電動(dòng)車電池包殼體輻射噪聲性能研究

張 宇, 李 進(jìn), 吳鴻飛, 劉術(shù)成

（1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401331；2.東風(fēng)小康汽車有限公司，重慶 402247）

隨著人們生活水平的提升，顧客對(duì)汽車的品質(zhì)越來(lái)越關(guān)注。NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能是決定汽車品質(zhì)感最重要的指標(biāo)，它直接影響顧客購(gòu)買意愿和使用滿意度。車輛運(yùn)行時(shí)薄壁件產(chǎn)生的輻射噪聲往往是引起NVH性能問(wèn)題的主要來(lái)源，已然成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[1-4]。對(duì)于電動(dòng)車而言，電池包安裝于車身地板下方，與車身形成混響場(chǎng)，路噪通過(guò)電池包殼體輻射噪聲被放大，導(dǎo)致車內(nèi)噪聲增大[5]。由于失去發(fā)動(dòng)機(jī)和進(jìn)排氣噪聲的掩蔽效應(yīng)，電池包產(chǎn)生的輻射噪聲更加凸顯[6-7]，這為電動(dòng)車NVH性能提升帶來(lái)新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)[8-9]。

于是，本文以某型電池包為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用有限元法和邊界元法，對(duì)電池包殼體輻射噪聲性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并結(jié)合振動(dòng)傳遞路徑分析方法和薄壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲理論，研究電池包殼體輻射噪聲產(chǎn)生機(jī)理。基于上述研究工作，以期構(gòu)建一套電池包低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，從而在產(chǎn)品開發(fā)初期為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供直接指導(dǎo)。

1 殼體輻射噪聲分析優(yōu)化流程

路面不平度激勵(lì)、動(dòng)力總成振動(dòng)等諸多外界激勵(lì)經(jīng)車身與電池包接附點(diǎn)引起電池包殼體振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生輻射噪聲。不同工況引起的電池包殼體振動(dòng)響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生不同的聲壓分布，單一地使用邊界元法難以進(jìn)行電池包多工況降噪控制。而聲學(xué)傳遞向量ATV（(Acoustic Transfer Vector）與振動(dòng)結(jié)構(gòu)表面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)沒(méi)有任何關(guān)系[10]，它是結(jié)構(gòu)的一個(gè)固有屬性，是在特定頻率下，單元或節(jié)點(diǎn)的單位速度在某場(chǎng)點(diǎn)引起的聲壓值。在結(jié)構(gòu)表面聲學(xué)傳遞向量分布較大的區(qū)域，只要有較大的法向振動(dòng)速度，就有可能產(chǎn)生較大的輻射噪聲[11]。因此，采用ATV 方法不僅可以為解決電池包殼體多工況下的振動(dòng)輻射噪聲計(jì)算提供便捷途徑，而且也為電池包殼體輻射噪聲控制提供了兩個(gè)思路：

（1）通過(guò)振動(dòng)傳遞路徑分析，提高支耳剛度，衰減傳遞至殼體的振動(dòng)能量，從而降低殼體的法向振動(dòng)速度；

（2）采用形貌優(yōu)化技術(shù)，合理優(yōu)化電池包殼體聲學(xué)傳遞向量和法向振動(dòng)速度均較大區(qū)域的加強(qiáng)筋布局，提高局部剛度。從而構(gòu)建電池包殼體輻射噪聲分析優(yōu)化流程，如圖1所示。

圖1 電池包殼體輻射噪聲分析優(yōu)化流程

2 電池包建模及輻射噪聲預(yù)估

某電動(dòng)汽車電池包上蓋、底板和支耳3 部分建模時(shí)采用板殼單元，其中上蓋為塑料，底板和支耳為鋼材。內(nèi)部的電池模組采用圖2所示Mass質(zhì)量單元和Rigid剛體單元模擬。

由于車輛行駛工況復(fù)雜，為重點(diǎn)研究電池包振動(dòng)性能與輻射噪聲機(jī)理，這里省略車身結(jié)構(gòu)模型，采用Rigid剛性單元模擬支耳與車身縱梁連接螺栓，并在Rigid主節(jié)點(diǎn)處施加Z向0～200 Hz的單位正弦振動(dòng)激勵(lì)，以此模擬車輛行駛時(shí)傳遞至支耳處的振動(dòng)。使用Optistruct軟件計(jì)算得到圖2所示電池包整體有限元模型的振動(dòng)響應(yīng)。

圖2 電池包有限元模型

電池包殼體電池模組置于底板使底板振動(dòng)響應(yīng)較小。而電池包上蓋中間區(qū)域處于自由狀態(tài)，在外界激勵(lì)下振動(dòng)明顯，是輻射噪聲的主要來(lái)源。故只將上蓋振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入LMS Virtual.Lab 軟件，建立輻射噪聲仿真模型，如圖3所示。

圖3 電池包上蓋輻射噪聲仿真模型

在上蓋下方設(shè)置一個(gè)全反射剛性面來(lái)模擬地面，其與電池包底板距離根據(jù)實(shí)車數(shù)據(jù)設(shè)定。使用間接邊界元法計(jì)算得到上蓋輻射噪聲聲功率級(jí)曲線，由圖4 反映出在250 Hz，400 Hz，500 Hz，以及800 Hz處存在明顯峰值。

圖4 上蓋輻射噪聲聲功率級(jí)曲線

下面針對(duì)電池包輻射噪聲控制，從噪聲傳遞路徑角度，開展電池包輻射噪聲機(jī)理分析，并研究電池包輻射噪聲控制措施。

3 電池包的輻射噪聲機(jī)理分析

根據(jù)電池包振動(dòng)傳遞路徑，以及電池包結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別根據(jù)支耳和上蓋結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)特性對(duì)圖2所模擬工況下電池包輻射噪聲性能機(jī)理進(jìn)行分析。

3.1 電池包支耳動(dòng)剛度與輻射噪聲

支耳動(dòng)剛度IPI（Input Point Inertance）是電池包抵抗外界動(dòng)態(tài)激勵(lì)的參數(shù)，與車身結(jié)構(gòu)傳至電池包的振動(dòng)能量成反比。即當(dāng)外界激勵(lì)一定時(shí)，支耳動(dòng)剛度越大，則電池包殼體產(chǎn)生的振動(dòng)越小，導(dǎo)致的輻射噪聲越小。但是，支耳動(dòng)剛度越大，則意味著材料成本越高，故應(yīng)將支耳動(dòng)剛度值設(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)?？紤]折彎、焊接等制造工藝可行性在原支耳板厚6 mm基礎(chǔ)上獲得支耳厚度與電池包輻射噪聲變化趨勢(shì)，如圖5所示。在高于700 Hz頻段，隨著支耳板厚增加，輻射噪聲整體降低。而在低于700 Hz 頻段，卻無(wú)明顯變化。這表明，增加支耳板厚有助于衰減高于700 Hz的中高頻輻射噪聲，但是難以確保低頻輻射噪聲得到控制。而合理設(shè)計(jì)電池包上蓋的加強(qiáng)筋布局，或許可為解決該問(wèn)題提供一種有效的途徑[12]。下面對(duì)電池包上蓋的加強(qiáng)筋布局對(duì)輻射噪聲的影響進(jìn)行研究。

圖5 支耳動(dòng)剛度對(duì)電池包輻射噪聲的影響

3.2 電池包上蓋加強(qiáng)筋布局與輻射噪聲

在電池包上蓋設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋是為提高結(jié)構(gòu)局部剛度，減小振動(dòng)響應(yīng)，降低輻射噪聲。為研究上蓋結(jié)構(gòu)對(duì)電池包輻射噪聲的影響，從板厚和加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行分析。

首先，通過(guò)改變上蓋厚度獲得電池包輻射噪聲變化趨勢(shì)見圖6所示。

圖6 上蓋板厚對(duì)電池包輻射噪聲的影響

由圖6可知，上蓋板厚增加，并沒(méi)有使電池包的輻射噪聲得到明顯改善，在諸如800 Hz～1 200 Hz等部分頻段甚至有增加趨勢(shì)。其次，改變上蓋加強(qiáng)筋布局。原結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋布局如圖7 所示，將縱向加強(qiáng)筋高度增加5 mm形成圖8所示的方案一，在上蓋平坦區(qū)域隨意地增添加強(qiáng)筋形成圖9 所示的方案二，計(jì)算得到各方案的電池包輻射噪聲見圖10。

圖7 上蓋原結(jié)構(gòu)

圖8 方案一（上蓋縱向加強(qiáng)筋增高5mm）

圖9 方案二（上蓋增添加強(qiáng)筋）

圖10 上蓋結(jié)構(gòu)對(duì)電池包輻射噪聲的影響

由圖10可知，方案一在50 Hz～2 000 Hz頻段的整體噪聲不降反增，方案二則反映出250 Hz噪聲峰值明顯降低，但是在大于350 Hz頻段噪聲卻幾乎整體上升。這表明在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加加強(qiáng)筋高度或者隨意地增添加強(qiáng)筋，并沒(méi)有起到良好的輻射噪聲優(yōu)化效果。欲降低電池包殼體輻射噪聲，還需有針對(duì)性地對(duì)加強(qiáng)筋布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 上蓋加強(qiáng)筋多目標(biāo)形貌優(yōu)化

根據(jù)上一節(jié)中電池包輻射噪聲機(jī)理分析結(jié)論可知，欲降低電池包中高頻輻射噪聲，結(jié)合生產(chǎn)制造工藝可行性，增加支耳板厚便是一種行之有效的措施，但是針對(duì)電池包低頻輻射噪聲控制，盲目地增加加強(qiáng)筋高度，或者無(wú)針對(duì)性地增添加強(qiáng)筋都難以獲得理想的效果。

下面，根據(jù)圖1 電池包殼體輻射噪聲分析優(yōu)化流程，針對(duì)圖4 中電池包上蓋在中低頻區(qū)域存在的250 Hz、400 Hz、500 Hz 三個(gè)噪聲峰值，以降低輻射噪聲為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)電池包上蓋加強(qiáng)筋布局進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

首先，通過(guò)仿真計(jì)算，獲得圖2模擬工況下三個(gè)關(guān)注頻率的上蓋振動(dòng)速度響應(yīng)云圖如圖11 所示。然后，獲得各關(guān)注頻率下聲場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)云圖見圖12。最后，分別計(jì)算各頻率下聲壓級(jí)較大的場(chǎng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ATV云圖見圖13。

圖11 關(guān)注頻率下上蓋振動(dòng)速度響應(yīng)云圖

圖12 關(guān)注頻率下聲場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)云圖

圖13 關(guān)注頻率下電池包上蓋到各聲場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)ATV云圖

根據(jù)第1 節(jié)中電池包殼體輻射噪聲原理，采用形貌優(yōu)化技術(shù)，對(duì)電池包殼體聲學(xué)傳遞向量和法向振動(dòng)速度均較大區(qū)域的加強(qiáng)筋布局進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，則可有針對(duì)性地降低關(guān)注頻率下的輻射噪聲。對(duì)本優(yōu)化問(wèn)題可描述為：

（1）設(shè)計(jì)變量：由于上蓋是電池包輻射噪聲最主要來(lái)源，故將去掉原有加強(qiáng)筋后的上蓋頂部有限元模型中各單元空間位置作為設(shè)計(jì)變量；

（2）約束條件：以原加強(qiáng)筋的形狀參數(shù)（包括起筋寬度、高度、角度等）作為形貌優(yōu)化新設(shè)加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)參數(shù)，將體積變化量控制在30%以內(nèi)；

（3）優(yōu)化目標(biāo)：結(jié)合圖11 所示上蓋振動(dòng)速度響應(yīng)云圖和圖13 所示聲場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)ATV 云圖，選取圖14中各頻率下關(guān)鍵點(diǎn)的法向振動(dòng)速度響應(yīng)函數(shù)最小化作為優(yōu)化目標(biāo)。該電池包上蓋形貌優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可描述如下：

圖14 上蓋頂部各頻率下關(guān)鍵點(diǎn)分布示意圖（左右對(duì)稱）

式中：x1，x2，…，xn為上蓋各個(gè)單元空間位置；△V為上蓋體積變化量；fun(v)為關(guān)鍵點(diǎn)法向振動(dòng)速度響應(yīng)函數(shù)。

其中：

式中：n為關(guān)注頻率個(gè)數(shù)；m為某頻率下，選取的關(guān)鍵點(diǎn)個(gè)數(shù)；pi為加權(quán)系數(shù)，這里取各頻率下上蓋輻射噪聲仿真聲場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)最大聲壓級(jí)值；vj(x)為各關(guān)注點(diǎn)的法向振動(dòng)速度響應(yīng)。

根據(jù)上述優(yōu)化計(jì)算模型，以250 Hz、400 Hz 和500 Hz噪聲峰值衰減為目的，構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)Optistruct計(jì)算得到上蓋形貌優(yōu)化結(jié)果見圖15，并對(duì)加強(qiáng)筋布局進(jìn)行解讀，獲得加強(qiáng)筋概念設(shè)計(jì)方案如圖15中細(xì)線。參照加強(qiáng)筋概念設(shè)計(jì)方案，并考慮工藝實(shí)施等因素，重新設(shè)計(jì)上蓋加強(qiáng)筋布局如圖16。獲得優(yōu)化前、后上蓋輻射噪聲聲功率級(jí)如圖17。由圖17 可見，上蓋加強(qiáng)筋優(yōu)化后，250 Hz 和400 Hz 輻射噪聲峰值分別降低了15.4 dB和3.8 dB，降噪效果明顯。但是500 Hz 處噪聲峰值改善不明顯，在1 300 Hz 處噪聲性能甚至惡化。這表明式（1）和式（2）描述的形貌優(yōu)化方法，只是一種改善低頻段電池包殼體輻射噪聲的有效措施，同時(shí)也佐證了上蓋加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)對(duì)中高頻噪聲改善并無(wú)積極效果。

圖15 上蓋頂部形貌優(yōu)化加強(qiáng)筋分布云圖

圖16 上蓋加強(qiáng)筋優(yōu)化方案

圖17 上蓋加強(qiáng)筋優(yōu)化前后輻射噪聲對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

（1）增加電池包上蓋加強(qiáng)筋高度對(duì)低頻和中高頻輻射噪聲控制效果均不理想；增加電池包支耳板厚，對(duì)低頻輻射噪聲控制效果不佳，但有助于衰減中高頻輻射噪聲；隨意地增添加強(qiáng)筋不能優(yōu)化輻射噪聲。采用形貌優(yōu)化計(jì)算，合理設(shè)計(jì)上蓋加強(qiáng)筋布局有利于改善電池包低頻輻射噪聲，但對(duì)中高頻噪聲衰減效果不明顯。綜合優(yōu)化支耳動(dòng)剛度和上蓋加強(qiáng)筋布局可提升電池包整體輻射噪聲性能。

（2）基于ATV 分析方法，提出了一種電池包上蓋加強(qiáng)筋形貌優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，使原上蓋關(guān)注的250 Hz 和400 Hz 輻射噪聲峰值分別降低了15.4 dB 和3.8 dB，該優(yōu)化方法可作為衰減電池包殼體低頻輻射噪聲的一種有效手段。

（3）本文提出的電池包殼體輻射噪聲分析優(yōu)化流程，有利于改善電動(dòng)車電池包殼體低頻輻射噪聲，可為類似車型NVH性能優(yōu)化提供參考，具有良好的工程實(shí)用價(jià)值。