项目编号：?? ?1830?????

燃料电池汽车大功率高压风扇声品质研究

Study on the Sound Quality of Powerful High-voltage Fans on Fuel Cell Vehicles

 

项目研制单位：同济大学 上海汽车集团股份有限公司前瞻技术研究部 上海捷氢科技有限公司

主要研制人员：郭荣 蒋燕青 叶胜望 吕家明 宓恬恬 罗睿 周子巍 黄振

 

1、研究内容介绍

（1）研究目的意义

燃料电池整车热管理系统不同于传统车，水温低，传统的12V冷却风扇不能满足燃料电池整车散热的需求，采用的是 350V 的高压风扇，风量远大于传统12V冷却风扇；且燃料电池汽车零部件众多，前舱布置拥挤，空气流场不畅，高压风扇的声品质很差，导致用户较大抱怨。因此，在满足燃料电池汽车热管理性能的基础上，确定高效合理的风扇结构，改善高压冷却风扇声品质，是本项目的研究目的。

（2）要解决的关键技术

本项目以荣威950燃料电池整车高压冷却风扇总成为研究对象，通过试验与CFD结合的手段，对燃料电池整车高压冷却风扇气动性能与噪声性能进行了仿真、优化与试验，建立了高压冷却风扇声品质评价模型，在满足燃料电池整车散热性能的基础上提出了风扇结构优化方案。关键技术研究分为以下几部分：

1. 基于整车的高压风扇振动与噪声测试与分析技术，包括关键测点的风扇噪声测试与频谱分析，振动测试与悬置隔振率分析；
2. 高压风扇总成悬置的刚度分析与优化技术；
3. 燃料电池整车冷却系统散热匹配计算技术，包括燃料电池冷却系统的数学建模，散热器的匹配计算，及搭建用于燃料电池冷却回路匹配计算的用户程序界面；

4.高压风扇主客观评价体系搭建技术，包括风扇噪声的声品质客观样本采集，主观评价试验的设计与进行，主客观参数的数据处理，基于多元线性回归与神经网络的主客观评价模型建立；

5. 高压风扇噪声产生机理研究，包括旋转机械的工作原理及结构，常见风扇噪声的产生机理、特性和目前主要的控制措施；
6. 高压风扇CAE流场与声场仿真计算技术，包括风扇的三维参数化重构，风扇表面及风扇气流流动特性分析，风扇表面噪声分布特性分析，基于瞬态工况的风扇周边监测点噪声频谱图计算与分析；
7. 高压风扇流动及气动噪声优化技术，根据仿真结果提出不改变气动性能下的风扇的噪声优化方案；
8. 基于台架的高压风扇气动性能与噪声优化试验验证技术，包括风扇样件的加工，风扇的动平衡准备，风扇气动性能与噪声测试台架搭建与试验进行，风扇单体气动性能与噪声数据处理与分析，基于声品质模型的风扇主观评价分值计算；
9. 冷却系统及声品质相关计算测试软件的设计与搭建技术。

（3）采用的技术路线和方法

项目研究的技术路线如图 1所示：

图 1 技术路线和方法

（4）达到的效果和成果技术水平

基于整车高压风扇NVH测试结果，结合有限元仿真方法对风扇流场与声场的分析，分别设计8叶与9叶高压冷却风扇，采用进口尼龙玻纤材料，通过CNC机加工方式制作了风扇样件。加工完成的风扇样件见图 2。

 

 

 

 

 

图 2 加工完成的高压风扇样件

将风扇样件替换原始风扇安装于风扇总成电机上，由同济大学提供了350V高压直流电源，企业提供风扇控制器，并在上海日用-友捷汽车电气有限公司进行了动平衡试验，见图 3，从而将加工后的风扇转动不平衡量调整至工业用标准。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图?3 高压风扇动平衡试验

图 4为优化8叶风扇在各转速下的声压级频谱图，计算其11000Hz内的总声压级。分析图片可知：1500rpm时的风扇噪声仅为69.58dB(A)，随转速增加，风扇声压级也快速增长，1500rpm低转速与最高转速的声压级差为22.49 dB(A)，说明噪声水平受转速影响较大；而10000Hz处的高频噪声峰值几乎不受转速影响，说明该噪声源为风扇外部件，为电机发出的高频电磁噪声。

图 4 不同转速下风扇声压级频谱图

统计4个风扇（8叶优化前、后，9叶优化前、后）在各转速下的噪声数据与流量数据，记录于表 1中。

表 1 各转速下各风扇流量与噪声数据

根据表 1绘制各风扇优化前后流量、噪声随转速的变化曲线如图 5所示。各风扇流量随转速增加呈线性增长，而风扇噪声的dB(A)值同样随转速增加，而增长幅度逐渐放缓。

(a) 8叶风扇流量曲线

(b) 8叶风扇噪声曲线

(c) 9叶风扇流量曲线

(d) 9叶风扇噪声曲线

图 5 风扇优化前后性能曲线对比

对于8叶风扇，优化后的风扇流量在低转速下略有增加，在2000rpm以上的高转速下基本与原风扇保持一致；而优化后的风扇噪声在各转速下均有降低，其中在3000rpm额定转速下降低了1.114dB(A)，随着转速降低，降噪幅值逐渐增大，并保持在1.5dB(A)左右；因此8叶风扇可以在保持同样气动性能的情况下达到1-1.5 dB(A)的降噪效果。

对于9叶风扇，优化后的风扇噪声与原风扇噪声在高转速下基本保持不变，在小于2200rpm的低转速下有小幅度的波动情况，总体可视为保持同样噪声水平；而优化后的风扇流量在各转速下均有约5%的提升，因此9叶风扇可在保持同样噪声标准的情况下增加流量。将降低100rpm的优化后风扇流量与原风扇流量进行对比，如图 6所示，可以发现二者流量基本保持一致，因此可通过降低9叶风扇转速约100rpm的措施达到降噪效果；将降低100rpm的优化后风扇噪声与原风扇对比，如图 7所示，可得在3000rpm额定转速下，9叶风扇的降噪效果约为1.335dB(A)。

图 6 调整转速后9叶风扇流量对比

图 7 调整转速后9叶风扇噪声对比

由于设备原因，试验时只能单风扇测量，但实际车上运行时双风扇在同转速下同时旋转，因此将原试验频域数据导出，用Matlab进行处理计算，以计算各监测点双风扇叠加的声能降低比。计算得额定转速结果如表 2所示。

表 2 双风扇噪声叠加的声能降低比值

转速(rpm)	3300	3200	3100	3000	2900	2800	2700	2600	2500
New(Pa2)	28.365	23.518	20.803	18.345	15.583	12.938	11.015	8.808	7.249
Old(Pa2)	34.636	29.962	25.997	22.150	20.531	17.883	14.492	13.086	11.178
降低百分比(%)	18.105	21.506	19.980	17.179	24.101	27.652	23.993	32.696	35.144

分析表中数据可得，双风扇在3300rpm – 3000rpm的高速工况下，声能分别降低了18.105%，21.506%，19.980%，17.179%，平均降低比值为19.19%，近似达到了降低20%的噪声性能提升要求。

为了分析主观评价结果与客观物理参数之间的相关性，使风扇同时具有较低的声压级和良好的听觉愉悦性，建立了以高压冷却风扇的声品质模型。现有已建立完成的逐步法线性回归模型为：

????????????? (1)

式中，Y为声品质主观评价分值，A为A声压级（dB(A)）；Ld为响度（sone）；Tu为音调度（tu）。计算本次试验中各转速下声音样本的A声压级、响度及音调度，从而得到各声音样本的声品质主观评分。

声品质主观评分为汽车行业内传统的10级评分值，如表 3所示。

表 3 主观评价10级评价标准

级度	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	不能接受				接受的过渡		可以接受
接受对象	所有顾客	绝大多数顾客			比较挑剔的顾客			受过培训的人员

将优化前后风扇的声品质客观参数代入已建立转换为1-10分评价范围的主观评价模型中，得到优化前后风扇声品质主观评价分值，如表 4所示。

表 4 各转速下各风扇声品质主观评价分值

转速(rpm)		3300	3200	3100	3000	2900	2800	2700	2600	2500
主观评分值	8-new	3.254	4.037	4.560	4.988	5.392	5.728	6.093	6.679	7.031
	8-old	2.152	3.138	3.596	4.106	4.526	4.891	5.270	5.927	6.360
	9-new	2.887	3.663	4.296	4.504	5.010	5.476	5.953	6.239	6.552
	9-old	2.395	2.919	3.435	3.757	4.396	4.831	5.333	5.810	6.096

分析上表可知，主观评价最低分值均出现在原风扇的3300转工况，随着转速的增大，主观评价分值减小，这个结果与通常情况下人们的感知趋势是相同的，而对于A声压级近似的两个风扇样本，则评价更易受到响度和音调度的影响。对于优化前后的风扇噪声样本，其主观评分值均有较大的提升，其中在3300rpm – 3000rpm的风扇高速工况下，8叶风扇的声品质评分平均提升了32.05%（4个转速下分别为51.213%，28.671%，26.819%，21.501%），9叶风扇的声品质评分平均提升了22.73%（4个转速下分别为20.539%，25.466%，25.054%，19.867%），两个风扇声品质提升均大于20%，可以在人感知范围内有明显区别。

2. 技术创新点

针对燃料电池汽车高压冷却风扇的气动噪声问题，在空间约束条件下，优化设计了具有高流量，低噪声的高压冷却风扇，该风扇结构类型也可应用于其他有高冷却流量需求的车型，所设计的结构具备知识产权特征。

3. 专利/获奖情况

（1） 一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇，公开号：CN111677693A

（2）一种降噪式轴流风扇，公开号：CN111677692A

4. 成果应用及经济效益预测

研究成果中，对风扇的结构优化方法不仅可应用于本项目试验车，还可应用于其他有高流量低噪声风扇需求的车型上；建立了描述高压冷却风扇噪声主客观关系的声品质模型，可同样应用于其他旋转机械的主观噪声描述；此外，在项目研制过程中，开发的汽车声品质主观评价软件与预测程序、以及燃料电池汽车冷却系统散热模型参数计算软件，已应用于辅助上汽集团进行声品质评价与散热匹配设计，提高了设计的便捷性与直观性。

研究成果可使技术人员更好地掌握燃料电池汽车高压冷却风扇的噪声仿真与结构优化方法，有效降低燃料电池汽车前舱噪声，改善整车NVH性能，提高顾客乘坐舒适性，减少车辆引起的环境噪声污染。