電動車電池包殼體輻射噪聲性能研究

張 宇, 李 進, 吳鴻飛, 劉術成

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

隨著人們生活水平的提升，顧客對汽車的品質(zhì)越來越關注。NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能是決定汽車品質(zhì)感最重要的指標，它直接影響顧客購買意愿和使用滿意度。車輛運行時薄壁件產(chǎn)生的輻射噪聲往往是引起NVH性能問題的主要來源，已然成為當前研究熱點[1-4]。對于電動車而言，電池包安裝于車身地板下方，與車身形成混響場，路噪通過電池包殼體輻射噪聲被放大，導致車內(nèi)噪聲增大[5]。由于失去發(fā)動機和進排氣噪聲的掩蔽效應，電池包產(chǎn)生的輻射噪聲更加凸顯[6-7]，這為電動車NVH性能提升帶來新的問題和挑戰(zhàn)[8-9]。

于是，本文以某型電池包為研究對象，綜合運用有限元法和邊界元法，對電池包殼體輻射噪聲性能進行分析評價，并結(jié)合振動傳遞路徑分析方法和薄壁結(jié)構(gòu)振動輻射噪聲理論，研究電池包殼體輻射噪聲產(chǎn)生機理。基于上述研究工作，以期構(gòu)建一套電池包低噪聲優(yōu)化設計流程，從而在產(chǎn)品開發(fā)初期為結(jié)構(gòu)設計提供直接指導。

1 殼體輻射噪聲分析優(yōu)化流程

路面不平度激勵、動力總成振動等諸多外界激勵經(jīng)車身與電池包接附點引起電池包殼體振動，進而產(chǎn)生輻射噪聲。不同工況引起的電池包殼體振動響應會產(chǎn)生不同的聲壓分布，單一地使用邊界元法難以進行電池包多工況降噪控制。而聲學傳遞向量ATV（(Acoustic Transfer Vector）與振動結(jié)構(gòu)表面的動態(tài)響應沒有任何關系[10]，它是結(jié)構(gòu)的一個固有屬性，是在特定頻率下，單元或節(jié)點的單位速度在某場點引起的聲壓值。在結(jié)構(gòu)表面聲學傳遞向量分布較大的區(qū)域，只要有較大的法向振動速度，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輻射噪聲計算提供便捷途徑，而且也為電池包殼體輻射噪聲控制提供了兩個思路：

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

（2）采用形貌優(yōu)化技術，合理優(yōu)化電池包殼體聲學傳遞向量和法向振動速度均較大區(qū)域的加強筋布局，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估

某電動汽車電池包上蓋、底板和支耳3 部分建模時采用板殼單元，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雜，為重點研究電池包振動性能與輻射噪聲機理，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)點處施加Z向0～200 Hz的單位正弦振動激勵，以此模擬車輛行駛時傳遞至支耳處的振動。使用Optistruct軟件計算得到圖2所示電池包整體有限元模型的振動響應。

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響應較小。而電池包上蓋中間區(qū)域處于自由狀態(tài)，在外界激勵下振動明顯，是輻射噪聲的主要來源。故只將上蓋振動響應計算結(jié)果導入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

在上蓋下方設置一個全反射剛性面來模擬地面，其與電池包底板距離根據(jù)實車數(shù)據(jù)設定。使用間接邊界元法計算得到上蓋輻射噪聲聲功率級曲線，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曲線

下面針對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理分析

根據(jù)電池包振動傳遞路徑，以及電池包結(jié)構(gòu)特點，分別根據(jù)支耳和上蓋結(jié)構(gòu)動態(tài)力學特性對圖2所模擬工況下電池包輻射噪聲性能機理進行分析。

3.1 電池包支耳動剛度與輻射噪聲

支耳動剛度IPI（Input Point Inertance）是電池包抵抗外界動態(tài)激勵的參數(shù)，與車身結(jié)構(gòu)傳至電池包的振動能量成反比。即當外界激勵一定時，支耳動剛度越大，則電池包殼體產(chǎn)生的振動越小，導致的輻射噪聲越小。但是，支耳動剛度越大，則意味著材料成本越高，故應將支耳動剛度值設計在經(jīng)濟范圍內(nèi)。考慮折彎、焊接等制造工藝可行性在原支耳板厚6 mm基礎上獲得支耳厚度與電池包輻射噪聲變化趨勢，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。而合理設計電池包上蓋的加強筋布局，或許可為解決該問題提供一種有效的途徑[12]。下面對電池包上蓋的加強筋布局對輻射噪聲的影響進行研究。

圖5 支耳動剛度對電池包輻射噪聲的影響

3.2 電池包上蓋加強筋布局與輻射噪聲

在電池包上蓋設計加強筋是為提高結(jié)構(gòu)局部剛度，減小振動響應，降低輻射噪聲。為研究上蓋結(jié)構(gòu)對電池包輻射噪聲的影響，從板厚和加強筋設計兩方面進行分析。

首先，通過改變上蓋厚度獲得電池包輻射噪聲變化趨勢見圖6所示。

圖6 上蓋板厚對電池包輻射噪聲的影響

由圖6可知，上蓋板厚增加，并沒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。其次，改變上蓋加強筋布局。原結(jié)構(gòu)加強筋布局如圖7 所示，將縱向加強筋高度增加5 mm形成圖8所示的方案一，在上蓋平坦區(qū)域隨意地增添加強筋形成圖9 所示的方案二，計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（上蓋縱向加強筋增高5mm）

圖9 方案二（上蓋增添加強筋）

圖10 上蓋結(jié)構(gòu)對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)基礎上增加加強筋高度或者隨意地增添加強筋，并沒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，還需有針對性地對加強筋布局進行優(yōu)化設計。

4 上蓋加強筋多目標形貌優(yōu)化

根據(jù)上一節(jié)中電池包輻射噪聲機理分析結(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，但是針對電池包低頻輻射噪聲控制，盲目地增加加強筋高度，或者無針對性地增添加強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 三個噪聲峰值，以降低輻射噪聲為優(yōu)化目標，對電池包上蓋加強筋布局進行重新設計。

首先，通過仿真計算，獲得圖2模擬工況下三個關注頻率的上蓋振動速度響應云圖如圖11 所示。然后，獲得各關注頻率下聲場場點聲壓級云圖見圖12。最后，分別計算各頻率下聲壓級較大的場點對應的ATV云圖見圖13。

圖11 關注頻率下上蓋振動速度響應云圖

圖12 關注頻率下聲場場點聲壓級云圖

圖13 關注頻率下電池包上蓋到各聲場場點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，對電池包殼體聲學傳遞向量和法向振動速度均較大區(qū)域的加強筋布局進行重新設計，則可有針對性地降低關注頻率下的輻射噪聲。對本優(yōu)化問題可描述為：

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

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

（3）優(yōu)化目標：結(jié)合圖11 所示上蓋振動速度響應云圖和圖13 所示聲場場點ATV 云圖，選取圖14中各頻率下關鍵點的法向振動速度響應函數(shù)最小化作為優(yōu)化目標。該電池包上蓋形貌優(yōu)化數(shù)學模型可描述如下：

圖14 上蓋頂部各頻率下關鍵點分布示意圖（左右對稱）

式中：x1，x2，…，xn為上蓋各個單元空間位置；△V為上蓋體積變化量；fun(v)為關鍵點法向振動速度響應函數(shù)。

其中：

式中：n為關注頻率個數(shù)；m為某頻率下，選取的關鍵點個數(shù)；pi為加權系數(shù)，這里取各頻率下上蓋輻射噪聲仿真聲場場點最大聲壓級值；vj(x)為各關注點的法向振動速度響應。

根據(jù)上述優(yōu)化計算模型，以250 Hz、400 Hz 和500 Hz噪聲峰值衰減為目的，構(gòu)建優(yōu)化目標函數(shù)，通過Optistruct計算得到上蓋形貌優(yōu)化結(jié)果見圖15，并對加強筋布局進行解讀，獲得加強筋概念設計方案如圖15中細線。參照加強筋概念設計方案，并考慮工藝實施等因素，重新設計上蓋加強筋布局如圖16。獲得優(yōu)化前、后上蓋輻射噪聲聲功率級如圖17。由圖17 可見，上蓋加強筋優(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，同時也佐證了上蓋加強筋設計對中高頻噪聲改善并無積極效果。

圖15 上蓋頂部形貌優(yōu)化加強筋分布云圖

圖16 上蓋加強筋優(yōu)化方案

圖17 上蓋加強筋優(yōu)化前后輻射噪聲對比

5 結(jié)語

（1）增加電池包上蓋加強筋高度對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；隨意地增添加強筋不能優(yōu)化輻射噪聲。采用形貌優(yōu)化計算，合理設計上蓋加強筋布局有利于改善電池包低頻輻射噪聲，但對中高頻噪聲衰減效果不明顯。綜合優(yōu)化支耳動剛度和上蓋加強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筋形貌優(yōu)化數(shù)學模型，使原上蓋關注的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，具有良好的工程實用價值。