利用软件对热管理NVH性能进行优化的方案

李贵宾

(宁波吉利汽车研究开发有限公司,浙江 宁波 315336)

0 前言

混动车辆的噪声振动包括发动机运行时的噪声振动、纯电状态行驶时风扇和压缩机的噪声振动，以及空调的噪声振动，这对噪声-振动-声振粗糙度(NVH)提出新的要求。在工程开发时，需要在满足整车热管理需求的同时，考虑硬件平台通用化，努力降低热管理运动零部件的噪声，以及对方向盘、座椅的抖动激励。而软件的应用会对NVH的优化有立竿见影的效果，且零部件的设计变更费用几乎为0，可以有效规避零部件的设计变更成本。

1 风扇的振动及噪声

混动车辆的发动机、电机、电池、空调的冷却均通过与整车前端的冷却模块强制对流而实现。考虑零部件成本因素，较多车型均使用单电机的风扇。为了满足整车热管理高风量的要求，风扇直径偏大，全速运行时噪声较大[1]。另外，风扇的转速范围为0～3 000 r/min，振动覆盖频段较宽，易与发动机的振动产生共振效应，再通过整车前端模块安装点，经过纵梁、前围、地板等传递至方向盘及座椅，导致方向盘及座椅抖动剧烈。

2 发动机的风量需求

2.1 发动机水温影响因素

发动机的水温受发动机负荷、水流量、外部环境温度的影响。控制发动机水温的方法一般有以下2种：

方法1，水温与风扇占空比一一对应，再采用迟滞抑制风扇波动的方法控制，缺点是发动机水温不能维持在稳定的适合发动机运行的经济水温区间。较高的水温会影响循环热效率，较低的水温会增大摩擦损失。不同环境温度下，固定的风扇占空比可以获得同样的风量，若以高环境温度确定该占空比与水温的对应关系，则低温环境下冷却能力过剩，甚至出现节温器温度振荡现象[2]。反之，若以低环境温度确定占空比与水温的对应关系，则高温环境下冷却能力不足，由于热惯性较大，可能存在持续高占空比运行的情况。

方法2，通过发动机转速及扭矩确定发动机的发热量，再通过水流量及散热器的散热性能获取散热器的散热量，由发动机发热量、水流量及散热器散热量共同确定维持目标发动机水温所需的风量。其中，散热器的散热性能需要考虑冷却液和冷却空气的温差。该方法可以有效解决不同环境温度下不同液气温差下风量需求不同的问题，可以维持水温的稳定性。方法2的Simulink模型设计如图1所示。

图1 Simulink模型设计

图1中输入端口1为发动机实际水温，输入端口2为设定的目标水温，输入端口3为环境温度，输入端口4为发动机水流量，子模块“发动机散热功率计算”使用比例-积分-微分(PID)算法计算当前环境温度下达到目标水温需要散出的热量，子模块“散热器散热性能计算”根据散热器的性能确定散出“发动机散热功率计算”模块计算出的发热量所需的风量。

2.2 风量需求

为防止前机舱高温对零部件的损害[3]，需要根据排气温度对风扇请求适当的占空比，但排气系统的辐射热量对零部件的影响需要考虑环境温度的因素，否则在冬季也容易造成风扇的高速运行。

3 电机回路的风量请求

电机的效率较高，回路的热量一般较小，可以根据电机散热器的入水口温度及环境温度进行查表控制。需要注意的是电机回路的各零部件要求水温较低，需要冷却的冷却液温度区间也较小，不适合划分过多的冷却风扇等级。过多的冷却风扇等级意味着每个等级的水温区间非常小，也会导致风扇转速及噪声的波动。

充电时的冷却风扇转速不宜过高，否则噪声过大易引起用户反感，此外某些情况下并不是风量越大越好，对于混动车型风扇，50%占空比以下即可满足慢充车载充电机(OBC)的要求，一般可将水温控制在65 ℃左右，若OBC的本体温度仍无法降低，且与水温差值较大时，可以考虑OBC零部件换热问题。

4 空调系统的风量需求

4.1 整车空调系统的风量影响因素

整车空调系统在怠速时受热回流及热力膨胀阀开度影响，存在压力波动，导致根据空调系统压力进行控制的风扇转速也会跟随空调系统压力波动。

采用空调系统压力-风扇占空比一一对应的查表法控制结果如图2所示。

图2 空调系统压力-风扇占空比控制(波动)

4.2 空调系统对风量的请求

空调系统对风量的请求，可以根据设定系统目标压力进行控制。由于低车速(20 km/h)下更容易听到噪声，因此可以在不影响系统安全的前提下，分别对高低车速设定不同的目标压力，以降低在较低车速下的风扇转速。

考虑城市工况的一般车速在60 km/h以下，在车速60 km/h以下时脉冲宽度调制(PWM)风扇采用分档控制，并且根据环境温度设定迟滞量，对随着空调系统压力波动的风扇转速波动进行抑制，控制逻辑如图3所示。

图3 风扇转速控制逻辑

图中的U/L图标表示变化的风量上下限，通过对当前风量进行不断偏移变化的上下限进行控制，有利于此问题的解决。图4为采用该逻辑进行改良后的结果。

图4 风扇转速控制逻辑的改进

由图3、图4可见：采用带迟滞的风扇控制能实现风扇的稳定控制。需要注意的是迟滞量不能设置得过大，否则会导致风扇持续高转速运行。

4.3 空调系统的风量需求解决方法

对于空调系统，即使在春秋季进行频繁开关空调操作时，也会因为多次开启出现较高的初始压力，尤其对于无霍尔传感器的无刷风扇，这种情况出现的比例也较高。风扇在获得空调开启的信号后，需要先寻找内部磁场位置而延迟运行，导致压缩机已运行而风扇未能开启，或因寻找磁场位置产生延迟，风扇转速短时间内未能达到系统稳定所需转速，导致空调系统压力升高，所以在多次开关后会出现风扇高速运行。

在高温环境下，考虑压缩机刚开启时压力瞬间上升，风扇需要先于压缩机开启，尤其对于无霍尔传感器的无刷风扇，更是必要的。若风扇的开启落后于压缩机的开启，可能会导致压缩机触发压力保护，频繁切断运行。在远程空调、充电等先决功能状态下，需要对制冷性能和NVH性能做出取舍，产生较大噪声的功能可能会引起用户反感甚至弃用。除了上述措施外，当空调开启后立即给一定的最低风量，在环境温度较低时给予一定的小风量，也有利于风扇转速波动的控制。以某车型35 ℃环境温度怠速稳态工况，800 W/m2日照为例，空调系统目标压力设定为2.1 MPa时，能量消耗功率约为1.53 kW，目标压力更改为1.7 MPa时，能量消耗约为1.32 kW，能耗约降低13.7%。

5 压缩机的振动及噪声

5.1 压缩机的振动

当压缩机在较低转速运行时，频率与方向盘或座椅的固有频率接近，会导致方向盘和座椅抖动，值得一提的是，压缩机转速对方向盘或座椅的激励不仅仅与其转速有关，还与空调系统的冷媒压力强相关，在低的冷媒压力和高的冷媒压力下，方向盘或座椅的振幅会有明显的差异。

5.2 压缩机的噪声

当压缩机高速运行时会产生较大机械噪声，所以需要结合乘员舱和电池的制冷需求，在低车速下对压缩机的转速进行抑制，但需要满足空调属性目标的要求。夏季车辆的一种常用工况是在阳光下暴晒进行充电，当用户使用车辆开启空调后，除了压缩机转速快速上升有较大的噪声外，空调出风口也可以听到噪声，经过对比分析，压缩机转速的上升速率对空调噪声有很大的影响。

5.3 解决方法

用户开启空调后，在1 min内对压缩机的转速上升速率进行限制。主要原因在于刚开始启动时蒸发器温度比较高，对于舒适性，并不适合立即吹面，一般执行一段时间的吹脚模式，待蒸发器温度下降后再切换为吹面模式，在此期间，吹脚模式并不需要特别低的风温。1 min后蒸发器温度有所降低，过热度下降，膨胀阀处冷媒流速降低后会有明显改善，若此时用户已开始行车，则基本听不到空调噪声。

6 结语

综上所述，软件控制的开发对热管理的NVH有很大的改进优化作用。风扇和压缩机是热管理系统的高噪声来源，介绍了两者的控制逻辑，通过对风扇和压缩机控制逻辑的合理控制，结合整车热管理的需求，可以实现减振和降噪的目标。