CN112224041A - 燃料电池车散热总成降噪结构及其降噪控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池车散热总成降噪结构，所述的燃料电池车设置包括散热水箱(1)、风扇总成(2)、蓄电池(3)；在所述的蓄电池(3)至风扇总成(2)能量电路上，设置直流升压的DC/DC(4)，所述的DC/DC(4)通过信号电路与VCU(6)连接。本发明还公开了该降噪结构的降噪方法。采用上述技术方案，可有效降低燃料电池***散热总成在整个工况范围内的噪声水平，与现有技术相比，可降低噪声17dBA～22dBA。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池汽车的技术领域，涉及燃料电池的温度控制技术。更具体地，本发明涉及一种燃料电池车散热总成降噪结构。本发明还涉及该降噪结构的降噪控制方法。
背景技术
氢燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能通过电化学反应直接转化成电能的装置，具有能量转换效率高、无污染、净化空气等特点，被认为是汽车最具可选性、最有竞争力的动力源之一。
在氢燃料电池运行过程中，会有将近一半的化学能转化为热能。因此，对于燃料电池车，需要为氢燃料电池配置专用的散热总成。通常情况下，对于燃料电池客车和燃料电池物流车，燃料电池***功率一般在40kW及以上，需要配置6个直径305mm的散热风扇，以确保在较低的液气温差下提供足够高的风速，满足氢燃料电池***散热需求。
风扇工作噪音是人们普遍关注的问题，其噪音大小受多种因素影响。一般转速越高、风量越大，噪音也会增大。
这样的散热总成，其中单个散热风扇全速运行时的噪音一般在87dBA左右，在燃料电池***以额定功率运行时，6个散热风扇全速运行时，理论上产生的噪声通过计算可达到94.8dBA；由于风量的增加，以及振动的叠加，总的噪声可达到100dBA以上，严重降低整车NVH性能，同时也形成一个移动的噪声污染源。
风扇降噪方法主要是通过改变散热器风扇叶片结构，改变其与空气接触面，从而降低噪音。但是，目前在风扇叶片结构优化降噪方面的研究已经趋于极限，如：
发明专利CN201710516615.3公开了一种利用液力耦合方式来实现油冷和风冷联合散热，并利用率消声原理，实现降低汽车用电机散热风扇噪音和减缓其自身振动。
发明专利CN201610966342.8公开了一种通过在风扇叶片侧面上布置楔形结构，实现对周围空气的不规则扰动降低轴流风扇气动噪声，同时增加轴流风扇的流量。
但是，上述公开的现有技术都存在结构复杂，或者产品加工工艺困难等问题。
发明内容
本发明提供一种燃料电池车散热总成降噪结构，其目的是降低燃料电池散热风扇的噪声。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明的燃料电池车散热总成降噪结构，所述的燃料电池车设置包括散热水箱、风扇总成、蓄电池；在所述的蓄电池至风扇总成能量电路上，设置直流升压的DC/DC，所述的DC/DC通过信号电路与VCU连接。
所述的DC/DC是将蓄电池的12V或24V的输出电压升压至48V。
所述的风扇总成设有四个风扇，每个风扇的直径为450～600mm；每个风扇上的风扇电机的额定功率为1000～1200W，额定转速为2800～3200rpm。
所述的风扇总成通过信号线路与FCU连接；所述的FCU通过信号线路与VCU连接。
所述的散热水箱与风扇总成连接为一个整体；所述的散热水箱通过各侧边上的安装支架固定安装在燃料电池车上；所述的安装支架上设置橡胶块起到减震作用。
所述的DC/DC采用PWM脉宽调制直流调压装置。
为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供以上所述的燃料电池车散热总成降噪结构的降噪控制方法，其技术方案是：
在整车上电后，各控制器进行初始化；
当满足整车上高压条件后，VCU根据整车控制策略进行条件判断；
当燃料电池***根据整车控制策略判断满足起动条件后，VCU向FCU发送起动指令；
FCU根据燃料电池***中燃料电池冷却液进出口温度是否满足风扇总成起动条件，反馈需求信号给VCU；
如果满足，则VCU向DC/DC发送工作指令，同时DC/DC将工作状态信号反馈给VCU；
VCU接收到DC/DC工作状态信号后，向FCU发送风扇总成中的风扇电机的起动指令，并根据预先标定的不同温度对应的转速进行控制；
当环境温度过高而导致燃料电池***散热总成无法满足散热需求时，FCU控制燃料电池***降功率输出；
VCU根据FCU和DC/DC上报的故障等级进行报警、限制功率输出直至停机的控制。
本发明采用上述技术方案，可有效降低燃料电池***散热总成在整个工况范围内的噪声水平，与现有技术相比，可降低噪声17dBA～22dBA。
附图说明
附图所示内容及图中标记简要说明如下：
图1为本发明的燃料电池散热***示意图；
图2为本发明的燃料电池散热总成示意图。
附图标注：
1、散热水箱，101、冷却液进口，102、冷却液出口，103、安装支架，104、橡胶块、105、除气口，2、风扇总成，201、风扇电机，202、风扇，3、蓄电池，4、DC/DC，5、FCU(燃料电池控制器)，6、VCU(整车控制器)。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1、图2所示本发明的结构，为一种燃料电池车散热总成降噪结构，所述的燃料电池车设置包括散热水箱1、风扇总成2、蓄电池3。
所述散热水箱1设置冷却液进口101、冷却液出口102。
所述风扇总成2由风扇电机201、风扇202，以及防护罩、低压线束等组成，为散热水箱1提供强制对流空气。
燃料电池***散热总成的正常运行需要整车提供一个12Vdc或24Vdc低压直流电源蓄电池3。所述蓄电池3为整车低压电源，其额定电压为直流12Vdc或24Vdc，其作用是为整车低压用电器提供工作电源。
为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷，实现降低燃料电池散热风扇的噪声的发明目的，本发明采取的技术方案为：
如图1、图2所示，本发明的燃料电池车散热总成降噪结构，在所述的蓄电池3至风扇总成2能量电路上，设置直流升压的DC/DC4，所述的DC/DC4通过信号电路与VCU6连接。整个燃料电池散热***的运行需要蓄电池3和DC/DC4提供驱动动力电源。
为实现燃料电池***散热总成降噪的目的，本发明通过DC/DC4将蓄电池3的电压升压，使风扇电机的转矩提升，从而可以将风扇总成2中的风扇直径增大，同时配合常用的风扇叶片结构优化降噪技术处理，可将风扇直径增大后的单风扇全速运行噪声降至80dBA(分贝，下同)及以下。
所述的DC/DC4是将蓄电池3的12V或24V的输出电压升压至48V。蓄电池3电压经过一个DC/DC4变换器后升压为48Vdc，为风扇总成2的风扇电机201提供稳定的48Vdc工作电压。
所述的DC/DC4是一个单向升压变换器，其采用PWM脉宽调制直流调压装置。其作用是将蓄电池3的额定电压为12Vdc或24Vdc升压至48Vdc，为所述风扇总成2的风扇电机201提供48Vdc工作电压。
同时，风扇的数量由现有技术的一般6个，减至4个，但每个风扇直径增大，使得散热风量并不减少，即：
所述的风扇总成2设有四个风扇202，每个风扇202的直径为450～600mm；每个风扇202上的风扇电机201的额定功率为1000～1200W，额定转速为2800～3200rpm。为解决现有技术的不足，本发明通过增加一个直流升压装置，提升风扇电机输出转矩，进而实现驱动大直径风扇，在确保相同风量的情况下，可实现降低转速及减少风扇数量，进而实现降低散热总成噪声。
下面对本发明进行风扇降噪的原理进行分析：
N个(N＜6)直径增大的风扇一起运行时的总噪声可采用下式计算：
Lc＝L+10logN
式中：
Lc——总噪声级，dBA；
L——单个风扇噪声源的噪声级，dBA；
N——风扇数量。
由上述风扇直径增大后的单风扇全速运行噪声及风扇数量可知，总噪声Lc＝80+10logN，Lc＜87dBA，即通过本发明可实现明显的降噪。
散热器散热量的计算公式为：
Qw＝△t·ρa·cp·Va
式中：
Qw——散热量，J/s；
△t——空气经过散热器前后的温差，K；
ρa——空气密度，kg/m3；
cp——空气定压比热容，J/(kg·K)；
Va——冷却空气流量，m3/s。
由该公式可知，散热器散热量与冷却空气流量成正比，而冷却空气流量主要依靠风扇202高速转动强制冷却空气流过散热水箱1进行热交换，冷却空气流量正比于风扇202的直径和风扇202的转速；
风扇202的高速转动需要：一方面具有持续高速旋转的性能，另一方面需要具有一定的转矩；所述风扇电机201选用额定工作电压为48Vdc、额定功率为1000～1200W的直流电机，集成有微控制器和驱动模块。
其中，微控制器用于接收外部控制信号和为驱动模块提供PWM信号，其中驱动模块在接收到所述微控制器的PWM信号后进行工作状态调整，同时反馈驱动转速；在出现失效时反馈失效模式；
所述风扇202的直径越大，冷却空气流量越大，但对风扇电机201的转矩要求也越高；所述风扇总成2的噪声在总体结构确定的情况下，其声压级正比于风扇202的直径和风扇202的转速，即风扇202的直径增大，其噪声声压级也随之增大，为确保其总噪声声压级不大于风扇202的直径增大前的噪声声压级，需要将风扇202的转速做出下调处理。
因此，在将风扇202的直径由现有技术的305mm增大至450～600mm，风扇电机201的额定功率由500W增加至1000～1200W，额定转速由4800转/分钟下调为2800～3200转/分钟，由电机转矩计算公式T＝9549×P/n(其中P为电机功率，n为电机转速)可知，电机转矩得以提升，进而可以驱动更大直径的风扇202。
所述的风扇总成2通过信号线路与FCU5连接；所述的FCU5通过信号线路与VCU6连接。
FCU5和VCU6提供运行控制的信号：
所述FCU5是燃料电池***控制器，根据燃料电池工作状态及燃料电池进出口冷却介质温度等信号为风扇总成2的风扇电机201发送工作状态及转速指令。
所述VCU6是燃料电池整车控制器，为DC/DC4发送工作状态指令，同时接收DC/DC4反馈状态信号；为FCU5发送燃料电池***上、下电指令和功率需求等指令，同时接收FCU5反馈的燃料电池***工作状态信号，其中包括风扇总成2的风扇电机201的故障等级信号。
所述的散热水箱1与风扇总成2连接为一个整体；这个整体由散热水箱1(其中包括冷却液进口101、冷却液出口102)、安装支架103、橡胶块104、除气口105以及芯子等组成。
所述的散热水箱1通过各侧边上的安装支架103固定安装在燃料电池车上；所述的安装支架103上设置橡胶块104起到减震作用。
为从燃料电池出来的冷却介质提供热量交换场所；其中，所述安装支架103与燃料电池车整车安装支架通过螺栓紧固连接，所述橡胶块104一方面为所述散热水箱1在燃料电池车行驶过程中提供缓冲减震功能，另一方面为燃料电池***冷却回路提供绝缘隔离作用。
本发明采用上述燃料电池***散热总成降噪设计，可有效降低燃料电池***散热总成在整个工况范围内的噪声水平，与现有技术相比，可降低噪声17dBA～22dBA。
为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供以上所述的燃料电池车散热总成降噪结构的降噪控制方法，其技术方案是：
在整车上电后，各控制器进行初始化；
当满足整车上高压条件后，VCU6根据整车控制策略进行条件判断；
当燃料电池***根据整车控制策略判断满足起动条件后，VCU6向FCU5发送起动指令；
FCU5根据燃料电池***中燃料电池冷却液进出口温度是否满足风扇总成2起动条件，反馈需求信号给VCU6；
如果满足，则VCU6向DC/DC4发送工作指令，同时DC/DC4将工作状态信号反馈给VCU6；
VCU6接收到DC/DC4工作状态信号后，向FCU5发送风扇总成2中的风扇电机201的起动指令，并根据预先标定的不同温度对应的转速进行控制；
当环境温度过高而导致燃料电池***散热总成无法满足散热需求时，FCU5控制燃料电池***降功率输出；
VCU6根据FCU5和DC/DC4上报的故障等级进行报警、限制功率输出直至停机的控制。
下面是几个具体实施示例。
各实施例的燃料电池***散热总成均由散热水箱1、冷却液进口101、冷却液出口102、安装支架103、橡胶块104、除气口105、风扇总成2(包括风扇电机201、风扇202)和48VDC/DC等组成。风扇电机201额定工作电压48Vdc。
(注：现有技术中的6个直径305mm的散热风扇总成的总风量为26400m3/h。)
实施例一，燃料电池***散热总成降噪方案，具体如下：
风扇电机201额定功率为1000W，最高转速为3200转/分钟，转矩为3.1N·m；风扇202直径为450mm，风量为6400m3/h；在风扇电机201全速工作时，距离风扇总成2重心1m远处测量平均噪声80.7dBA。
在确保总风量不变的情况下，本发明将风扇总成2调整为4个，由上述总噪声声压级计算方法可以计算得到总噪声声压级Lc＝86.7dBA；此外，在单个风扇噪声降低的同时，由多个风扇引起的振动噪声也得以下降，因此整个燃料电池***散热总成全速工作时的噪声在88dBA左右。
与现有技术相比，降低了17dBA左右。
实施例二，燃料电池***散热总成降噪方案，具体如下：
风扇电机201的额定功率为1100W，最高转速为3000转/分钟，转矩为3.5N·m；风扇202直径为500mm，风量为7050m3/h；在风扇电机201全速工作时，距离风扇总成2重心1m远处测量平均噪声80dBA。
在确保总风量不变的情况下，本发明将风扇总成2调整为4个，由上述总噪声声压级计算方法可以计算得到总噪声声压级Lc＝86dBA，因新的4个风扇总成2的风量高出需求量10％，因此风扇电机201在实际运行时不必工作在全速运转工况，所以实际工作噪声均值约为84dBA；此外，在单个风扇噪声降低的同时，由多个风扇引起的振动噪声也得以下降，因此整个燃料电池***散热总成全速工作时的平均噪声在86dBA左右。
与现有技术相比，降低了19dBA左右。
实施例三，燃料电池***散热总成降噪方案，具体如下：
风扇电机201的额定功率为1200W，最高转速为2600转/分钟，转矩为4.4N·m；风扇202的直径为550mm，风量为7700m3/h；在风扇电机201全速工作时，距离风扇总成2重心1m远处测量平均噪声78.5dBA。
在确保总风量不变的情况下，本发明将风扇总成2调整为4个，由上述总噪声声压级计算方法可以计算得到总噪声声压级Lc＝84.5dBA，因新的4个风扇总成2的风量高出需求量20％，因此风扇电机201在实际运行时不必工作在全速运转工况，所以实际工作噪声均值约为82dBA；此外，在单个风扇噪声降低的同时，由多个风扇引起的振动噪声也得以下降，因此整个燃料电池***散热总成全速工作时的平均噪声在84dBA左右。
与现有技术相比，降低了21dBA左右。
实施例四，燃料电池***散热总成降噪方案，具体如下：
风扇电机201的额定功率1200W，最高转速为2000转/分钟，转矩为5.7N·m；风扇202的直径为600mm，风量为8800m3/h；在风扇电机201全速工作时，距离风扇总成2重心1m远处测量平均噪声78dBA。
在确保总风量不变的情况下，本发明将风扇总成2调整为3个，由上述总噪声声压级计算方法可以计算得到总噪声声压级Lc＝82.8dBA；此外，在单个风扇噪声降低的同时，由多个风扇引起的振动噪声也得以下降，因此整个燃料电池***散热总成全速工作时的平均噪声在83dBA左右。
与现有技术相比，降低了22dBA左右。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种燃料电池车散热总成降噪结构，所述的燃料电池车设置包括散热水箱(1)、风扇总成(2)、蓄电池(3)，其特征在于：在所述的蓄电池(3)至风扇总成(2)能量电路上，设置直流升压的DC/DC(4)，所述的DC/DC(4)通过信号电路与VCU(6)连接。
2.按照权利要求1所述的燃料电池车散热总成降噪结构，其特征在于：所述的DC/DC(4)是将蓄电池(3)的12V或24V的输出电压升压至48V。
3.按照权利要求1所述的燃料电池车散热总成降噪结构，其特征在于：所述的风扇总成(2)设有四个风扇(202)，每个风扇(202)的直径为450～600mm；每个风扇(202)上的风扇电机(201)的额定功率为1000～1200W，额定转速为2800～3200rpm。
4.按照权利要求1所述的燃料电池车散热总成降噪结构，其特征在于：所述的风扇总成(2)通过信号线路与FCU(5)连接；所述的FCU(5)通过信号线路与VCU(6)连接。
5.按照权利要求1所述的燃料电池车散热总成降噪结构，其特征在于：所述的散热水箱(1)与风扇总成(2)连接为一个整体；所述的散热水箱(1)通过各侧边上的安装支架(103)固定安装在燃料电池车上；所述的安装支架(103)上设置橡胶块(104)起到减震作用。
6.按照权利要求1所述的燃料电池车散热总成降噪结构，其特征在于：所述的DC/DC(4)采用PWM脉宽调制直流调压装置。
7.按照权利要求1至6中任一项所述的燃料电池车散热总成降噪结构的降噪控制方法，其特征在于：
在整车上电后，各控制器进行初始化；
当满足整车上高压条件后，VCU(6)根据整车控制策略进行条件判断；
当燃料电池***根据整车控制策略判断满足起动条件后，VCU(6)向FCU(5)发送起动指令；
FCU(5)根据燃料电池***中燃料电池冷却液进出口温度是否满足风扇总成(2)起动条件，反馈需求信号给VCU(6)；
如果满足，则VCU(6)向DC/DC(4)发送工作指令，同时DC/DC(4)将工作状态信号反馈给VCU(6)；
VCU(6)接收到DC/DC(4)工作状态信号后，向FCU(5)发送风扇总成(2)中的风扇电机(201)的起动指令，并根据预先标定的不同温度对应的转速进行控制；
当环境温度过高而导致燃料电池***散热总成无法满足散热需求时，FCU(5)控制燃料电池***降功率输出；
VCU(6)根据FCU(5)和DC/DC(4)上报的故障等级进行报警、限制功率输出直至停机的控制。
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