CN103909816A - 一种电动汽车动力电池组的防侧倾结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电动汽车零部件及安全防护技术领域的一种电动汽车动力电池组的防侧倾结构及方法。所述防侧倾结构是在车身和电池组之间增加十字连接结构和减振垫，其中十字连接结构十字形叉的那一面朝下。所述方法是通过改变电池组固定结构来改变电池组总成侧倾角刚度，然后通过建立电池组防侧倾的数学模型，从理论上推导了电池组总成侧倾角刚度与汽车悬架侧倾角刚度之间的相互影响公式，然后运用仿真软件建立汽车悬架侧倾角刚度、电池组总成侧倾角刚度和电池组侧倾角之间的匹配关系图，并选用合适的电池组总成侧倾角刚度，使汽车在同样的侧倾情况下，缓解电池组的侧倾现象，从而提高电池组的抗侧倾能力，改善电池组的性能，提高电池组的寿命。

Description

一种电动汽车动力电池组的防侧倾结构及方法

技术领域

本发明属于电动汽车零部件及安全防护技术领域，特别涉及一种电动汽车动力电池组的防侧倾结构及方法。 

背景技术

目前电动汽车研究开发的重点是动力系统的集成和控制，以及动力系统关键部件的开发，但对于振动问题尚未引起重视。虽然电动汽车的很大一部分优势在于其安静、舒适的乘车环境，且与传统的以内燃机为动力的汽车相比，电动汽车的整车结构发生了很大的变化，尤其是在发动机及进排气系统方面，这些变化在很大程度上降低了整车本体噪声，但由于电动汽车对整车车身结构和底盘系统进行重新布置后，辅助系统也分散布置，使得各个分散布置的部件的工作振动和噪声将更容易被乘客注意。车辆行驶时产生的振动将对电池连接、基板固定、电解液流动会产生直接影响，造成蓄电池、电机损坏，从而影响电池寿命和安全性能。如果连接结构设计的耐冲击、振动强度不够，则电池组在长期复杂的使用条件下极易出现性能的波动和衰减，甚至出现停机等严重事故。特别是车身的侧倾、剧烈的扭转和抖动对电池组产生更大的影响，如接线柱的瞬时断开、单体之间作用力加大等，因此需要对电池的抗侧倾能力进行改善。 

鉴于上述背景，本发明提出一种电动汽车动力电池组防侧倾的结构及方法，其特征在于，所述结构是一种十字连接结构和减振垫的组合；所述方法主要首先通过改变结构来改变电池组总成侧倾角刚度，然后通过建立电池组防侧倾的数学模型，从理论上推导了电池组总成侧倾角刚度与汽车悬架侧倾角刚度之间的相互影响公式，然后运用仿真软件建立汽车悬架侧倾角刚度、电池组总成侧倾角刚度和电池组侧倾角三者之间的匹配关系图，在已知汽车悬架侧倾角刚度的前提下，通过选用合适的电池组总成侧倾角刚度，使汽车悬架侧倾角刚度和电池组总成侧倾角刚度更好的相互匹配。在同样的侧倾情况下，缓解电池组的侧倾现象，从而 提高电池组的抗侧倾能力，改善电池组的性能，提高电池组的寿命。 

发明内容

本发明的目的是提出一种电动汽车动力电池组的防侧倾结构及方法，其特征在于，所述电动汽车动力电池组防侧倾的结构是在车身和电池组之间增加十字连接结构和减振垫，从上到下的连接顺序为：电池组、十字连接结构、减振垫和车身依次连接；其中十字连接结构十字形叉的那一面朝下。 

所述十字连接结构的一面为方形的平板，另一面固定十字形叉，十字形叉的四个端点和方形的四个角重叠。 

所述汽车悬架为双横臂独立悬架，包括上横臂2和下横臂3。 

一种电动汽车动力电池组防侧倾的方法，其特征在于，具体包括：首先通过改变结构来改变电池组总成侧倾角刚度，然后通过建立电池组防侧倾的数学模型，从理论上推导了电池组总成侧倾角刚度与汽车悬架侧倾角刚度之间的相互影响的公式，然后运用仿真软件建立汽车悬架侧倾角刚度、电池组总成侧倾角刚度和电池组侧倾角三者之间的匹配关系图，在已知汽车悬架侧倾角刚度的前提下，通过选用合适的电池组总成侧倾角刚度，使汽车悬架侧倾角刚度和电池组总成侧倾角刚度更好的相互匹配；所述电池组总成侧倾角刚度与汽车悬架侧倾角刚度之间的相互影响的公式如下： 

汽车悬架侧倾角刚度K1和电池组总成侧倾角刚度K2的关系式为：                                                    $\mathrm{\θ}\stackrel{..}{\left(t\right)}=\frac{K2}{I_{\mathrm{\θ}}}\·(\frac{M\left(t\right)}{K1}-\mathrm{\θ}\left(t\right))$

其中，I_θ为电池组相对其几何中心的转动惯量，M(t)是悬架抵抗侧倾的弹性恢复力矩随时间变化值，θ(t)为电池组绕其几何中心侧倾角随时间变化值，   为电池组绕其几何中心侧倾角加速度； 

由Matlab逐个生成的一组随机数M(t），用来表示随时间变化的悬架抵抗力 矩；其中K1和K2的取值均为100-1500（以此范围为例，其值可根据需要扩展），通过每隔1取一个值；然后在Matlab中，利用M语言，计算汽车悬架侧倾角刚度、电池组总成侧倾角刚度和电池组侧倾角三者之间的匹配关系，得到三维关系图和平面等值线图。 

其次，在已知汽车悬架侧倾角刚度K1条件下，根据上述得到三维关系图和平面等值线图，选取数值最小的电池组侧倾角θ(t)所对应的电池组总成侧倾角刚度K2，由此得到合适的电池组总成侧倾角刚度。 

本发明的有益效果是通过改变电动汽车动力电池组的安装结构来改变电池组总成侧倾角刚度，然后通过建立电池组防侧倾的数学模型，从理论上推导了电池组总成侧倾角刚度与汽车悬架侧倾角刚度之间的相互影响公式，然后运用仿真软件建立汽车悬架侧倾角刚度、电池组总成侧倾角刚度和电池组侧倾角三者之间的匹配关系图，并选用合适的电池组底架侧倾角刚度，使汽车悬架侧倾角刚度和电池组总成侧倾角刚度更好的相互匹配，在同样的侧倾的情况下，缓解电池组的侧倾现象，从而提高电池组的抗侧倾能力，改善电池组的性能，提高电池组的寿命。 

附图说明

图1为汽车悬架结构示意图。 

图2为A-A剖面图。 

图3为电池组侧倾角θ与汽车悬架侧倾角刚度K1和电池组总成侧倾角刚度K2之间的Matlab仿真三维关系图。 

图4为电池组侧倾角θ与汽车悬架侧倾角刚度K1和电池组总成侧倾角刚度K2之间的Matlab仿真平面等值线图。 

图1中1-减振弹簧，2-悬架上横臂，3-悬架下横臂，4-车轮，5-车身（或车 架），6-减振垫，7-十字连接结构，8-电池组。O-左侧悬架上下横臂延长线交点，O’-右侧悬架上下横臂延长线交点，M-车身侧倾中心点，δ-车轮绕O转动角，μ-车身产生侧倾角，θ-电池组产生侧倾角，m-悬架弹簧中心至下横臂铰接点距离，n-下横臂长，l-左侧车轮与下横臂铰接点至O点距离，P-左侧车轮中心点至O点水平距离，B-左右两侧车轮轮距，h-车身侧倾中心点M至车身与电池组连接水平面距离，b-两侧减振垫与车身接触点至车身1/4分割面距离，F-地面对车轮垂向作用力，Ft-悬架弹簧对下横臂反作用力，β-弹簧中心线与下摆臂外侧球铰中心和其内侧转轴中心连线的垂直线的夹角。 

附图3中K1-汽车悬架侧倾角刚度，K2-电池组总成侧倾角刚度，theta-电池组侧倾角θ。 

附图4中K1-汽车悬架侧倾角刚度，K2-电池组总成侧倾角刚度。 

具体实施方式

本发明提出的一种电动汽车动力电池组防侧倾的结构及方法。下面结合附图对本发明予以说明。 

首先如附图1所示，电动汽车动力电池组的防侧倾结构是在车身,5和电池组8之间增加十字连接结构7和减振垫6，从上到下的连接顺序为：电池组8、十字连接结构7、减振垫6和车身5依次连接；其中十字连接结构7十字形叉的那一面朝下。在车身的悬架上横臂2和悬架下横臂3之间连接悬架弹簧1。车身的底架两边是车轮4。所述十字连接结构的一面为方形的平板，另一面固定十字形叉，十字形叉的四个端点和方形的四个角重叠（如图2所示）改变结构来改变电池组总成侧倾角刚度，然后通过建立电池组防侧倾的数学模型，从理论上推导了电池组总成侧倾角刚度与汽车悬架侧倾角刚度之间的相互影响的公式，然后运用仿真软件建立汽车悬架侧倾角刚度、电池组总成侧倾角刚度和电池组侧倾角三者之间的匹配关系图，并通过选用合适的电池组总成侧倾角刚度，使汽车悬架侧 倾角刚度和电池组总成侧倾角刚度更好的相互匹配； 

所述双横臂悬架的侧倾刚度K1表示如下： 

$K1=\mathrm{dM}/\mathrm{d\μ}=\frac{1}{2}\·k_s\·{\left(\frac{B\·l\·m\·\cos \mathrm{\β}}{p\·n}\right)}^2---\left(1\right)$

其中，M是悬架抵抗侧倾的弹性恢复力矩；Ks为弹簧1的刚度；然后推导电池组总成侧倾角刚度K2和悬架侧倾角刚度K1的关系式。 

假设车身侧倾角μ很小，则可近似认为sinμ＝μ，可得 

$x_1=x_2=\mathrm{\μ}\·\sqrt{b^2+h^2}---\left(2\right)$

其中，x₁和x₂分别为电池与车身左右连接点位移。 

由于电池组发生侧倾时，减振垫下端位移为b·μ，上段位移为b·θ，因此单侧减振垫上下端相对位移为b·(μ-θ)，继而可得电池组受到的侧倾力矩M_b： 

M_b＝2·k_b·b·(μ-θ)  (3) 

其中：   k_b是电池组与车身连接减振垫的刚度。 

可得电池组的侧倾角刚度K2为： 

$\frac{M_b}{\mathrm{\μ}-\mathrm{\θ}}=2\·k_b\·b---\left(4\right)$

为了计算角加速度，在此令M成为一组随时间变化的值M(t)，来表示随路面输入的变化悬架抵抗侧倾的弹性恢复力矩。因此θ也成为一个随时间变化的函数θ(t)。利用牛顿第二定律，最终得电池组绕其几何中心转动角加速度   计算公式,： 

$\mathrm{\θ}\left(\stackrel{\·\·}{t}\right)=\frac{M_b}{l_{\mathrm{\θ}}}=2\·\frac{k_b}{l_{\mathrm{\θ}}}\·(\frac{M\left(t\right)}{K1}-\mathrm{\θ}\left(t\right))\·b---\left(5\right)$

其中：I_θ为电池组相对其几何中心的转动惯量，k_b是电池组与车身连接减振垫的刚度。 

根据公式（4）和公式（5），可得θ关于K1和K2的微分方程： 

$\left(\stackrel{\·\·}{t}\right)\frac{K2}{l_{\mathrm{\θ}}}(\frac{M\left(t\right)}{M1}-\mathrm{\θ}\left(t\right))\left(6\right)$

根据公式（6），可以找到合适的K1和K2的值，使θ最小。 

实际轿车的前侧倾角刚度为300～1200N·m/(°),后侧倾角刚度为180～700N·m/(°)，因此设K1和K2取值均为从100到1500，每隔1取一个值，M(t)由Matlab逐个生成的一组随机数，用来表示随时间变化的悬架抵抗力矩。然后在Matlab中求解公式（6），得到如图3所示的三维图，将其在水平面投影得到等值线，根据等值线图（如图4所示），可以确定在侧倾角较小时K1和K2之间的取值关系，例如：当K1为600N·m/(°)时，为使θ较小，K2可取700N·m/(°)左右。 

Claims (4)

1.一种电动汽车动力电池组的防侧倾结构，其特征在于，所述电动汽车动力电池组防侧倾的结构是在车身和电池组之间增加十字连接结构和减振垫，从上到下的连接顺序为：电池组、十字连接结构、减振垫和车身依次连接；其中十字连接结构十字形叉的那一面朝下。 

2.根据权利要求1所述一种电动汽车动力电池组的防侧倾结构，其特征在于，所述十字连接结构的一面为方形的平板，另一面固定十字形叉，十字形叉的四个端点和方形的四个角重叠。 

3.根据权利要求1所述一种电动汽车动力电池组的防侧倾结构，其特征在于，所述汽车悬架为双横臂独立悬架，包括上横臂（2）和下横臂（3）。 

4.一种电动汽车动力电池组防侧倾的方法，其特征在于，具体包括：首先通过改变结构来改变电池组总成侧倾角刚度，然后通过建立电池组防侧倾的数学模型，从理论上推导了电池组总成侧倾角刚度与汽车悬架侧倾角刚度之间的相互影响的公式，然后运用仿真软件建立汽车悬架侧倾角刚度、电池组总成侧倾角刚度和电池组侧倾角三者之间的匹配关系图，并通过选用合适的电池组总成侧倾角刚度，使汽车悬架侧倾角刚度和电池组总成侧倾角刚度更好的相互匹配；所述电池组总成侧倾角刚度与汽车悬架侧倾角刚度之间的相互影响的公式如下： 

汽车悬架侧倾角刚度K1和电池组总成侧倾角刚度K2的关系式为：                                                   

其中，I_θ为电池组相对其几何中心的转动惯量，M(t)是悬架抵抗侧倾的弹性恢复力矩随时间变化值，θ(t)为电池组绕其几何中心侧倾角随时间变化值，   为电池组绕其几何中心侧倾角加速度； 

由Matlab逐个生成的一组随机数M(t)，用来表示随时间变化的悬架抵抗力矩；其中K1和K2的取值均为100-1500（以此范围为例，其值可根据需要扩展）， 通过每隔1取一个值；然后在Matlab中，利用M语言，计算汽车悬架侧倾角刚度、电池组总成侧倾角刚度和电池组侧倾角三者之间的匹配关系，得到三维关系图和平面等值线图。 

其次，在已知汽车悬架侧倾角刚度K1条件下，根据上述得到三维关系图和平面等值线图，选取数值最小的电池组侧倾角θ(t)所对应的电池组总成侧倾角刚度K2,由此得到合适的电池组总成侧倾角刚度。