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邱健蓄电池理解电动汽车架构中的电池集成：权衡与优化

来源：邱健蓄电池 发布时间：2026-03-05 10:36:26 点击： 次

摘要

将锂离子电池组集成到电动汽车(EV)结构中可提升结构性能与能效。尽管EV制造商正在进行内部研究，但关于将电池作为结构组件使用时的权衡问题的公开研究十分有限。本研究采用两阶段方法，通过考察电池集成对电动汽车刚度、噪声-振动-声振粗糙度(NVH)及动态综合性能的影响，填补了这一研究空白。本研究以某原始设备制造商(OEM)电动跨界车(crossover)的BIP-NVH模型为基础，推导出简化的NVH梁模型作为基准模型。第一阶段：集成配备H型加强梁的电池组，使弯曲模态频率和扭转模态频率分别最高提升54%和12%。第二阶段：通过完全重构电池包总成进行直接电池集成，使弯曲模态改进幅度达102%，扭转模态提升36.6%。输出： 随后采用尺寸优化使结构轻量化，同时保持第一阶段和第二阶段弯曲模态频率分别比基准模型高39.96%和62.45%，扭转模态频率分别高12.64%和30.14%。通过尺寸优化，相比基准模型实现最大减重75公斤，相比两阶段的集成模型减重87公斤。这些结果表明，电池集成能显著提升刚度，并为未来电动汽车设计实现可观的减重效果。

图文摘要

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1. 引言

正如政府间气候变化专门委员会（IPCC）最新评估报告所确立的，对化石燃料的过度依赖无疑是导致全球变暖的首要原因[1]。随着道路上车辆数量持续攀升，2023年预期储量超过15700亿桶的已知石油储备正在急速枯竭[2,3]。这凸显了交通领域对清洁能源的迫切需求，尤其考虑到到2030年电动汽车预计每日将替代约600万桶石油的消耗[4汽车电气化显著减少了温室气体排放。例如，在欧洲，纯电动汽车(BEV)的二氧化碳排放量比同类汽油车低66–69%，在美国则低60–68%[5尽管早期电动汽车续航里程有限，但现代电动车的单次充电续航已与传统内燃机(ICE)车辆相当甚至更优，部分车型单次充电续航里程超过300英里[6将电池集成至车辆结构中，即令电池成为结构组成部分，是实现轻量化车身的高效途径，有助于推动可持续的车辆电气化进程。结构电池集成技术可使电池包质量减轻达10%，续航里程提升14%，但该方案可能使电池直接暴露于路面传递的动态载荷[7].
在传统电动汽车中，电池组通过螺栓连接固定在车体结构上，这种连接方式可提供一定的结构振动隔离。然而，电池的完全集成化设计可能会消除这种缓冲作用，形成直接的动态读档路径，在随机道路振动工况下可能加速电池的疲劳损伤[8,9在汽车制造领域，由于道路车辆存在诸多振动源，噪声与振动管理成为整车设计中最复杂的环节之一。这些振动不仅影响驾乘人员的行驶品质，还会对车辆结构耐久性产生显著影响[10,11纯电动汽车(BEVs)由于不配备内燃机(ICEs)而存在特殊的NVH问题。此外，燃料箱、变速箱等关键内燃机部件的缺失，使纯电动汽车能够为电池组、电动机以及面向用户的创新内饰设计提供更多布局空间[12].
要理解振动如何影响电动汽车电池包的结构完整性，首先必须了解其构造。传统上，电动汽车电池包采用电芯-模组-电池包（CMP）架构以获得所需功率和容量[13,14]。通常，电池包中会采用高容量方形或圆柱形电芯，通过串联、并联或混联方式配置，以实现所需的电压和电流[[15], [16], [17], [18]尽管CMP（Cell-Module-Pack）结构便于制造和维护，但这种设计是以增加整体质量和零部件数量为代价的。19,20特斯拉4680结构电池组所展示的CTP（Cell-to-Pack）技术取消了模块外壳，使零部件数量减少约370个，整体重量降低10%。[21], [22], [23]在电池-底盘一体化（CTC）技术中，电池组直接与底盘结构部件相连，使电池成为承重元件，从而提升空间利用率[7]。这些集成方法需要严格的热管理系统，例如集成冷却系统和先进散热材料，以维持电池组内均匀的温度分布[24,25]。对于电池的机械隔离，必须采用柔性支架和粘弹性阻尼层，以降低动态载荷和碰撞载荷下振动引起的疲劳损伤[7,26]。此外，电池包拆解成本可能因结构设计差异高达75%，但到2040年该流程实现全自动化可节约1.9亿美元成本[27电池组与车辆结构的集成会影响其重心位置、重量分配及振动特性。
不同电动汽车制造商采用多样化的电池包集成方案。根据车型与设计特征，传统电动车的电池包通常布置于后排座椅下方、后备箱区域或车辆底板处。以特斯拉Model S的电池包为例，其采用高度扁平化设计并安装于车辆底部，从前轴延伸至后轴、左侧面板覆盖至右侧面板的布局方式，有效降低了整车重心并提升了操控稳定性。电池包与车身底盘之间的螺栓连接结构提供了坚固可靠的固定方式，这种连接不仅能承受车辆运行过程中的各类环境应力，还会对碰撞安全性产生影响[28与特斯拉Model S类似，日产Leaf的电池组同样位于车辆底盘下方。该电池组采用被动式热管理系统，将模块外壳产生的热量传导至电池组外部结构，并通过密封设计防止灰尘和液体渗入。电池组通过螺栓连接固定于车身结构，这种连接方式不仅能安全承载电池重量，还可确保车辆行驶过程中电池组保持稳固。[28], [29], [30]相比之下，福特福克斯EV的电池分为两个独立箱体，一个位于后排座椅下方，另一个置于后备箱内。在这种电池布置方案中，液冷系统能有效管理热问题并优化重量分配。螺栓连接进一步确保了电池组与车架的安全紧固[28,31]。2013款雷诺Zoe将电池组布置在底盘下方以实现更优的重量分配与空间利用，而雪佛兰Spark EV则将其安装于后排座椅下方[32特斯拉Roadster将电池组置于车辆中央，而2012款雪佛兰Volt则采用T形电池组设计，贯穿中间通道并延伸至后排座椅下方，从而增强车辆结构刚性并保护电池组免受外部冲击[28,32,33].
本研究由一家全球性汽车原始设备制造商提供支持，该厂商向我们提供了电动交叉型乘用车的详细NVH（噪声、振动与声振粗糙度）模型。该模型用于构建概念性NVH BIP模型，进而形成参考模型或基础模型，以简化实验流程并评估多种电池集成设计方案。参考模型将作为集成与优化流程的基础平台。核心目标在于探究电池集成至车辆结构时的多目标权衡问题。本研究的另一亮点是通过评估电池包集成对结构刚度、重量分布及NVH特性的影响，优化其与电动汽车结构的整合。集成工艺使车辆结构刚度显著提升，这为在维持或增强结构刚度的同时实现尺寸优化与减重提供了空间。尽管电池集成对电动汽车（EVs）至关重要，但关于该过程的具体方法及其相关<trade>权衡</trade>的研究仍显不足。
近期研究报道显示，通过拓扑优化、增强热管理的多功能结构设计[34]以及采用水平集方法的多功能结构电池设计[35]，电池包性能得到提升。此外，还对电芯到电池包（cell-to-pack）不同集成层级进行了对比分析[36然而，这些研究主要聚焦于与热力学、结构或振动相关的孤立子系统，未充分考虑其对整车结构的综合影响。诸多研究采用理想化边界条件与简化连接点，或忽略了螺栓/粘接安装方式、电池管理系统(BMS)布局及电气隔离路径等关键实际因素，这些要素会显著影响实际NVH性能。此外，现有学术界的NVH研究常采用通用或匿名化的白车身(BIW)模型[37,38] 通过与理论或标准基准（如SAE J2380、UN 38.3、IEC 62660-2）进行验证 [39] 而非采用量产电动汽车的实际数据。
特斯拉等主流电动汽车制造商的重要性凸显了本研究的价值。7]已开始将电池组作为结构元件使用（例如Model Y车型），但目前探讨相关权衡因素的学术研究较少，且现有研究对电池集成影响的全面评估较为有限。本研究的创新性在于将电池组集成视为整车级NVH（噪声、振动与声振粗糙度）挑战，通过研究白车身（BIW）整体结构响应如何随电池模块集成度的变化而改变来解决这一问题。通过整合诸如连接点、接头刚度和电池包-结构界面等实际制造约束条件，该方法评估了对整体刚度、固有频率与NVH性能的综合影响。所提出的模型经由与行业提供的量产级电动crossover车辆基准测试数据验证，建立了一个独特的实验计算验证框架。基于该NVH数据集校准后，频率偏差≤3%，全局模态的MAC值≥0.71。如后续章节所述，所有集成研究均在这些已验证参数范围内开展。这种系统级NVH基准测试结合可制造性考量与集成优化，为评估电动汽车结构电池集成涉及的trade-offs建立了新的方法论基准。
]。由于量产级OEM电动车型的NVH数据未向学术研究公开，本研究在单一OEM基准平台内，采用相同几何结构、连接件和边界条件进行结构性能对比。评估指标包括绝对频率和刚度重量比效率。尽管研究基于特定OEM电动crossover车型，但所讨论的结构布局、电池集成技术和优化方法普遍适用于现代电动crossover SUV。

2. 方法论

本研究采用HyperWorks/HyperMesh软件包进行有限元分析(FEA)与优化设计，该软件包含两个求解器：用于优化的OptiStruct和用于模态分析的MSC Nastran。基于现有乘用车详细模型，我们构建了概念NVH Body-In-Prime(BIP)梁模型，初期未包含电池包总成以简化评估流程，便于开展密集的迭代参数优化模拟。经过大量参数优化以匹配详细模型与概念模型的动态特性后，我们将电池总成集成至概念梁模型中，该模型现作为基础模型(BM)使用。概念模型与基础模型的具体细节见2.1 详细车辆有限元(FE)与概念NVH BIP模型, 2.2 基础模型构建相应地，BM采用螺栓连接方式将电池包固定至纵梁。纵梁是车辆底部两侧的纵向结构件，在传统设计中电池包通常通过螺栓与其连接。本研究通过对比两种BM集成方案（例如方案一采用传统纵梁结构（第一阶段），方案二取消纵梁结构（第二阶段）），分析了电池包与电动车结构一体化设计的影响效应。
第一阶段涉及三种模型：摇臂模型1（RM1）、摇臂模型2（RM2）和摇臂模型3（RM3）。第一阶段的模型采用摇臂及类似BM的螺栓连接方式，各模型对应不同的集成度。%% 第二阶段采用不同方法，移除摇臂结构后将电池包直接安装至车体。电池包的纵梁经延长并制成摇臂形状以实现与车体的连接。%% 纵梁指固定在电池包上的纵向矩形壳体单元（图中以蓝色标示），图4(a和b)部分，它们促进了螺栓连接。该阶段包含三个集成层级：全集成模型1(FIM1)、全集成模型2(FIM2)和全集成模型3(FIM3)。第1阶段和第2阶段的集成模型说明详见第2.3节该电池组件的重量与两个阶段中的BM大致相当。每个集成阶段后都会进行详细的模态分析，以评估结构刚度、重量分布以及NVH特性。随后采用优化技术，在保持或提升结构性能的同时实现减重目标。. The battery assembly's weight is roughly comparable to the BMs in both phases. Detailed modal analysis follows every integration phase to evaluate structural stiffness, weight distribution, and NVH properties. Then, there are optimization techniques utilized to achieve weight savings while maintaining or improving structural performance.

2.1. 这是由于行业内广泛采用共享的结构设计原则和通用的电池布置策略所致。然而，必须指出的是，具体的量化结果可能因单个车辆的几何结构与架构而异。需要特别说明的是，本研究仅聚焦于等温条件下的NVH（噪声、振动与声振粗糙度）评估，不包含技术经济建模、成本分析或与匿名化电池包结构的对标研究。

本研究基于MSC NASTRAN的Body-In-Prime（BIP）四门纯电动车辆（BEV）NVH有限元（FE）模型。该BIP结构类似于trimmed body，但不包含发动机、车门或座椅等可移动或可调节部件。它实质上是一个包含玻璃组件的白车身（BIW）[40]，特别是前挡风玻璃和后三角窗。图1(a)展示了包含超过六百万个单元的有限元（FE）模型，该模型全面表征了实际结构。为开发出针对NVH性能优化的集成式电池结构（IBS）设计，需对多种设计方案组合进行测试与评估。虽然每种设计组合都需执行模拟，但由于涉及巨大的计算耗时，采用完整的BIP模型并不可行。因此，在开展电池包集成流程前，必须对模型进行适当简化。为实现这一目标，本研究采用由梁单元和壳单元构成的等效NVH概念模型，以替代复杂的BIP组件[41是一种实用方法。若构建得当，概念模型可高度吻合详细模型的模态振型与共振频率。
Fig. 1

图1. 详细OEM BIP有限元模型（a）与概念NVH梁模型（b）的对比。

2.1.1. 概念梁模型创建

该概念模型采用HyperMesh for MSC NASTRAN构建，利用详细BIP模型的几何结构提供精确的几何示意图。具体而言，首先映射并采用详细模型中的相关节点作为概念模型创建的起点。随后通过连线这些节点构建整体框架。采用二维壳单元分别构造车顶、挡风玻璃、防火墙及地板结构。这些部件由边长均为100 mm的三角形（tria）与四边形（quad）单元混合组成。另一方面，详细模型中的元件长度为5毫米。概念模型的其余组件采用一维梁单元表示，每个单元长度为10毫米。各组件的横截面尺寸各不相同。我们通过节点等效性连接各组件，最终形成完全连接的模型。在创建梁壳表示概念模型时，有意跳过了电池组件的建模。该决策基于对复杂详细模型进行的探索性模态分析结果。电池总成附近的结构呈现出大量局部模态。在建模初期阶段，将电池总成纳入概念模型会增加额外复杂度，并阻碍模型细化以匹配详细模型。我们关注的是全局模态而非局部模态。因此决定在初始概念模型构建过程中排除电池总成，此举可消除绝大多数局部模态。图1(b)展示了已设计的概念模型，对一维梁的各组成部分进行了详尽图示。该概念模型共包含8284个单元，与详细模型相比显著减少。详细模型采用钢材的标准材料参数（弹性模量=210GPa，密度=7.85g/cm³，泊松比=0.3）和玻璃的标准材料参数（弹性模量=72GPa，密度=2.53g/cm³，泊松比=0.23）。在概念梁模型中，我们将挡风玻璃设定为玻璃材质，其余组件则采用钢材属性。需特别说明的是，详细模型中部分构件（尤其是前轮拱周围区域）已通过梁单元进行了简化处理。

2.1.2. 概念梁模型验证

如前所述，我们对不含电池组件的详细BIP模型进行了模态分析，为概念模型提供参考依据。模态分析的频率范围为0-80 Hz，该范围被认为足够充分，因为从研究中获得的全局模态数量足以与概念模型实现近似匹配。在概念模型验证过程中，我们选取了前四阶结构振动模态。采用模态置信准则（MAC）来判定两个有限元（FE）模型之间振型的相关性[42]。公式(1)定义了这种关系，其中两个模型的振型向量分别表示为 %%ϕ1其中(*)表示具有相位和振幅的复向量，T表示向量转置。ϕ2, (*) indicating a complex vector having both phase and amplitude, and T indicating vector transpose.(1)MAC12=ϕ1∗Tϕ22ϕ1∗Tϕ1ϕ2∗Tϕ2
模态置信度（MAC）取值范围为0至1，当该值接近1时表明两模型间模态振型具有良好相关性，而接近0则反映相关性较差。通过对概念模型上多个点位进行对比计算，最终采用平均MAC值作为评估依据。因此，若MAC值趋近于1，则意味着整个模型而不仅是单一节点上存在强相关性。正因如此，当MAC值达到或超过0.71时，概念模型与详细模型之间的相关性即达到可表征水平[43译文： 该数值是适用于全部四种匹配模式的最低有效值。预期该概念模型在各模态共振频率值上的误差或频率差（Δf）不超过3%。44采用HyperView的NVH工具进行模态相关性分析。经过多次迭代以获得较高的MAC值，每次迭代后均进行相应调整，包括修改各梁构件的截面尺寸以及壳体构件的材料厚度。每次迭代均经过严格评估，直至同时实现共振频率匹配且MAC值超过0.71。模态相关性分析结果如表1所示，振型则呈现于图2可以明显观察到模态振型极为相似，高MAC值验证了这一现象。

表1. 详细OEM模型与概念梁模型的全局扭转与弯曲模态对比

模态阶数 振型 共振频率(Hz) Δf (%) MAC
详细模型 概念模型
1 一阶扭转 34.90 34.05 2.44 0.95
2 一阶弯曲 48.47 49.33 1.77 0.76
3 第二扭转模态 54.32 53.40 1.69 0.75
4 第二弯曲模态 57.37 58.26 1.55 0.81
Fig. 2

图2. (a)详细模型与(b)概念梁模型的首阶扭转模态振型对比。


坐标模态置信准则（COMAC）可通过HyperView中的模型相关性工具以云图形式呈现。该准则能直观显示MAC值的高低分布[45]，从而指导确定概念模型中需要调整以提高整体MAC值的部件。图3展示了所有四种模态的COMAC等高线图。高MAC值以红色显示，低MAC值以蓝色显示。选用30毫米的容差来匹配两个模型间的节点。%%软件通过计算大量节点来确定MAC值，这使得结果更加精确。一个明显现象是梁单元上映射的节点数量多于壳单元。这主要是由于壳部件采用的网格比梁单元更粗糙，导致初始匹配的节点数量较少。%% %%为进一步缩短模型相关性分析时间，对详细模型的后处理网格进行了大幅简化。采用较小容差实现大量节点映射，表明概念模型的几何表征具有较高准确性。概念模型结果的精确性验证了采用梁壳模型进行NVH分析的合理性。
Fig. 3

Fig. 3. COMAC等高线图：(a) 一阶扭转（MAC = 0.95），(b) 一阶弯曲（MAC = 0.76），(c) 二阶弯曲（MAC = 0.75），以及(d) 二阶扭转（MAC = 0.81）。

2.2. 基础模型创建

基础模型是概念模型的延伸，通过对简化但精确的电池包总成进行建模而构建。其建模过程通过将详细BIP模型中的节点映射来制作侧边梁，随后连接这些节点并创建与详细模型高度近似、同时为提升计算效率而简化的壳单元。每侧边梁由通过焊缝连接的两部分构成，所有侧边梁部件的壳厚度均保持1.2毫米不变。电池包总成采用相同方法进行装配。电池包模型通过从详细模型映射的节点构建，如图所示，其包含三个主要组件。图4(a)电池组底板（紫色标注，壳体厚度4毫米）、小型侧边构件（灰色标注，壳体厚度4毫米）以及延伸侧边构件（蓝色标注，壳体厚度2.5毫米）。通过螺栓连接将这些组件固定于纵梁，确保其材料属性与力学行为与精细化模型完全一致。为准确复现电池模块的质量分布，采用CONM2单元模拟集中质量点，并通过RBE3单元将其连接至电池底板与侧边模块隔板。在创建包含完整电池组、重量约为470公斤的基础模型时，整合了概念模型的设计方案。由于重量显著增加，基础模型的NVH特性相较于概念模型发生了明显改变。下文将详细讨论电池集成流程后NVH特性的变化，并与各集成模型进行对比分析。
Fig. 4

图4. BIP：(a) 参考模型，(b) 阶段1集成模型，(c) 阶段2集成模型。

2.2.1. 替代电池组布局方案评估

为评估不同模块封装策略是否能提供显著优于原始设备制造商(OEM)基准设计的NVH性能，我们在集成阶段前进行了初步灵敏度分析。通过调整模块行列布局、改变电池包面内质量分布并移动其重心位置，共创建了四种布局方案(Model A-D)，这些方案均与基础模型(Base Model, BM)存在显著差异。图6展示了这些布局方案与整车典型全局弯曲(模态8)和扭转(模态13)振型的对比结果，同时图5列出了各方案的模态频率数据。
Fig. 5

图 5. OEM精细模型、基础模型及探索性电池包布局（A-D）的模态频率（Hz）。

Fig. 6

图6. OEM详细模型、简化基础模型与四种探索性电池包布局方案（A-D）的全局模态振型对比

Fig. 7

图7. 基于BM的简单模块集成与类OEM 3×5模块网格对比图，展示R1-R5行与C1-C3列。

Fig. 8

图8. BM结构全局弯曲与扭转、完整3×5矩阵及R1-R5的读档分析

Fig. 9

图9. 集成工艺所用（1-粘合剂）与（2-H型钢）的规格参数

Fig. 10

图10. 第一与第二整合阶段模型的电池包组装结构

Fig. 11

图11. 第一与第二整合阶段模型的尺寸优化设计变量

Fig. 12

图12. BM模型与阶段1&2集成模型之间的模态相关性。

Fig. 13

图13. BM的选定全局模态振型与Phase-1模型对比。

Fig. 14

图14. BM与Phase-2模型对比的选定全局模态振型。

Fig. 15

图15. 上方曲线表示BM与第一阶段相比的频率-重量关系，下方曲线表示BM与第二阶段的对比结果。

Fig. 16

图16. 电池模块集成的三个层级及其影响。

Fig. 17

图 17. BM与第一阶段集成模型的全局模态振型优化前后对比

Fig. 18

图 18. BM模型与Phase 2集成模型在优化前后的全局模态振型对比

Fig. 19

图 19. 优化前后全局模态对比

Fig. 20

图 20. 优化后权重-频率关系图：首行展示基准模型（BM）与第一阶段优化对比，次行呈现基准模型（BM）与第二阶段优化对比。

Fig. 21

图 21. OEM模型与RM3及FIM3的全局模态对比分析


所考察构型的频率范围呈现较小变化，如图5所示，其中弯曲频率约介于18.6至22.5赫兹之间，扭转频率约在29.7至38.2赫兹范围内，因此仍与基准模型(BM)的频率范围相近。然而，存在两个关键问题使得这些构型不适合进行后续研究。
  • a.
    Mode Shape Mismatch and Excessive Local Modes: While the frequencies were comparable, various alternatives exhibited different mode shapes and localized modes within the pack, which diminished their correlation with the OEM's detailed model. In accordance with the stipulations outlined in section 2.1.2, it is imperative that the minimum value of the modal assurance criterion (MAC) be no less than 0.71 to establish a robust model-to-model agreement. The BM was specifically designed to meet this requirement from the outset. Unfortunately, many alternatives fell below this threshold, indicating that they did not accurately capture the global behavior, even though their eigenvalues were similar. Given that NVH transferability relies significantly on both mode shapes and frequencies, we concluded that similar frequencies alone are insufficient if the MAC is not met.
  • b.
    Practicality and Transferability in Industry: Deviating from the original equipment manufacturers (OEM) module design, encompassing aspects such as mass, inertia, wiring, thermal hardware, sealing, service points, crash interfaces, and attachments, would introduce considerable complications. This would complicate the isolation of the effects of packing topology and hinder the application of findings to production models. Our Base Model was deliberately crafted as a simplified yet realistic representation of the OEM assembly, incorporating elements like shell thicknesses, side members, bolt paths, and mass distribution derived from a detailed OEM model. This approach ensures realistic load paths before testing various integration strategies.

基于上述发现，我们将探索性布局方案作为实用筛选工具而非全面研究的可行候选方案。因此，我们保留了与OEM一致的标准模块设计，并将研究重点转向集成拓扑结构领域——在此框架下能够维持经OEM验证的模态振型（MAC准则）、避免异常局部模态，并通过两个系统化阶段（如基于门槛梁方案与无门槛梁完全集成方案）有效量化NVH性能与质量间的交易关系。同时采用粘接剂与H型梁作为物理可实现的连接界面，具体实施方案如第2.3节以下。

2.2.2. 纵向模块-行灵敏度分析（类OEM 3×5网格）

为有效理解质量重新分布的影响，同时保持恒定的结构读档路径，基础模型（BM）的几何结构、连接件和附属装置均保持类似配置，使得电池组能够按照类似原厂规格的3×5模块网格排列，如图所示。图7通过从前至后依次移除单个模块行（标记为R1-R5）进行敏感性分析，在保持其他条件不变的情况下，实现了重心的可控纵向偏移，如图所示。图8由于可能产生横向重心偏移与左右刚度不对称现象，未考虑移除C1-C3立柱。此类情况会导致单侧摇臂卸载并引发弯扭耦合效应，既无法代表量产电池包的真实工况，也会破坏模态行为的对称性，同时削弱与OEM基准数据的可比性。
针对每种配置方案，研究团队严格评估了首阶整体扭转与弯曲模态，并完成整车振型分析。在Full 3×5及R1-R5系列模型中，各响应相对于基准模型(BM)均呈现有界且规律的特征。如文献所述，弯曲频率分布在20.42-22.27Hz区间（Δf −3.86%至+4.85%），扭转频率范围为19.10-20.46Hz（Δf −7.78%至−1.2%）。图8。振型保持全局性且符合OEM配置特征，未观察到基于电池包的局部模态或模态阶次倒置现象。这些趋势符合基础力学原理，因为纵向质量位移主要影响惯性参数而非刚度路径。因此，弯曲模态对质量侧向位置表现出轻微敏感性（最大增幅出现在R5工况），而扭转模态则呈现适度降低，这与有效极惯量的轻微减小相一致；未识别出电池包内部存在局部模态。
综上所述，在OEM典型拓扑结构中，电池模组层面质量重分布对NVH特性的影响属于二阶效应。主要全局模态频率变化范围保持在5-7%区间，各阶振型保持表征保真度，且动态层级结构保持不变。因此，本研究保留类OEM模组几何形态，将分析重点转向如下所述的集成拓扑结构。2.3 电池模组集成工艺, 3 结果与讨论，其中检验了与生产相关的关键NVH-质量交易权衡。模式7至20的全面数据列于表2.

表2. BM、完整3×5阵列及R1-R5配置的模态频率（Hz）（第7-20阶模态）。

模态阶数 基准模型 简易模块集成方案 模块分布（3列5行） 已删除第1行 已移除第2行 已移除第3行 已移除第4行 已移除第5行
7 20.57 20.71 19.10 20.46 19.81 19.18 19.21 19.61
8 21.12 21.24 20.42 21.33 20.76 20.91 21.39 22.27
9 21.85 21.94 21.45 23.65 21.86 21.96 22.20 23.36
10 34.83 33.99 34.82 35.33 35.02 34.79 35.14 36.03
11 36.79 35.69 36.01 38.91 37.31 36.52 36.30 36.91
12 38.14 39.95 38.95 41.86 39.90 39.24 39.18 39.73
13 39.96 42.86 43.16 43.72 43.18 43.19 43.43 44.96
14 42.76 50.64 44.75 48.54 45.34 47.26 45.31 48.77
15 43.05 55.03 50.82 54.04 54.61 50.49 53.72 54.51
16 44.98 55.73 54.57 57.14 55.42 54.66 54.66 55.66
17 50.37 58.78 57.34 60.43 60.63 60.36 60.70 57.82
18 54.55 59.76 60.61 61.02 61.27 61.22 63.04 62.42
19 54.86 62.05 61.25 61.44 63.58 63.34 63.30 63.29
20 60.17 63.04 63.33 65.23 69.09 63.76 67.40 66.68

2.3. 电池模组集成工艺

在完成参考模型的电池包组装后，集成过程被划分为两个阶段，每个阶段均涉及三种模型的分析。这种系统化方法能全面考察不同集成策略对结构特性与NVH性能的影响。
采用2.5毫米厚的胶粘层将电池模块固定在电池包底板上，这种做法具有显著优势。例如，能够在电池包内部实现合理的质量分布，其优异的减振特性有助于提升NVH（噪声、振动与声振粗糙度）性能[46,47]。此外，胶粘剂的使用可实现金属与塑料等异质材料的粘接，从而为汽车设计与制造提供更高的灵活性[46,48]。如图所示图9（1）模块集成工艺采用弹性模量为4000 MPa、泊松比为0.35的固体接缝六面胶粘剂。本研究所用材料、粘合剂及螺栓连接均复现了原始装备制造商（OEM）验证的配置方案。研究中采用汽车级钢材与标准化螺栓连接，以精确再现真实结构行为。粘合剂的选择严格遵循OEM技术规范，因其对提升汽车结构总成的刚度与阻尼性能具有关键作用。
为实现电池模块更全面的集成，采用钢制H型梁因其卓越的抗扭与抗弯刚度[49,50]。H型梁的翼缘与腹板厚度相近，相较于其他梁结构，这使其成为分布荷载应用的理想选择[51] 图9(2)式展示了本研究所采用的H型钢截面尺寸。H型钢的几何特性使其具有轻量化优势，这最终有助于我们实现高比强度的结构设计。为满足集成化需求，在电池包内对H型钢进行战略布局，既增强了车辆结构刚度，又显著提升了其读档承载性能。

2.3.1. 阶段1：带摇臂的模型集成

图4(b)展示了阶段1的集成模型。该阶段采用带摇臂的BM（电池模块）进行电池组集成，包含三个递进步骤，每步均通过增加结构设计复杂度来提升集成度。此阶段旨在探究不同集成水平对车辆结构完整性与NVH性能的影响。
2.3.1.1. RM1：采用粘合剂实现电池模组简易集成
如图示，RM1通过粘合剂将电池模组固定于电池包底板的方案构建而成图10(a). 首先从电池总成中移除质点，以启动该流程。随后，设计了尺寸与实际车辆电池模块大致相同的空心矩形壳体结构，以模拟电池模块的外壳。接着，在这些模块内部重新生成质点，并采用RBE3单元将其连接至模块壁面，从而尽可能精确地复现质量分布。矩形壳体模块结构的厚度保持为1。4毫米，与实际模型一致。使用厚度为2.5毫米的粘合剂将模块固定于电池组底板上。此布局旨在为后续集成流程提供基准，主要关注车辆的结构刚度与固有频率。
2.3.1.2. RM2：采用H型梁进行局部集成
第二步采用H型梁将模块与自身、侧壁以及电池包的模块分隔结构相连接，从而构建出RM2结构图10(b) 我们将该配置视为部分集成方案，因为H型梁仅用于电池包内部。采用部分集成旨在优化读档分布并提升车辆结构刚度，同时避免引入显著额外重量。除提供局部强化外，分段式H型梁有助于电池包总成中的读档有效分配。模态分析通过评估固有频率变化，可识别该集成工艺可能引发的NVH问题。
2.3.1.3. RM3：与H型钢梁的完全集成
第一阶段最后一个步骤RM3的设计目的，是将模块与为电池组提供延伸支撑的H型钢梁完全集成，如图所示图10(c) 底座及第一阶段模型的电池组仅通过侧面固定，前后方向均可触及，导致该结构在动态环境中稳定性不足。为此，本阶段额外增设六根横梁将电池组与车辆结构进行前后双向连接。该构型显著提升了车辆的整体刚度与动态响应特性。通过全面的模态分析，评估了该集成方案的实施效能及其对车辆NVH（噪声、振动与声振粗糙度）性能的影响。

2.3.2. 阶段2：集成改进摇臂的模型

在第二阶段，摇臂结构被完全从模型中移除；取而代之的是将电池组侧梁延长并加工成摇臂形状，图4(c) 与第一阶段需要通过螺栓连接将电池组固定至门槛梁不同，这些延伸的侧边梁被直接安装到车辆结构上。该工艺旨在实现电池组与车身结构的完全集成，并简化装配流程。为保持与BM模型及第一阶段模型等效的质量分布，中空侧边梁内部填充了经过战略排布的水平与垂直壳板，其厚度与对应侧边梁相近。取消螺栓连接预计将显著提升整体结构的强度重量比，最终改善车辆的NVH特性。通过开展NVH评估与模态分析，研究人员确定了这种集成工艺对整车综合性能的影响。本阶段同样包含三个递进复杂度的测试环节，每个环节旨在验证不同集成方法的有效性。
2.3.2.1. FIM1：简易模块集成
与第一阶段类似，本阶段创建的FIM1模型未包含摇臂结构，如图10(d)所示。该构型旨在优化质量分布并提高模态频率，最终增强车辆的整体动态性能。在此阶段，粘合剂的使用为理解模块直接集成的效果提供了对比框架。
2.3.2.2. FIM2：与H型钢梁的部分集成
在第二阶段第二步中，对FIM2进行了建模建模，该阶段与第一阶段类似，采用H型钢梁实现部分集成，如图图10(e)所示。本阶段旨在相较于第一阶段提供更好的支撑效果及更高效的重量分布。通过部分采用H型钢梁和改进的摇臂总成，力图提升结构刚度和NVH性能。研究中再次采用模态分析方法，用以评估固有频率的变化，并检测该集成方案可能引发的NVH问题。
2.3.2.3. FIM3：与H型钢梁的完全集成
第二阶段的最后环节包括将模块和电池组与H型钢梁完全集成以构建FIM3，如图所示图10(f). 在此过程中，额外引入了六根横梁，具体包括三根从前部连接电池包至车身结构的横梁以及三根从后部连接的横梁。该阶段显著提升了电池模组的刚性与结构完整性，为其提供了最全面的支撑。完整的H型梁经战略布局后，实现了载荷分布最大化与NVH问题最小化。但该方案仍存在进一步优化空间。通过开展全面的模态分析，评估了该集成方案的实施效果，重点考察了其对车辆动态响应及整体NVH性能的影响。

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