的压力脉动还可能引起其他零部件的共振。赵敏等[14]通过在高压管转弯处增加质量块及调整压缩机转速的方式，降低了纯电动汽车热泵空调系统管路振动幅值与频率，减轻了车内噪音强度。董涛[15]通过改变热泵空调系统管路支撑位置和支撑数量、增加管路配种、调整管路长度与管壁厚度等方式，改变管路的固有频率，减轻压力脉动带来的管路振动。赵勤等[16]通过对汽车空调管路的流固耦合分析发现，空调管路的硬度越大，管路的振幅越小。张建国等[17]发现，增加空调管路长度并增加消音器，可降低管路产生的噪声，增加配重块，可降低管路的振动。申秀敏等[18]通过在空调高压管与低压管分别增加400 g 与300 g 的质量块，可降低怠速下开启空调时车内噪音水平。综上可知，对于管路在压力脉动下产生的振动，主要通过改变管路材料、长度、壁厚或增加质量块及消声器等措施来减轻，其根本目的都是改变管路的固有频率，使其在相同的激励下振幅减小。考虑到在主机厂NVH 部分一般是系统设计结束后进行评价及改进，因此改变管路材料、长度及壁厚等措施并不适用，主要还是通过增加质量快及消声器等措施来减轻管路振动。此外，压力脉动频率与压缩机工作频率相同，改变压缩机转速可改变压力脉动频率，避免管路振动引起其他零部件的共振。
除压缩机与管路振动造成的振动与噪声外，某些纯电动汽车空调系统还存在鼓风机、空调箱噪声等问题，目前在某车型CO2热泵空调系统开发过程中虽暂未遇到，但也需制定相应的防范措施。李鹏等[19]通过优化空调箱内部导流板结构，降低了空调箱内涡流造成的车内轰鸣强度，主观评价改善明显。王俊杰等[20]对鼓风机的轮毂型线和叶顶弧度进行优化，降低了鼓风机的43 频次叶噪声及总声压级。沈思思等[21]对鼓风机电机的橡胶隔振垫结构、法兰盘结构及电机安装方式进行优化后，降低了电机的12 阶（600 Hz）电磁振动。罗天胜[22]通过对空调箱采用扰流板和消音腔共振消音结构原理相结合，降低了空调箱气动噪声13.77%。整体来看，鼓风机电机噪声、空调箱噪声与压缩机振动及管路振动造成的振动与噪声相比，出现频率较低。解决方法可采用优化空调箱内部结构、优化鼓风机结构、优化鼓风机电机传递路径等方式。
综上所述，CO2热泵空调系统开发过程中的NVH问题主要包括压缩机与管路振动造成的振动与噪声。针对这两个问题，可以采用优化压缩机结构、优化压缩机转速及优化压缩机支架模态，改变管路材料、长度、壁厚或增加质量块及消声器等措施来加以解决。这些措施中，优化压缩机支架模态、优化压缩机转速及管路增加质量快，在实际的工程开发中更为适用。此外，针对可能出现的鼓风机及空调箱噪声问题，可通过优化空调箱内部结构，优化鼓风机结构及电机传递路径等措施来进行解决。
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