电加热器噪音机理与试验研究

中图分类号：U463.851

0 引言

在国内汽车市场，纯电动汽车越来越普及。纯电动汽车上为实现采暖、除霜、除雾的功能需求，必须配有高压电加热器。由于纯电动

汽车缺少了发动机噪声的掩蔽效应，整车热管理系统的 NVH 相关问题变得更加突出，因此也越来越受到重视。通常在车内空调运行时，高

压电加热器工作，成为车内噪音激励源之一，所以高压电加热器的NVH 性能对车辆乘坐的舒适性有一定影响。1 问题概述

新能源汽车热管理系统普遍采用高压电加热器作为核心制热单元，当前技术路线主要涵盖电阻丝式、厚膜式等多种结构类型。其中电阻丝式液体加热器因成本优势占据主流市场，但全系产品均存在声学性能缺陷：运行工况下声压级普遍超标，且伴随显著音质劣化现象。具体表现为：电阻丝式加热器在2-12 kHz 频段产生离散性高频刺耳声，而厚膜式产品因介质电离效应引发8-16 kHz 宽带电晕噪声。

现有降噪技术多聚焦于被动隔振与吸声材料应用，未能从根本上解决电磁 - 热 - 流固多物理场耦合激励引发的宽频噪声问题。本研究基于典型工况下的噪声传递路径分析（NTA），建立 " 电磁激励源辨识 - 机械阻抗匹配 - 声辐射效率控制 " 的系统优化框架。重点针对占市场主导的电阻丝式加热器，通过电磁场试验分析、加热载体模态测试、加热器噪音测试，对电器件不同方案和机械结构不同方案验证，理论和试验数据的相互结合研究分析，开发出了切实有效的降噪方案。工程验证表明该方案使加热器噪声功率级降低了 10dB（A），为新能源汽车热管理系统NVH 性能提升提供理论依据与技术范式。

2 电阻丝式高压电加热器总成架

2.1 总成的组成与功能配置

电阻丝式高压电加热器采用模块化集成设计，总成架构如图1 所示。核心组件包括：电子控制单元（ECU）1、金属壳体2、盖板3、加热载体组件 4、水路管板 5，详见图 1，加热载体成螺旋结构放置于加热器中。ECU 通过实时解析整车热管理指令生成 PWM 控制信号。低压驱动电路采用光耦隔离技术，精准驱动高压继电器实现直流母线电源与加热载体的安全通断， 实现高压电加热器的加热功能。

加热载体组件内部结构包括 电阻丝6，金属壳体7，镁粉8，导体棒9，堵头10 组成；电阻丝，在加热载体内部螺旋缠绕而成。如图2 所示

3 高电压电加热器噪声特性试验研究

本研究依据 ISO 3745：2012[1] 及 ISO 26101： 2012 标准 [2]，在符合 IEC 61672-1 Class 1 级要求的半消声实验室内开展测试。实验系统经背景噪声验证，在无被测件工作状态下，综合环境噪声及设备运行噪声的总声压级稳定维持在 28±0.5 dB（A） 范围内。加热器试验样件采用三轴弹性悬挂系统固定，试验样件距离试验台的任何坚硬表面至少1.5 m。选用B&K 4189 型1/2 英寸自由场传声器，在试件前、后、左、右及顶部五个方位布置传声器，各传声器距试件表面500±5 mm，传声器高度校准至1.5 m 水平基准面（图3）。数据采集系统采用NIPXI-4499 模块，采样参数噪声通道带宽20480Hz。试验设定恒温水循环系统参数：加热器入口水温60±0.5℃，流量10 L/h。通过多工况对比测试，分别在1 kW、3 kW、5 kW、7 kW 四个功率等级下进行稳态声学测试，每个功率点稳定运行30 min 后进行数据采集，确保热平衡状态下的声学特性稳定。

主观评价结果显示，试件在低功率工况下产生可感知的尖锐噪声，在 3KW 阈值功率时尖锐度指数≥ 4.0acum，其心理声学尖锐度指数随功率增大呈非线性下降趋势，在 7 kW 阈值功率时尖锐度指数≤ 3.2acum（图 4）。经过对数据采集到的噪音分别进行频域分析[3]，噪声的能量分布主要集中在3000Hz＼～ 10000Hz 之间。这一分析结果与噪声A 计权1/3 倍频程曲线（图5）展示的结果一一对应。

电热棒螺旋电阻丝与导体棒连接（见图6），整体包裹于金属壳体中，壳体内填充满镁粉。关键部件材质导磁参数为：电阻丝镍铬合金μr=600，构成高导磁回路。工作时电流沿螺旋电阻丝与导体棒形成的闭合路径，依据安培环路定理∮H·dI=ΣI，产生磁场。同时，电热棒的外形螺旋式构造，进一步产生了叠加磁场（图6），因各个磁场方向均相同，其空间矢量叠加合成导致磁场强度加强。磁场强度与电流、导体尺寸呈正相关。

4.2 噪声特征与机理假设

试验数据表明，加热器异常噪声噪声的能量分布主要集中在 3000Hz＼～ 10000Hz 之间，且噪音的尖锐指数较高。基于电磁 - 声学耦合机理分析，推测其成因与电热棒电磁激励效应相关：当电热棒按PWM 控制信号通断时，导致磁场强度剧烈波动，电磁力周期性作用于导体表面，引发振动并辐射噪音。磁场变化通过两种途径产生噪音：机械振动传导：电磁力驱动电阻丝与引棒发生微小形变，振动通过金属壳体传递至周围介质，形成空气压缩波。

4.3 电磁激励动力学模型

根据洛伦兹力定律 F= ∫ （I×B）dl，导线单元受力与电流强度 I、磁感应强度 B 及有效长度 dl 呈正相关[4]。根据 Maxwell 应力张量理论，电热棒三重交叉磁场（条形A、环形B/C）的矢量合成计算推导得磁场强度与结构参数满足：B ∝ μr I N/l

式中：I 为电流、μr 为真空磁导率、l 为磁路长度、N 为螺旋电阻丝等效线圈匝数。

随机抽取电热棒单件，搭建磁场测试台架，对通电工况（50V/AC）下的电热棒进行近场磁场检测：使用TES-1394 高斯计在100mm 测距处测得最大磁通密度 B max=26.2mG，试验数据表明，50V/AC 电压下，距电热棒 100mm 处磁感应强度均值＞ 15mG，远超环境背景磁场（通常＜5mG），验证了电磁场变化是噪音主因。

基于第 4 节多物理场耦合分析结论，电热棒电磁感应噪声主因源于 PWM 调制下的高频磁场脉动。根据 Maxwell 应力张量理论 [5]，磁场强度与结构参数满足：

式中μr 为材料相对磁导率、N 为等效线圈匝数、l 为磁路长度。通过以下结构优化路径降低磁感应强度，实现电磁噪声抑制[6]。5‌.1 电热管管路简化设计

原状态电热管管路采用的是螺旋式结构，根据安培右手螺旋定则判定，螺旋式结构是具有增强磁场，且螺旋圈数越多，磁场强度越大。而原状态螺旋式结构内部横穿电热管，进一步加强了磁场。对电热管管路进行简化设计，螺旋式结构简化为 U 型结构（见图 7），既满足了加热器的空间布置，又解决了螺旋式结构带来的弊端。同时增大管路外径，外径增大20%，对应增大了截面面积，使等效磁路长度l 减少37%。结合涡电流抑制效应 [7]，磁场强度降幅达41%。

5.2 电阻丝绕组拓扑重构技术

将电阻丝单向螺旋缠绕（螺距p=3.5mm）改为双向交错绕组（正/ 反向螺距p=±2.8mm），形成闭合磁路补偿效应（见图7）。双向绕组产生的环形磁场B1/B2 相位差180°，磁场矢量叠加后净强度ΔB=B1-B2。

6 高电压电加热器优化方案的台架试验验证

6.1 改善后的电热棒的磁场强度测试验证

根据第 5 节的理论技术方案优化样件，测试优化样件后的电热棒的磁场强度，试验时将电热棒产品通电 50V/AC 电压，持续发热。将测试仪器高斯计固定在产品 100mm 距离进行测试磁场强度。通过试验测试磁感应强度均小于 10mG，通过试验试验数据对比（见表 2），磁场强度均减少了约20mG。

6.2 改善后的高电压电加热器噪声特性试验研究按照前文 3.1 节中噪音测试台架试验方法，对改善后的电加热器进行噪音复测。 根据台架试验的主观评价结果显示，试件在各功率工况下已无明显可感知的尖锐噪声，且各功率阈值时尖锐度指数≤ 3.2acum（图 8）。 改善前后加热器噪音尖锐度指数对比数据见表 3，从表中数值可以明显看出尖锐度降低了约1 acum。

7、结语

本研究系统构建了高压电加热器噪声控制的技术闭环，通过多物理场耦合分析框架，结合声压级测试、电磁场试验，精准识别 2-12kHz 离散高频噪声源及其特性。基于加热载体拓扑优化设计，实现磁场强度降低 60%-80%，台架测试中高频阶段噪声能量显著衰减。该方案突破传统被动降噪局限，从源头消除电阻丝式加热器热致形变引发的模态耦合效应，为行业提供系统性噪声治理范式。创新建立了 " 激励源消减 - 传递路径解耦 - 辐射效率控制 " 的协同优化路径。针对电阻丝式加热器的噪声机理，通过电磁 - 热 - 流固多场耦合分析，揭示噪声的复合激励机制。优化后的加热载体通过机械阻抗重构，阻断高频振动传递路径，在维持热力学性能前提下，实现噪声源头抑制与传播路径协同控制，形成可推广的NVH 正向设计方法。

工程验证证实，优化方案使噪声尖锐度指数降低15%- 值降低10%＼～20% ；NVH 性能明显提高。构建的 " 测试诊断- 结构- 试验验证" 技术体系，可拓展至新能源其他部件的噪声管控领域，为电动汽车舒适性提升提供跨领域解决方案。

参考文献（References）：

[1] Acoustics — Determination of sound power levels and sound energy levels of noise sources using sound pressure — Precision methods for anechoic rooms and hemi - anechoic rooms ISO 3745：2012;

[2] Acoustics — Test methods for the qualification of free - field environments ISO 26101：2012;

[3] 张旭 ， 基于 LMS Test Lab 某车 NVH 实验分析与改进 ， 汽车零部件 2021 （05）;

[4] 梁玉娟， 用能量守恒与转化定律分析洛伦兹力的做功问题， 河池学院学报，2010 年（02）；

[5] 吴回州 等，基于Ansys Maxwell 巨磁阻隔离器结构中线圈磁场的研究， 传感器与微系统，2024 （08） ；

[6] 李志波 等，发电机转子爪极表面形状对电机电磁振动噪声影响及优化策略研究， 振动与冲击，2025 年.（07）；

[7] 钱超， 盘式磁力耦合器的磁热场分析及优化设计， 安徽理工大学，2024 ；

作者简介： 周京干（1987 年8 月-），男，汉族，北京市人，硕士研究生学历，中级工程师，研究方向： 新能源车热管理技术研究