车辆动力电池包对NVH性能影响漫谈

2022-12-18 15:43:14来源：Simcenter ECS 工程咨询服务

汽车电动化浪潮席卷全球，NVHer作为风口浪尖的弄潮儿时刻面临新的变化和挑战。近期笔者在与圈内攻城狮朋友交流中热度较高的话题之一是动力电池包对车辆NVH性能的影响。相同平台的电动车与燃油车路噪存在明显差异，同一车型选用了不同厂商的电池包车内高频啸叫噪声迥然有异，增加电池包与下车体连接点居然治愈了车内轰鸣振动... 悄然之间，江湖中兴起一股电池包对NVH影响的研究热潮。那么电池包到底是如何影响车辆NVH表现的呢？

(资料图片)

所谓万法归一，大道至简，作为受前LMS现Siemens公司影响成长起来的工程师，TPA思路早已深入骨髓。在尝试解读任何或繁或简的NVH问题时条件反射般的考虑是：从问题现象出发，系统中的激励源与传递路径应如何划分，被研究对象以何种角色参与系统运行。

根据TPA理论，激励源（力，体积速度）X传递路径（FRF）=接受体响应。不考虑某些电池包内部存在冷却风扇，风道，冷却水道等引起的NVH问题，我们可以将电池包作为车身传递路径(FRF)的一部分纳入研究。所以电池包对NVH性能影响最直观的体现是从定义的激励源头载荷输入点到车内振动噪声目标点的VTF，NTF的变化。当然我们也可以继续向下分解为电池包对车身静刚度，模态等表现的影响。

由于现有研究尚无法简单直接关联单一部件或系统的模态，静刚度等属性与设定的VTF/NTF指标的定量关联关系，所以由车身设定的VTF/NTF指标向下精准分解至车身或电池包单体的模态，刚度等尚存在技术难度，这也为电池包单体的目标设定带来一定的技术难度。针对该问题，已经有部分机构开始基于人工智能AI及大数据分析的方法尝试建立上述指标间的关联关系，进而进行目标分解。另外该公众号往期文章中提到了FBS / FBS decoupling等方式也可以作为目标分解的技术手段将整车VTF/NTF指标分解至电池包单体。该话题方向暂不作为本期文章内容。

闲话少续，本期文章中，我们将动力电池包作为车身结构件的一部分研究其对白车身VTF，模态，静刚度的影响。在研究中分别评估了电池包总成，电池包单纯附加质量，单纯附加刚度对上述VTF，模态和静刚度的影响，为该主题研究者提供一些技术思路和想法。考虑到数据敏感性，已对分析结果进行处理，请大家着重关注分析方法，数据趋势性结果，不必执着于具体数值。水平有限，欢迎批评指正。另外文章末尾附带部分电池包对NVH影响的客观测试数据。

1、

电池包与白车身CAE建模

01、电池包CAD与CAE模型：

从结构NVH视角出发，电池包总成主要包含三大主要组成部分：盖板（上部，底部，冷却系统板）总共4块，总成框架，电池（电池不仅为电池包总成提供了很大的质量，也为车身提供了很大质量）。电池包总成通过四周及中心的四颗螺栓连接至车身地板。CAE模型主要由盖板，框架，电池模组框架网格组成。电池作为lumped mass通过rigid spider单元连接至电池模组框架。同时该CAE模型中还包含seam weld, sealing, rivet和bolt等连接单元。

02、白车身 CAD和CAE模型

CAE模型中针对实体车身中面进行网格划分，连接单元主要是spot weld,除此之外也包含seam weld, bolt, bushing等单元。

03、CAE模型组装

从车辆下方可以看到电池包通过螺栓连接至白车身。在CAE模型中这些通过bolt单元和rigid spider单元连接至合适的网格单元。

2、

白车身静刚度（弯扭刚度）分析

在白车身前端对称位置施加一对大小相等，方向相反的垂向单位力。在车身后端对称位置施加一对约束，此激励与约束设置造成了车身沿主轴方向的扭转。可以看到包含电池包的白车身位移量明显小于单独白车身，可见电池包加强了白车身的扭转刚度。针对X及Y方向的弯曲刚度对比呈现相似趋势，在此不再赘述。

3、

模态分析

01、1阶弹性体模态

下图所示我们分析四种不同状态下的车身模态。Full Model:包含完整的白车身和电池包总成；Batteries Removed: 代表电池质量的集总质量从模型中移除，但电池包的刚度特性仍然保留；Battery Pack Structure Removed: 电池包总成中除集总质量外的其他子结构均在模型中移除，电池质量通过Nastran中的NSML（Nastran non-structure mass）分布至车身地板；BIW: 电池包总成移除，仅保留单独白车身。可以看到这四种状态得到的1阶弹性体模态振型与频率均很相近，均为后备箱的局部模态。因为电池包远离后备箱区域，因此它对该阶模态影响很小。

02、1阶扭转模态：

下图所示为系统的1阶扭转模态。电池包对该阶模态影响很大。可以看到在完整模型的基础上单独移除质量，模态频率上升3.8%，单独移除刚度，模态频率降低25.9%，同时移除质量和和刚度模态频率降低21.9%，可见该款电池包集成到该车身结构时，刚度影响远大于质量影响。

03、模态振型相关性分析

模态振型相关性分析可以让我们对比不同的模态结果，确认模态相似性，进而确认是否为同一阶模态，通常是测试结果与CAE分析结果的比对，但也可以是不同分析结果的对比。下面我们将以Full Model为参考来对比另外其他三种分析状态。下图所示为MAC矩阵（Modal Assurance Criterion模态置信度准则）。每个坐标轴展示了一个给定分析模型的模态结果。X轴是参考模型（Full Model），Y轴是对比模型（Batteries Removed）。红色方块代表两组模态振型的相似程度，0代表完全不相关，1代表100%相关。可以看到在30Hz以下这两种状态的分析模型有11阶模态匹配良好，也可以发现电池包质量移除后相当一部分模态频率向更高频率段转移。抽查匹配良好的一对模态的振型（参考模型中模态频率17.7Hz和对比模型中模态频率18.3Hz），这一对模态的MAC值为0.95。通过振型动画可以看到这一对模态振型的确高度近似。

将3组MAC矩阵图放在一起对比可以发现，移除电池包质量模态频率向更高频率段转移，移除电池包刚度影响模态频率向更低频率区域转移，完全移除电池包总成是二者影响的叠加结果。

04、座椅导轨VTF分析

在车身纵梁悬置安装点位置施加单位激励力，计算驾驶员座椅导轨Z方向VTF。我们可以得到与模态结果相类似结论，该电池包与车身组合，电池包刚度对VTF的影响大过质量对VTF的影响。

04、附件数据

电池包上下盖板材料变更，粗糙路路噪发生明显变化。方案1上盖板为塑料件，下盖板为铝合金，方案2上下盖板均为钢材。

增加电池包与车身连接点，车内轰鸣振动改善明显。

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责任编辑：hnmd003