新能源汽車用動(dòng)力電池繼電器噪聲分析與優(yōu)化研究

【摘要】針對某新能源汽車動(dòng)力電池繼電器吸合、斷開過程中噪聲較大的問題，在半消聲室內(nèi)對繼電器噪聲的傳遞路徑進(jìn)行貢獻(xiàn)量測試分析，結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)傳遞路徑貢獻(xiàn)量高于70%，并提出降低電池配電單元（BDU）安裝點(diǎn)橡膠隔振墊硬度和在動(dòng)力電池上蓋板粘貼阻尼材料的優(yōu)化方案，實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果表明，優(yōu)化后繼電器吸合、斷開噪聲聲壓級分別降低3.9 dB（A）、4.1 dB（A），車內(nèi)繼電器噪聲問題明顯改善。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池 繼電器 噪聲 傳遞路徑 隔振 阻尼材料

中圖分類號：U469.72+2" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240331

Research on Noise Analysis and Optimization of Power Battery Relays for New Energy Vehicles

Li Jifang， Ji Xiang， Sun Shoufu

（CATARC New Energy Vehicle Test Center （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin 300300）

【Abstract】The noise generated during the relays pick-up and disconnection of the power battery for a new energy vehicle is significant. To address the issue， the contribution of the relay noise transfer path is tested and analyzed in a semi anechoic chamber， and the results show that the contribution of the structural transfer path is higher than 70%. The paper proposes to reduce the hardness of the rubber vibration isolation pad at the Battery Distribution Unit （BDU） mounting point and past the damping material on the cover plate of the power battery. Vehicle verification results show that the sound pressure level of the optimized relay pick-up and disconnection noise is reduced by 3.9 dB（A） and 4.1 dB（A） respectively， and the noise of relays in the vehicle is improved significantly.

Key words： Power battery， Relay， Noise， Transfer path， Vibration isolation， Damping material

【引用格式】 李基芳， 季祥， 孫守富. 新能源汽車用動(dòng)力電池繼電器噪聲分析與優(yōu)化研究[J]. 汽車工程師， 2025（1）： 32-36.

LI J F， JI X， SUN S F. Research on Noise Analysis and Optimization of Power Battery Relays for New Energy Vehicles[J]. Automotive Engineer， 2025（1）： 32-36.

1 前言

噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise， Vibration， Harshness，NVH）是影響車輛舒適性的重要性能之一。與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車噪聲、振動(dòng)較小，但是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的掩蔽作用消失后，乘員更容易感受到其他噪聲[1]。

動(dòng)力電池繼電器是新能源汽車的關(guān)鍵安全器件[2]，用于連接或斷開動(dòng)力電池與電機(jī)控制器之間的直流高壓電路，當(dāng)高壓電路過載時(shí)切斷電路，以保證乘員和車輛的安全。針對繼電器吸合與斷開過程中產(chǎn)生的噪聲問題，文獻(xiàn)[3]介紹了電磁繼電器機(jī)械噪聲產(chǎn)生的主要原因是動(dòng)簧卡座與卡環(huán)相互撞擊，通過緩沖撞擊和減小撞擊幅度可以降低繼電器機(jī)械噪聲。文獻(xiàn)[4]針對高壓電磁繼電器耐壓值低、振動(dòng)噪聲大等缺點(diǎn)，從整體設(shè)計(jì)、局部優(yōu)化等方面進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[5]通過改進(jìn)繼電器振動(dòng)的傳遞路徑降低了電池包噪聲，但未考慮電池包殼體對輻射噪聲的影響。

本文通過分別斷開繼電器噪聲的結(jié)構(gòu)傳遞路徑和空氣傳遞路徑，測試、計(jì)算得到兩種路徑對應(yīng)的噪聲和貢獻(xiàn)量，并制定相應(yīng)的噪聲優(yōu)化方案，最后通過實(shí)車試驗(yàn)對方案的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

2 動(dòng)力電池繼電器噪聲

2.1 繼電器噪聲產(chǎn)生機(jī)理

動(dòng)力電池繼電器一般由線圈、鐵芯、銜鐵和觸點(diǎn)組成[6]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

繼電器具有控制電路和工作電路?？刂齐娐返牡蛪弘娫唇油ê?，線圈中會產(chǎn)生勵(lì)磁電流，在電磁效應(yīng)作用下銜鐵被鐵芯吸引，使觸點(diǎn)吸合?？刂齐娐返牡蛪弘娫磾嚅_后，線圈中的勵(lì)磁電流消失，鐵芯與銜鐵之間的電磁吸引力消失，銜鐵在彈簧拉力作用下使觸點(diǎn)分離。繼電器噪聲由銜鐵帶動(dòng)觸點(diǎn)吸合或斷開時(shí)的碰撞產(chǎn)生。

2.2 繼電器噪聲測試

某新能源汽車動(dòng)力電池繼電器包括主正繼電器、主負(fù)繼電器、快充繼電器、預(yù)充繼電器、升壓繼電器等，均集成在電池配電單元（Battery Distribution Unit，BDU）中。繼電器吸合或斷開時(shí)車內(nèi)可聽到撞擊聲，需要對繼電器噪聲進(jìn)行優(yōu)化。

動(dòng)力電池繼電器噪聲測試在半消聲室內(nèi)進(jìn)行，動(dòng)力電池放置在地面上，在BDU正上方布置傳聲器（Mic 1），傳聲器與動(dòng)力電池上表面的距離為1 m且垂直指向BDU中心，如圖2所示。試驗(yàn)設(shè)備主要包括Siemens SCM2E05數(shù)據(jù)采集前端、GRAS 46AE傳聲器、Simcenter Testlab測試分析軟件等。

連接動(dòng)力電池的低壓控制電路，使用上位機(jī)控制繼電器的吸合、斷開，測試時(shí)僅控制一個(gè)繼電器動(dòng)作，按照吸合-等待15 s-斷開-等待15 s的順序重復(fù)5次。本文以某個(gè)繼電器測試數(shù)據(jù)為例，該繼電器噪聲聲壓級測試結(jié)果圖3所示。

由圖3可知，繼電器吸合或斷開時(shí)會產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊噪聲，5次吸合（斷開）聲壓級之間存在一定偏差，因此以5次吸合（斷開）的聲壓級平均值表示該繼電器的吸合（斷開）噪聲。該繼電器5次吸合、斷開噪聲聲壓級及其平均值如表1所示。

3 動(dòng)力電池繼電器噪聲傳遞路徑及貢獻(xiàn)量

為便于提出合理的繼電器噪聲優(yōu)化方案，首先應(yīng)確定噪聲的傳遞路徑及每條傳遞路徑的貢獻(xiàn)量。該動(dòng)力電池繼電器均集成在BDU內(nèi)，BDU通過螺栓與動(dòng)力電池內(nèi)殼體連接，因此噪聲的傳遞路徑包括兩方面：結(jié)構(gòu)傳遞路徑，觸點(diǎn)的撞擊通過BDU螺栓引起動(dòng)力電池殼體振動(dòng)并向外輻射噪聲；空氣傳遞路徑，觸點(diǎn)吸合或斷開時(shí)撞擊產(chǎn)生的噪聲通過BDU與動(dòng)力電池殼體間的孔隙直接向外輻射。

設(shè)測得的繼電器吸合（斷開）聲壓級為L，經(jīng)結(jié)構(gòu)傳遞路徑、空氣傳遞路徑至測點(diǎn)的聲壓級分別為L1、L2，基于不相干噪聲的聲能疊加原理[7]，三者之間存在如下關(guān)系：

[100.1L=100.1L1+100.1L2] （1）

結(jié)構(gòu)傳遞路徑貢獻(xiàn)量ε1、空氣傳遞路徑貢獻(xiàn)量ε2分別為：

[ε1=100.1L1100.1L×100]% （2）

[ε2=100.1L2100.1L×100]% （3）

本文針對結(jié)構(gòu)傳遞路徑和空氣傳遞路徑設(shè)計(jì)了兩種測試方案。

3.1 斷開結(jié)構(gòu)傳遞路徑

BDU通過4顆螺栓與動(dòng)力電池連接，如圖4所示。

為研究結(jié)構(gòu)傳遞路徑對噪聲的影響，首先拆除BDU的4顆安裝螺栓，再使用泡棉[8]將BDU與動(dòng)力電池隔離，如圖5所示。

BDU底部和側(cè)面加入厚度為1.5 cm的泡棉后，BDU安裝點(diǎn)位置與動(dòng)力電池之間無接觸，繼電器吸合、斷開產(chǎn)生的撞擊力經(jīng)泡棉衰減后均勻地作用于動(dòng)力電池。斷開結(jié)構(gòu)傳遞路徑狀態(tài)下繼電器噪聲的測試結(jié)果如表2所示，即經(jīng)空氣路徑傳遞的噪聲。

根據(jù)式（1）計(jì)算可得，由結(jié)構(gòu)傳遞路徑引起的繼電器吸合噪聲聲壓級為62.6 dB（A）、繼電器斷開噪聲聲壓級為62.8 dB（A），進(jìn)而由式（2）、式（3）分別計(jì)算得到結(jié)構(gòu)傳遞路徑噪聲和空氣傳遞路徑噪聲的貢獻(xiàn)量，如表3所示。由此可見，該動(dòng)力電池繼電器噪聲主要由結(jié)構(gòu)傳遞路徑輻射，繼電器吸合、斷開時(shí)結(jié)構(gòu)傳遞路徑噪聲的貢獻(xiàn)量分別為77.6%和74.1%。

3.2 斷開空氣傳遞路徑

通過斷開空氣傳遞路徑的方式測試分析兩條路徑的貢獻(xiàn)量，并與3.1節(jié)的結(jié)果相互驗(yàn)證。

首先將BDU安裝方式恢復(fù)為設(shè)計(jì)狀態(tài)，用橡皮泥封堵BDU與動(dòng)力電池殼體間的孔隙，然后在BDU表面包覆一層厚度為2 mm的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（Ethylene-Vinyl Acetate copolymer，EVA），最后包裹一層吸音棉。噪聲測試結(jié)果如表4所示，結(jié)構(gòu)傳遞路徑噪聲和空氣傳遞路徑噪聲的貢獻(xiàn)量計(jì)算結(jié)果如表5所示。

對比表3、表5中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法得到的結(jié)構(gòu)傳遞路徑噪聲、空氣路徑傳遞噪聲及其貢獻(xiàn)量并不相同，這是因?yàn)?.1節(jié)中采用的方案在斷開傳遞路徑后仍然會有部分撞擊力經(jīng)泡棉衰減后作用于動(dòng)力電池，引起動(dòng)力電池殼體振動(dòng)并向外輻射噪聲。因此，3.1節(jié)中經(jīng)測試得到的空氣傳遞路徑噪聲聲壓級偏大，計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)傳遞路徑噪聲聲壓級偏小。同理，本節(jié)得到的結(jié)構(gòu)傳遞路徑噪聲聲壓級偏大、空氣傳遞路徑噪聲聲壓級偏小。

綜上，表3、表5中數(shù)據(jù)存在差異，但都表明結(jié)構(gòu)傳遞路徑貢獻(xiàn)量遠(yuǎn)大于空氣傳遞路徑貢獻(xiàn)量。

4 動(dòng)力電池繼電器噪聲優(yōu)化方案與試驗(yàn)驗(yàn)證

本文針對結(jié)構(gòu)傳遞路徑開展繼電器噪聲優(yōu)化。降低繼電器吸合或斷開時(shí)的撞擊力可以通過調(diào)整彈簧剛度、觸點(diǎn)形狀、繼電器時(shí)間參數(shù)等實(shí)現(xiàn)。由于這些參數(shù)與繼電器的控制、保護(hù)性能密切相關(guān)，繼電器參數(shù)的設(shè)計(jì)往往更注重安全性和可靠性，因此本文暫不對繼電器自身參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

該動(dòng)力電池BDU安裝點(diǎn)位置已使用橡膠隔振墊減振，如圖6所示。因此可通過降低橡膠隔振墊硬度增大隔振量，但隔振墊硬度偏低會對其承載、疲勞壽命等性能帶來不利影響。綜合考慮對隔振、承載、壽命等性能的影響，本文試制了一套硬度為原設(shè)計(jì)方案硬度的70%的橡膠隔振墊。

更換橡膠隔振墊后重新測試?yán)^電器噪聲，測試結(jié)果如表6所示。與表1數(shù)據(jù)相比，繼電器吸合噪聲聲壓級降低2.2 dB（A）、繼電器斷開噪聲聲壓級降低2.8 dB（A），表明本方案對繼電器噪聲具有一定優(yōu)化效果。

結(jié)構(gòu)傳遞路徑的噪聲最終通過動(dòng)力電池表面的振動(dòng)向外輻射，因此抑制動(dòng)力電池表面振動(dòng)同樣可以降低繼電器噪聲。該動(dòng)力電池上蓋板由片狀模塑料（Sheet Molding Compound，SMC）制成，因其面積較大、厚度較小，理論上極易被激發(fā)振動(dòng)并輻射噪聲，屬于典型的板類結(jié)構(gòu)聲輻射問題，阻尼處理通常是解決此類問題的有效方式[9]。阻尼材料應(yīng)粘貼在振動(dòng)劇烈的部位，既能達(dá)到減振降噪的目的，又能盡量降低成本。本文在動(dòng)力電池上蓋板處布置了6個(gè)振動(dòng)傳感器，測試?yán)^電器動(dòng)作時(shí)蓋板的振動(dòng)分布情況，根據(jù)振動(dòng)測試結(jié)果確定了阻尼材料的粘貼位置，如圖7所示。

更換BDU安裝點(diǎn)隔振墊并在電池上蓋板處粘貼阻尼材料后，繼電器噪聲測試結(jié)果如表7所示，對比原始狀態(tài)測試數(shù)據(jù)，繼電器吸合噪聲聲壓級降低3.9 dB（A）、繼電器斷開噪聲聲壓級降低4.1 dB（A），其他繼電器噪聲聲壓級降低幅度均在3.0 dB（A）以上。

經(jīng)驗(yàn)證，最終優(yōu)化方案在實(shí)車上同樣具有明顯的降噪效果，車內(nèi)繼電器噪聲降低2.4～3.1 dB（A），該問題得以解決。

5 結(jié)束語

本文以某新能源汽車用動(dòng)力電池繼電器噪聲為研究對象，對其傳遞路徑進(jìn)行分析和測試，可知結(jié)構(gòu)傳遞路徑是繼電器噪聲的主要傳遞路徑，其貢獻(xiàn)量在70%以上。通過降低BDU安裝點(diǎn)橡膠隔振墊硬度、動(dòng)力電池上蓋板增加阻尼材料的優(yōu)化措施，各繼電器吸合、斷開時(shí)產(chǎn)生的噪聲聲壓級降低幅度均在3.0 dB（A）以上，并經(jīng)過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案有效。

后續(xù)可以對方案進(jìn)行多目標(biāo)最優(yōu)設(shè)計(jì)，如：綜合考慮隔振、承載、疲勞等性能，對BDU安裝點(diǎn)隔振墊的硬度、結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；對動(dòng)力電池上蓋板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，提高局部剛度以減小輻射噪聲；阻尼材料、阻尼位置的優(yōu)化；多方案的組合優(yōu)化等。

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（責(zé)任編輯 白 夜）

修改稿收到日期為2024年7月5日。