胡勝龍， 左曙光， 婁豫皖

(1.同濟大學(xué)新能源汽車工程中心 上海，201804) (2.安靠電源有限公司 蘇州，215000)

引 言

對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，發(fā)動機的噪聲是其主要噪聲來源。電動汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，車內(nèi)外噪聲得到了很大改善[1-3]，并且驅(qū)動電機、空調(diào)壓縮機等系統(tǒng)是電動汽車噪聲的主要來源之一[4-5]。但是實際電動汽車上由繼電器內(nèi)銜鐵吸合或斷開的碰撞振動所產(chǎn)生的電池包噪聲問題也比較突出，因此不容忽視。要實現(xiàn)電池包的降噪，需進行噪聲源識別與相應(yīng)的降噪技術(shù)方面的研究。

文獻[6-8]以汽車的變速箱為研究對象，分析其噪聲的主要來源，采取了不同的降噪措施來控制和減小變速箱的噪聲。文獻[9-11]針對汽車發(fā)動機提出了不同的噪聲源識別技術(shù)，為發(fā)動機的降噪和整車的噪聲、振動與聲振粗糙度(noise, vibration and harshness，簡稱NVH)性能設(shè)計提供參考。文獻[12]基于汽車發(fā)電機電磁噪聲的產(chǎn)生機理,研究了發(fā)電機噪聲源的識別方法，為發(fā)電機的電磁降噪設(shè)計提供依據(jù)。文獻[13]通過燃料電池車的振動噪聲試驗與分析，確定其主要噪聲源為空氣與氫氣輔助系統(tǒng)及電池冷卻系統(tǒng)，并針對主要噪聲源，提出了相應(yīng)的改進方案。文獻[14]基于傳感器陣列，對電動汽車的電機系統(tǒng)進行了噪聲源的識別研究，確定了工作狀態(tài)下的電機系統(tǒng)主要噪聲源為風(fēng)扇、變速箱和電機本體。上述文獻在傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的變速箱、發(fā)動機、發(fā)電機及電動汽車的空氣與氫氣輔助系統(tǒng)、電池冷卻系統(tǒng)、驅(qū)動電機系統(tǒng)等方面進行了噪聲源識別的相關(guān)研究，但實際電動車上還存在電池包噪聲源識別的問題。

近年來在汽車隔振降噪方面的研究主要集中在傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機隔振降噪技術(shù)方面。文獻[15-18]采用不同的方法對汽車發(fā)動機動力總成懸置系統(tǒng)進行隔振設(shè)計，分析不同因素對動力總成系統(tǒng)隔振性能的影響并進行相應(yīng)的評估。文獻[19-20]對影響發(fā)動機懸置系統(tǒng)隔振效果的關(guān)鍵參數(shù)進行分析，探討了不同的隔振性能優(yōu)化方法，從而達到汽車減振降噪的目的。筆者針對由繼電器振動引發(fā)的電池包噪聲問題進行研究，首先，通過電池包的噪聲試驗找出對電池包噪聲貢獻較大的繼電器；其次，分析繼電器剛性連接狀態(tài)與自由懸掛狀態(tài)的噪聲峰值頻率，初步判斷主要是繼電器振動直接作用于電池包殼體上引起殼體振動并輻射噪聲；然后，結(jié)合頻率響應(yīng)函數(shù)及電池包殼體振動頻譜特性分析，進一步確定了電池包的噪聲源；最后，基于繼電器振動的傳遞路徑改進設(shè)計一款低剛度隔振墊用于過濾繼電器中低頻的振動，從而達到電池包降噪的目的。

1 電池包的噪聲源識別

1.1 電池包的噪聲測試與分析

車用電池包的工作與否由電池包內(nèi)的繼電器決定，繼電器內(nèi)的銜鐵吸合后電池包開始工作，繼電器內(nèi)銜鐵斷開時則電池包不工作。電池包內(nèi)繼電器銜鐵的吸合或斷開碰撞會產(chǎn)生振動并輻射噪聲，所以車用電池包的噪聲主要由繼電器的振動引發(fā)，如圖1所示電池包的繼電器A1，A2，B1和B2，此時電池包的上蓋板處于打開狀態(tài)。由于這4個繼電器規(guī)格不同，導(dǎo)致其對電池包噪聲的貢獻不一致，為了找出對電池包噪聲貢獻最大的繼電器，先進行了繼電器初始安裝狀態(tài)的噪聲試驗。

圖1 電池包內(nèi)的繼電器布置

電池包上蓋板密封與打開狀態(tài)下的繼電器A1，A2，B1和B2的A計權(quán)噪聲聲壓級如表1所示。噪聲測試時，每次僅讓一個繼電器工作，在其正上方30 cm處布置麥克風(fēng)，單獨采集信號，避免繼電器的噪聲互相干擾。從表1中可以看出，在4個繼電器的噪聲聲壓級中，繼電器B2處的聲壓級最大，密封狀態(tài)下高達65 dB，不滿足以居住區(qū)域為主的一類國家環(huán)境噪聲55 dB的標(biāo)準(zhǔn)。電池包上蓋板打開后的聲壓級相對密封狀態(tài)上升了大約11 dB，說明電池包蓋板具有一定的隔聲作用。另外，4個繼電器在電池包殼體上的安裝方法都一樣，如圖2所示，都是通過螺栓與電池包殼體剛性連接。綜上所述，由于繼電器B2對電池包的聲壓級貢獻最大且4個繼電器的安裝方法都一樣，因此以繼電器B2為重點研究對象，尋找一種適用于電池包內(nèi)所有繼電器的通用降噪法。

表1 電池包上蓋板打開與密封狀態(tài)下4個測點的聲壓級對比

Tab.1 Comparison between the sound pressure level at the four measuring points

測點位置聲壓級/dB(A)密封狀態(tài)打開狀態(tài)A164.3874.44A260.1071.14B160.3771.20B265.0976.62

經(jīng)上述分析發(fā)現(xiàn)，繼電器B2對電池包的噪聲貢獻最大。為進一步確定是繼電器本身的噪聲經(jīng)空氣直接傳播還是繼電器振動作用于電池包殼體上引起殼體振動再輻射噪聲，進行了繼電器自由懸掛狀態(tài)下的噪聲試驗，繼電器B2自由懸掛狀態(tài)下的噪聲頻譜如圖3所示。由圖3可知，繼電器剛性連接狀態(tài)下的噪聲聲壓級(sound pressure level,簡稱SPL)比自由懸掛狀態(tài)高達6 dB。繼電器剛性連接狀態(tài)與自由懸掛狀態(tài)下的噪聲峰值頻率并不一致，繼電器B2剛性連接狀態(tài)下的噪聲在頻率450，2 200和2 750 Hz附近出現(xiàn)明顯峰值，尤其在450 Hz處的噪聲高達56 dB，而自由懸掛狀態(tài)下的繼電器在上述頻率附近并未出現(xiàn)峰值。這主要是因為繼電器通過螺栓與電池包殼體剛性連接導(dǎo)致繼電器激發(fā)了上述3個頻率下的殼體模態(tài)，從而引起殼體共振并向外輻射噪聲。繼電器能激發(fā)上述3個頻率下的殼體模態(tài)原因，即電池包產(chǎn)生噪聲根源為：a.繼電器銜鐵吸合或斷開的脈沖力頻帶涵蓋了上述3個頻率且在上述3個頻率下的脈沖能量較大；b.電池包殼體有上述3個頻率附近的模態(tài)，其固有頻率與模態(tài)振型如表2所示，固有頻率與上述3個噪聲峰值頻率非常接近，相對誤差在3%以內(nèi)。因此，繼電器足以激發(fā)上述3個頻率下的殼體模態(tài)，再通過殼體向外輻射噪聲，而非繼電器本身的噪聲直接經(jīng)空氣傳播造成。

圖3 繼電器B2自由懸掛狀態(tài)下的噪聲頻譜圖

表2 電池包殼體固有頻率與模態(tài)振型

Tab.2 The natural frequency and modal shape of the battery pack

固有頻率/Hz峰值頻率/Hz相對誤差/%模態(tài)振型4624502.602 2402 2001.792 7902 7501.43

1.2 繼電器振動的傳遞路徑識別

由上述分析可知,電池包的噪聲主要是繼電器的振動作用于電池包殼體上引起殼體共振并向外輻射引起。由于繼電器到電池包殼體的傳遞路徑有2條，即圖2中的路徑1(繼電器1—殼體3)與路徑2(繼電器1—中間支點2—殼體3)。為了進一步確定繼電器的振動是經(jīng)路徑1還是路徑2傳遞至電池包殼體，分別測試了2條不同路徑的頻率響應(yīng)函數(shù)，如圖4所示。其中：路徑1的頻率響應(yīng)函數(shù)定義為殼體3振動響應(yīng)與繼電器1激勵輸入的比值；路徑2的頻率響應(yīng)函數(shù)定義為殼體3振動響應(yīng)與支點2間接激勵的比值。從圖4中可以看出，路徑2的頻率響應(yīng)函數(shù)幅值相對路徑1小很多，基本可以忽略不計。由此說明繼電器的振動主要是由路徑1(繼電器1—殼體3)直接通過螺栓傳遞給電池包殼體。

圖5為繼電器B2附近的電池包殼體3及中間支點2(見圖2)的振動頻譜圖，由圖可以看出，中間支點2的振動加速度幅值基本在0.01 m/s2以下，而電池包殼體的最大振動加速度幅值則高達0.08 m/s2，則中間支點2的振動可以不用考慮。結(jié)合上述頻率響應(yīng)函數(shù)的分析結(jié)論，進一步驗證了繼電器的振動主要是由路徑1傳遞給電池包殼體，也就是經(jīng)由剛性連接的螺栓直接傳遞給繼電器附近的電池包殼體。

從圖4路徑1的頻率響應(yīng)函數(shù)和圖5的電池包殼體振動頻譜圖中還可以看出，頻率響應(yīng)函數(shù)的峰值頻率與殼體振動加速度峰值頻率一致，主要是450，2 200和2 750 Hz。這3個頻率與繼電器B2初始安裝狀態(tài)(通過螺栓與電池包殼體剛性連接)下測得的噪聲峰值頻率完全吻合，進一步說明上述3個頻率為電池包殼體的固有頻率。由此更加充分地說明：電池包內(nèi)繼電器的振動經(jīng)由剛性連接的螺栓直接傳遞給繼電器附近的電池包殼體，從而引發(fā)殼體共振并向外輻射噪聲，是電池包噪聲的主要來源。

圖4 頻率響應(yīng)函數(shù)

圖5 支點2與殼體3的振動頻譜圖

2 電池包的降噪處理

2.1 隔振墊的設(shè)計與安裝

分析發(fā)現(xiàn)車用電池包的繼電器內(nèi)銜鐵吸合或斷開的碰撞所引起的振動主要是經(jīng)圖2所示的路徑1傳遞給電池包殼體，即繼電器通過螺栓與殼體剛性連接的路徑，然后再引起電池包殼體共振從而向外輻射噪聲。繼電器B2激勵下的電池包殼體的共振頻率主要是450，2 200和2 750 Hz這3個頻率，均在3 000 Hz以下。因此，本節(jié)主要是基于上節(jié)的分析結(jié)果，通過改進繼電器的振動傳遞路徑來降低上述3個頻率處的振動及噪聲，從而達到電池包的降噪目的。由于繼電器的振動主要是通過螺栓直接傳遞給電池包殼體，為了避開電池包殼體的固有頻率防止共振，筆者設(shè)計一款類似于發(fā)動機懸置減振原理的隔振墊，如圖6所示。

圖6 繼電器在電池包殼體上的安裝改進圖

選用乙丙橡膠材料的隔振墊，其電絕緣性與彈性良好。在繼電器振動激勵下，隔振墊也會產(chǎn)生相應(yīng)的固有頻率振動，如式(1)所示

(1)

其中：ωn為隔振墊的固有頻率；kn為隔振墊的動剛度；m為繼電器的質(zhì)量。

對于單自由度的隔振系統(tǒng)，若振動傳遞率(隔振系數(shù))為T，那么傳遞率與隔振墊參數(shù)之間滿足

(2)

其中：頻率比λ=ω/ωn；阻尼比ξ=c/(2mωn)；c為阻尼。

(3)

圖7 傳遞率(隔振系數(shù))曲線

由于繼電器激勵力的頻率ω是不變的，所以可以通過設(shè)計隔振墊的固有頻率ωn來調(diào)控頻率比λ。但頻率比λ不能選得過大，否則隔振墊固有頻率ωn較小，相應(yīng)的隔振墊動剛度kn偏小，此時若要達到一樣的隔振效果，則需要的隔振墊體積過大。另外，從圖7的傳遞率曲線也可看出，頻率比λ>5以后，傳遞率T幾乎水平，實際上選取λ值在2.5～5之間即可。

在隔振過程中，橡膠墊承受繼電器的重力不大，因此所用橡膠的永久形變量較小。為方便分析，假設(shè)橡膠墊材料的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榫€性的，從而可用橡膠墊的有效壓縮模量(與橡膠材料特性與幾何形狀有關(guān))來表征隔振墊特性[21]，如式(4)所示

ks=SEe/h

(4)

其中：ks為隔振墊的靜剛度；Ee為隔振墊的有效壓縮模量；S為隔振墊面積；h為隔振墊的厚度。

一般橡膠的靜剛度ks小于其動剛度kn，且kn/ks的值為1.2～2。

幾何形狀對隔振墊的有效壓縮模量影響較大，有效壓縮模量Ee與幾何形狀因素j(隔振墊承載面積與非承載面積的比值)之間滿足以下關(guān)系式[22]

Ee=E0(1+2kj2)

(5)

其中：E0為橡膠的彈性模量；j為隔振墊幾何形狀因素；k為校正因素。

根據(jù)文獻[22]可知，k的一般取值范圍為0.5～1，一般乙丙橡膠隔振墊的極限靜態(tài)應(yīng)力σ的取值范圍為0.060～0.070 MPa。 此時可求出隔振墊的最小承載面積S0

S0=Q/σ

(6)

其中：Q為隔振墊所受靜載荷。

本研究繼電器引起的噪聲峰值頻率f為450 Hz，能量最大，主要對其進行隔振。繼電器B2的質(zhì)量為1 kg，則隔振墊所受靜載荷Q為9.8 N，根據(jù)式(6)可求出隔振墊的最小承載面積S0為163 mm2。選用的隔振墊為方形，那么隔振墊面積S可取值為625 mm2，其對應(yīng)長度l為25 mm。隔振墊幾何形狀因素j的值為0.35。為了保證隔振墊具有足夠的形變量，h/l應(yīng)在0.05～0.15之間[22]，本研究隔振墊厚度h值為2.5 mm。

為滿足使用安全要求，本研究隔振墊傳遞率T選為0.2，結(jié)合式(3)和式(1)可得隔振墊的固有頻率fn為184 Hz，隔振墊的動剛度kn為1 332 N/mm。動剛度與靜剛度的比值kn/ks選最小值1.2，則隔振墊的靜剛度ks為1 110 N/mm，再通過式(4)可求出隔振墊的有效壓縮模量Ee為4.44 MPa。另外，本研究的校正因素k值取0.5，運用式(5)可求得隔振墊所需橡膠材料的彈性模量E0為3.96 MPa。

因此，筆者選用彈性模量為3.96 MPa的橡膠材料制備邊長為25 mm、厚度為2.5 mm的方形隔振墊。

2.2 電池包殼體的減振及降噪效果分析

由于頻率響應(yīng)函數(shù)僅受結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，因此可以用它來反映結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響。橡膠隔振墊有一定的彈性，安裝于固定繼電器的螺栓兩端必然會影響系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。圖8為改進前后的頻率響應(yīng)函數(shù)，可見改進后的頻率響應(yīng)函數(shù)在3 000 Hz以下的幅值均明顯下降，初步說明本研究設(shè)計的隔振墊有中低頻段濾波的作用。

圖8 改進前后的頻率響應(yīng)函數(shù)

圖9 改進前后電池包殼體的振動頻譜圖

圖9為繼電器B2傳遞路徑改進前后的電池包殼體振動加速度頻譜圖，表3為改進前后上述3個共振頻率下的振動加速度對比表。從圖9可見，改進后的殼體振動加速度普遍下降，尤其在上述3個殼體共振頻率處的振動加速度下降很明顯且幅度很大，最高達91.4%。這說明上述繼電器的振動傳遞路徑改進方案能很好地過濾繼電器3 kHz以下的振動，從而達到減小傳遞給電池包殼體的振動能量的效果。

表3 改進前后繼電器B2附近的殼體共振頻率下的振動加速度對比

Tab.3 Comparison of vibration acceleration in the resonant frequency of relay B2

f/Hz改進前的振動加速度/(m·s-2)改進后的振動加速度/(m·s-2)下降百分比/%4502 2002 7500.0230.0500.0810.0040.0200.00782.660.091.3

圖10為在電池包上蓋板打開狀態(tài)下測得的改進前后的繼電器B2附近的噪聲頻譜圖，表4為改進前后上述3個殼體共振頻率下的噪聲幅值對比表。從圖10可以看出，改進后的噪聲聲壓級相對改進前的下降約6 dB，不同頻率處的噪聲幅值普遍下降，尤其在共振頻率處的噪聲幅值下降幅度最大，具體數(shù)值見表4。在圖10中，改進后的噪聲峰值頻率出現(xiàn)在1 kHz～2 kHz之間，結(jié)合圖3的繼電器B2自由懸掛狀態(tài)下的噪聲頻譜圖可知， 繼電器B2本體的噪聲峰值頻段也在1 kHz～2 kHz之間，這說明此頻段的噪聲為繼電器自身的噪聲，與電池包殼體無關(guān)。經(jīng)上述分析，進一步驗證了筆者設(shè)計的這款隔振墊可以很好地過濾繼電器中低頻的振動，從而達到電池包的降噪效果。

圖10 改進前后的繼電器B2附近的噪聲頻譜圖

表4 改進前后繼電器B2附近的殼體共振頻率下的噪聲幅值對比

Tab.4 Comparison of noise amplitude in the resonant frequency of shell

f/Hz改進前的噪聲幅值/dB改進后的噪聲幅值/dB下降幅度/dB4502 2002 75056.047.351.831.633.234.824.414.217.0

在電池包上蓋板打開與密封狀態(tài)下，振動傳遞路徑改進前后的4個繼電器附近的聲壓級對比如表5所示。由表5可見，無論電池包的上蓋板是打開還是密封，傳遞路徑改進后的4個繼電器附近的聲壓級相對改進前的都下降明顯；在電池包上蓋板打開狀態(tài)下，傳遞路徑改進后的聲壓級相對改進前的降低了約6 dB；在電池包上蓋板密封狀態(tài)下，傳遞路徑改進后的聲壓級相對改進前的降低了約11 dB。改進后的電池包密封狀態(tài)下正常工作時的聲壓級均在55 dB以內(nèi)，滿足以居住區(qū)域為主的一類國家環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)。

表5 電池包上蓋板分別在打開與密封狀態(tài)下4個繼電器安裝改進前后的聲壓級對比

Tab.5 Comparison of sound pressure level before and after improvement of the installation

測點位置改進前的聲壓級/dB(A)改進后的聲壓級/dB(A)密封打開密封打開A164.3874.4453.4468.64A260.1071.1450.0365.40B160.3771.2050.1565.62B265.0976.6254.1870.76

3 結(jié) 論

1) 電池包內(nèi)繼電器的振動經(jīng)由剛性連接的螺栓直接傳遞給繼電器附近的電池包殼體，從而引發(fā)殼體共振并向外輻射噪聲，是電池包噪聲的主要來源。

2) 筆者基于繼電器振動傳遞路徑改進設(shè)計的一款低剛度隔振墊，很好地過濾了繼電器中低頻的振動。在電池包上蓋板打開的狀態(tài)下，噪聲總聲壓級下降了約6 dB；在電池包上蓋板密封的狀態(tài)下，噪聲總聲壓級降低了將近11 dB，達到了很好的降噪效果。