电池包对电动汽车路噪影响的仿真计算研究

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传统汽车噪声源主要以动力总成噪声为主,在中低频阶段一些动力总成附件噪声和风噪声都被动力总成噪声掩蔽｡电动汽车振动噪声源比较分散,缺乏发动机噪声掩蔽效应｡而汽车振动及噪声的主要振动源是路面不平度激励,因此,车内路噪成分凸显,影响电动汽车客户感受,从而直接影响产品销售及品牌形象｡电动车在下车身纵梁布置电池包,且在目前技术条件下为增加续航里程,电池包质量越来越大,这将在很大程度上改变车身动态特性｡电动汽车研发借鉴传统汽车,但是传统车没有附加电池包,目前尚无文献研究质量很大的电池包对整车NVH(Noise,Vibration,Harshness)性能带来的变化｡实际生产制作不同质量的电池包比较困难,因此,本文采用仿真方法对比分析电池包对整车路噪的影响｡

目前整车路噪计算往往采用有限元方法，但是整车有限元模型规模巨大，对计算资源要求高。电动车企业一般缺乏相应计算资源，因此，从计算效率考虑，传统方法是不可行的。考虑只有电池包局部结构的质量改变，本文建立基于传递函数综合法的整车路噪分析流程，利用现有计算资源可以快速完成计算。

1子结构频响函数综合法理论

ＲＥＮ等建立了一种多子结构综合法，可以表示同一结构上不同自由度的连接。图１是非独立结构之间的综合，图中下标ａ珔代表子结构系统的内部自由度；ｂ珔和ｃ珋代表子结构系统要连接的界面自由度；下标ｎ和ｊ分别代表综合后整体结构的内部自由度和界面自由度；下标ｎ和ｊ分别代表综合后整体结构的内部自由度和界面自由度。

2基于频响函数综合的整备车身仿真验证

计算包含电池包的整备车身NTF(NoiseTransferFunction),VTF(VibrationTransferFunction),IPI(InputPointInertance)等频响函数,验证频响函数综合法计算精度是否满足分析要求｡有限元方法模型为包括电池包在内的整备车身,计算其频响函数｡综合方法是把整备车身分为电池包子系统和车身子系统,分别计算二者传递函数,然后基于频响函数综合得到完整的传递函数｡任选一车身接附点到驾驶员右耳的传递函数,对比结果如图2､图3所示｡

图2和图3中实线与虚线基本重合,说明传递函数综合法可行,建模合理｡其他频响函数结果类似,可知频响函数综合方法可用于整车路噪分析｡

３电池包模型等效

电池包作为质量点，通过柔性的安装支架与车身纵梁连接。因此，电池包的作用类似于动力吸振器。动力吸振器的共振原理是在共振频率附近把振动能量从车身转移到质量点，从而降低车身振动和车内噪声。动力吸振器的吸振能力用主系统的振动幅值与静变形幅值之比表示，即放大因子。电池包的存在增加了汽车车身的自由度，使得动力吸振器在新的共振频率下产生较低的振动峰值。图４是单自由度动力吸振器模型，将其进行简化，如图５所示。

在简谐激振力作用下，系统的振动微分方程：

式中：ｍ为系统的质量；ｋ为系统的刚度；ｃ为系统的阻尼；ｘ为系统位移；ｘ为系统速度；¨ｘ为系统加速度；Ｆ０为激励力的幅值。

可求得系统的复频响函数为

式中：ξ为阻尼比；ω为激振力的频率；ｉ为复数的虚部。

吸振器吸振能力主要与质量比相关，相对于主系统的吸振器，质量越大，则振动能量从主系统转移到吸振器越多，主系统自身振动越小。对多重吸振器来说，其放大因子曲线更为平缓，吸振效果比单自由度的动力吸振器好，但是难以调校。吸振效果仍主要受吸振器的质量比控制。

对电池包来说，车身为主系统，电池包和若干个电池包支架共同构成了动力吸振器。电池包通过多个支架与纵梁连接，电池包自身又有若干阶弹性模态，因此构成复杂的多自由度动力吸振器系统，将在多个频率起到吸振效果。但是电池包的质量、刚度及支架刚度受其他性能影响且难以调校，因此电池包的吸振效果明显，但是吸振频率不可控。

４基于频响函数综合的整车路噪计算

把整车分为前悬架、后悬架、车身等子系统，其中车身包括电池包。计算子系统频响函数，建立连接关系求解整车频响函数，即轴头声学灵敏度，然后加载轴头力载荷，计算整车路噪。

４.１电池包质量及刚度对路噪的影响

为更好地说明电池包质量对汽车车身路噪的影响,将分别对有电池包和无电池包2种情况下的车身路噪进行计算,并对比分析｡为了避免电池包自身弹性模态,以质量点代替电池包,通过Rbe3单元连接到纵梁的电池安装支架｡2种方案的路噪结果如图6所示｡

由图6可知,电池包的存在使得在多个频率段驾驶员处声压级下降,特别是160~250Hz降幅明显,而在某些频率段声压有所升高,例如124,139Hz等频率附近｡这与吸振器效果是一致的,将振动处的能量从一个位置转移到另外一个位置,原来位置处的振动将会消失｡

实际的电池包并不是刚性无限大的质量块,其自身刚度分布表现为具有多阶模态的弹性体｡此弹性体通过多个支架与纵梁连接,与车身一起构成复杂的多自由度动力吸振器系统,其行为比质量点简化模型要复杂｡

针对不同续航里程的该款车型路噪变化,分别计算电池包为原状态(400kg)和电池包质量为200kg2种情况下的整车路噪,并与质量点代替的模拟方案对比分析,电池包质量及刚度对路噪影响对比曲线如图7所示｡

分析电池状态的影响｡首先观察到电池包质量为原状态(400kg)和质量为200kg时,弹性体的路噪声压级频谱较为接近,与质量点模拟方案差别较大,可见电池包自身刚度对路噪频谱影响很大｡因此,需要规范电池包仿真建模,有必要根据实验模态结果标定电池包仿真模型,保证电动车路噪计算结果合理｡其次,电池包不同的质量对路噪有明显影响,原状态电池包(400kg)振动频率从139Hz到208Hz,路噪降低了6dB,而电池包为200kg时振动频率从139Hz到208Hz,路噪降低了4dB｡计算20~250Hz的声压总级,原状态电池包相比200kg电池包从71｡01dB降低到56｡84dB,说明电池包越重则吸振能力越强,车内噪声越低｡对同一平台的车型,高续航里程车型路噪将优于低续航里程车型｡但是由于电池包吸振频率不可控,不能彻底解决路噪问题,更不能有效提高声品质,需要进一步整车调校｡

４.2电池包对传递路径贡献度的影响

传递路径是整车路噪诊断的有效工具，由于电池包改变了声学传递函数，因此有必要对比传递路径贡献量。对比无电池状态、电池包为２００ｋｇ状态和电池包原状态的传递路径贡献度，以１３９Ｈｚ各个轴头载荷对传递路径的贡献度为例，结果如图８所示。

无电池包方案接近传统动力车型，可见安装电池包后各个路径贡献度发生很大的变化，例如无电池包状态右前轮心：＋Ｙ向路径的贡献最大，而电池包重２００ｋｇ状态最大正贡献却是左前轮心：＋Ｙ方向。如果根据传统车贡献度分析来调校电动车，则不能有效指导设计。电池包质量改变后，各个路径的贡献度也发生很大变化，因此，对各个状态的电池包应分别做路径贡献分析。

５结论

基于传递函数综合方法搭建电动车整车模型并计算路噪，分析对比不同电池包状态对路噪的影响。结论如下：

１）电池包质量增加会改善整车路噪，电池越重则路噪越低，在底盘和车身接近的情况下电动汽车路噪优于传统动力汽车。

２）电池包降噪的原因是电池包相当于多重动力吸振器，在较宽的频率范围把振动能量从车身转移到电池包。但是，电池包吸振频率及阻尼不容易调校，因此吸振能力不可控。

３）电池包自身模态对吸振效果影响很大，应当严格要求电池包建模，有必要与模态实验结果对标，保证路噪仿真结果精确度。

文章来源：１.山东华宇工学院能源与环境工程学院；２.山东理工大学交通与车辆工程学院

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来源：CAE之家

振动汽车声学理论 NVH 控制

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首次发布时间：2022-08-05