CN104802626B - 底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法，包括以下步骤：确定底盘换电电动汽车的底盘布置方案；根据所述底盘换电电动汽车的底盘布置方案及整车性能确定动力电池箱结构；结合操纵稳定性及底盘空间确定动力电池箱总成的质心布置位置；结合乘坐舒适性及所述动力电池箱总成的质心位置确定所述动力电池箱与所述底盘间连接点的布置位置。上述底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法，利用多体动力学方法、试验优化策略及有限元等多种方法综合确定动力电池箱总成的布置位置及动力电池箱与底盘连接点的布置位置，其设计过程中综合考虑整车操纵稳定性及乘坐舒适性，大大提升了基于传统燃油车改装的底盘换电电动汽车的整车性能。

Description

底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，特别是涉及一种底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法。

背景技术

电动汽车因其排放低、噪声小、能量利用率高及能量来源广泛正成为汽车发展的新方向。受电池技术限制，电池的能量比与传统燃油相比很低，因此动力电池箱总成的质量占整车质量比重大，导致基于传统车辆开发的电动汽车存在整车操纵稳定性、乘坐舒适性较差的状况。

所谓底盘换电电动汽车，即为了解决电动汽车续行里程短的问题，可通过自动化设备来实现快速更换动力电池箱的电动汽车。由于燃油车较为普遍，技术较为成熟，底盘换电电动汽车往往由传统燃油车改装而来。因此，由传统燃油车改装而来的底盘换电电动汽车动力电池箱总成的位置布置及动力电池箱与底盘连接点的布置设计是一项重要的研究课题。

对于传统的电动汽车底盘布置方案只是根据整车续行里程及底盘空间，在确定电池箱结构后布置在汽车底盘下方，没有考虑动力电池箱总成的布置对整车操纵稳定性及乘坐舒适性的影响，使得一般基于传统燃油车改装的底盘换电电动汽车的整车性能不佳。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够有效提升整车稳定性和舒适性的底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法。

一种底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法，包括以下步骤：

确定底盘换电电动汽车的底盘布置方案；

根据所述底盘换电电动汽车的底盘布置方案及整车性能确定动力电池箱结构；

结合操纵稳定性及底盘空间确定动力电池箱总成的质心布置位置；

结合乘坐舒适性及所述动力电池箱总成的质心位置确定所述动力电池箱与所述底盘间连接点的布置位置。

在其中一个实施例中，所述确定底盘换电电动汽车的底盘布置方案的步骤包括：

采用前置前驱的驱动型式，将驱动组件布置于汽车前舱下部；

将整车电器件布置于所述汽车前舱上部；

结合整车载荷分布及换电池的方便性，将所述动力电池箱总成布置在底盘正下方，且所述动力电池箱相对整车的纵轴对称布置。

在其中一个实施例中，所述动力电池箱通过多个连接机构与车架相连接，且所述动力电池箱位于所述车架的两条纵梁的跨度之间。

在其中一个实施例中，所述根据所述底盘换电电动汽车的底盘布置方案及整车性能确定动力电池箱结构的步骤具体为：根据所述动力电池箱的电池组容量及体积要求、底盘空间要求、强度刚度要求、散热要求及防水防尘要求确定动力电池箱结构。

在其中一个实施例中，所述动力电池箱包括下箱体、上箱体、支撑横梁、电源接口支撑架及侧围边框；所述支撑横梁设置于所述下箱体内，所述下箱体与所述上箱体共同形成主箱体，所述电源接口支撑架设置于所述主箱体中，所述侧围边框设置于所述主箱体外侧。

在其中一个实施例中，所述侧围边框通过焊接的方式与所述下箱体相连接。

在其中一个实施例中，所述侧围边框包括两条横向边框及两条纵向边框，所述横向边框与所述纵向边框间通过三面角板及螺纹紧固件进行固定连接，所述纵向边框上设有与车架相连接的连接机构。

在其中一个实施例中，所述结合操纵稳定性及底盘空间确定动力电池箱总成的质心布置位置的步骤包括：

建立动力学建立整车的动力学模型；

改变所述动力电池箱总成的质心位置，经仿真，得到整车操纵稳定性与所述动力电池箱总成的质心位置之间的变化关系；

根据整车操纵稳定性与所述动力电池箱总成的质心位置之间的变化关系，确定最优的动力电池箱总成的质心布置位置。

在其中一个实施例中，所述根据整车操纵稳定性与所述动力电池箱总成的质心位置之间的变化关系，确定最优的动力电池箱总成的质心布置位置的步骤具体为：

根据动力电池箱结构及底盘空间确定所述动力电池箱总成的质心的允许范围，并以整车操纵稳定性更好作为优化目标，采用试验优化策略以得到最优的动力电池箱总成的质心布置位置。

在其中一个实施例中，所述结合乘坐舒适性及所述动力电池箱总成的质心位置确定所述动力电池箱与所述底盘间连接点的布置位置的步骤包括：

根据所述动力电池箱总成的质心位置，建立底盘模型，并分析动力电池箱对底盘动态刚度的影响；

根据所述动力电池箱对底盘动态刚度的影响，确定最优的所述动力电池箱与所述底盘间连接点的布置位置。

上述底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法，利用多体动力学方法、试验优化策略及有限元等多种方法综合确定动力电池箱总成的布置位置及动力电池箱与底盘连接点的布置位置，其设计过程中综合考虑整车操纵稳定性及乘坐舒适性，大大提升了基于传统燃油车改装的底盘换电电动汽车的整车性能。

附图说明

图1为本发明一实施例中的底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法的流程图；

图2为底盘换电电动汽车的底盘布置图；

图3为底盘换电电动汽车中动力电池箱的爆炸图；

图4为图1所示底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法中步骤S300的具体流程图；

图5为动力电池箱总成布置所允许空间的示意图；

图6为动力电池箱总成布置所允许空间的另一示意图；

图7为图1所示底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法中步骤S400的具体流程图；

图8为动力电池箱与底盘连接点的可行区域示意图；

图9为一实施例中的多个可执行方案底盘动态刚度参数对比分析表。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明一实施例中的底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法，包括以下步骤：

步骤S100，确定底盘换电电动汽车的底盘布置方案。

请一并参阅图2，首先需要先对传统的燃油汽车进行改造，并确定底盘布置方案。传统的家用车或商务车一般采用前置前驱(即发动机前置、前轮驱动)的驱动型式。基于此，将驱动组件11布置于汽车前舱下部。驱动组件11具体包括驱动电机、变速箱、差速器等。并且，利用拆除燃油发动机后留有的空间，将整车电器件12布置于汽车前舱上部。整车电器件12包括整车控制器、电机驱动器、高压电盒、逆变器等。

结合整车载荷分布及换电池的方便性，将动力电池箱总成布置在底盘下方，且动力电池箱相对整车的纵轴对称布置。

具体的，动力电池箱13通过多个连接机构与车架14相连接。为了提高动力电池箱13的安全性能，动力电池箱13可位于车架14的两条纵梁的跨度之间。并且，还可对车架14与动力电池箱13之间的连接处的进行结构上的加强，以进一步提高动力电池箱13的安全性能。

可以理解，当需要对非前置前驱型式的车进行改造时，其底盘布置也相对应的进行改变，而不限于上述方式。

步骤S200，根据底盘换电电动汽车的底盘布置方案及整车性能确定动力电池箱结构。

在本实施例中，其具体根据动力电池箱13的电池组容量及体积要求、底盘空间要求、强度刚度要求、散热要求及防水防尘等要求来确定动力电池箱13结构。

请一并参阅图3，动力电池箱13包括下箱体131、上箱体132、支撑横梁133、电源接口支撑架134及侧围边框135。支撑横梁133设置于下箱体131内，下箱体131与上箱体132共同形成主箱体，电源接口支撑架134设置于主箱体中，侧围边框135设置于主箱体外侧。

具体的，侧围边框135通过焊接的方式与下箱体131相连接。侧围边框135包括两条横向边框135a及两条纵向边框135b。横向边框135a与纵向边框135b间通过三面角板136及螺纹紧固件(图未示)进行固定连接，纵向边框135b上设有与车架14相连接的连接机构(图未示)。连接机构具体可为四个。

在设计完底盘布置方案之后，可以根据底盘布置方案，确定改造前后整车结构因素的变化。

步骤S300，结合操纵稳定性及底盘空间确定动力电池箱总成的质心布置位置。

请一并参阅图4，具体的，步骤S300可包括以下步骤：

步骤S310，建立动力学建立整车的动力学模型。

先通过多体动力学软件ADAMS/CAR来建立整车动力学虚拟仿真模型，模型具体包括前后悬架模型、稳定杆模型、转向系模型、前后轮胎模型、车身模型、动力系统模型及电池箱模型。

步骤S320，改变动力电池箱总成的质心位置，经仿真，得到整车操纵稳定性与动力电池箱总成的质心位置之间的变化关系。

动力电池箱总成的质心位置的改变，会对整车的结构因素产生影响，进而影响整车操纵稳定性。基于整车动力学模型，进行操纵稳定性试验转向盘角阶跃试验、转向盘角脉冲试验、稳态回转试验和蛇形试验，得到整车操纵稳定性与动力电池箱总成的质心位置之间的变化关系。

步骤S330，根据整车操纵稳定性与动力电池箱总成的质心位置之间的变化关系，确定最优的动力电池箱总成的质心布置位置。

上述步骤S330具体可为：根据动力电池箱13的结构及底盘空间确定动力电池箱总成的质心的允许范围，并以整车操纵稳定性更好作为优化目标，采用试验优化策略以得到最优的动力电池箱总成的质心布置位置。

请一并参阅图5及图6，根据底盘空间及整车的离地间隙要求，确定动力电池箱13纵向布置空间及垂直方向布置空间，避免动力电池箱13与前稳定杆、前副车架及后悬架的干涉，保证离地间隙，确定纵向、垂直方向位置。具体在本实施例中，动力电池箱13的纵向、垂直方向空间如图5及图6所示，d1为338mm，d2为1940mm，据此建立坐标系，从而确定动力电池箱总成的质心X、Z坐标的范围，其纵向坐标变化范围为(1336，1436)，垂直方向坐标位置变化范围为(－46.6，－0.6)。

采取试验优化策略，以操纵稳定性转向盘角阶跃试验为例，把动力电池箱总成的质心纵向坐标、垂直方向坐标做为变量，操纵稳定性评价指标横摆角速度、车身侧倾角做为优化目标，采取响应面法全因素优化策略进行试验优化。按照动力电池箱总成的质心纵向位置范围每10mm间隔取值，共11个值，垂直方向每10mm取值，共5个值，共55次试验。

执行试验优化，得到最优的动力电池箱总成的质心位置，具体在本实施例中，最优的质心位置的坐标为(1336，0，－46.6)。

步骤S400，结合乘坐舒适性及动力电池箱总成的质心位置确定动力电池箱与底盘间连接点的布置位置。

请一并参阅图7，上述步骤S400可包括以下步骤：

步骤S410，根据动力电池箱总成的质心位置，建立底盘模型，并分析动力电池箱对底盘动态刚度的影响。

根据已经确定的动力电池箱总成的质心位置，利用有限元法，建立底盘有限元模型(通过Hyper-Mesh有限元软件)，进行底盘的自由模态分析，以分析动力电池箱总成对整车乘坐舒适性影响变化规律。结果表明底盘的一阶侧向弯曲和一阶垂直弯曲的刚度变小，一阶扭转刚度变大。

步骤S420，根据动力电池箱对底盘动态刚度的影响，确定最优的动力电池箱与底盘间连接点的布置位置。

确定动力电池箱13与底盘间连接点的布置位置，可以选择底盘动态刚度作为分析指标，以电池箱与底盘连接点的布置位置为变量，将表示底盘动态刚度的一阶侧向弯曲、一阶垂直弯曲和一阶扭转的固有频率的最大化做为优化目标进行优化。

具体的，可以根据动力电池箱13及车架14等的结构特点，确定在动力电池箱13的纵向边框135b上可布置连接机构的区域。在本实施例中，请参阅图8，在纵向边框135b的前部区域可以选择A和B两个区域作为连接点的位置，在纵向边框135b的前部区域可以选择C和D两个区域作为连接点的位置。连接点的布置方案就分别为a、b、c、d四种，以分别对应A、B、C、D四个区域。

分别对应a、b、c、d四种方案建立底盘有限元模型，并分别执行自由模态分析，得到每种方案底盘的一阶侧向弯曲、一阶垂直弯曲和一阶扭转的固有频率，结果参阅图9，通过分析可知方案a的组合可使得各阶固有频率最大，最终确定其为最优的动力电池箱13与底盘间连接点的布置位置。

上述底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法，利用多体动力学方法、试验优化策略及有限元等多种方法综合确定动力电池箱总成的布置位置及动力电池箱与底盘连接点的布置位置，其设计过程中综合考虑整车操纵稳定性及乘坐舒适性，大大提升了基于传统燃油车改装的底盘换电电动汽车的整车性能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定底盘换电电动汽车的底盘布置方案；

根据所述底盘换电电动汽车的底盘布置方案及整车性能确定动力电池箱结构；

结合操纵稳定性及底盘空间确定动力电池箱总成的质心布置位置；

结合乘坐舒适性及所述动力电池箱总成的质心位置确定所述动力电池箱与所述底盘间连接点的布置位置，步骤包括：根据已经确定的动力电池箱总成的质心位置，利用有限元法，建立底盘有限元模型，进行底盘的自由模态分析，以分析动力电池箱总成对底盘动态刚度的影响；以底盘动态刚度为分析指标，以动力电池箱与底盘连接点的布置位置为变量，将表示底盘动态刚度的一阶侧向弯曲、一阶垂直弯曲和一阶扭转的固有频率的最大化为优化目标进行优化，确定最优的所述动力电池箱与所述底盘间连接点的布置位置；

所述动力电池箱通过多个连接机构与车架相连接，且所述动力电池箱位于所述车架的两条纵梁的跨度之间。

2.根据权利要求1所述的底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法，其特征在于，所述确定底盘换电电动汽车的底盘布置方案的步骤包括：

采用前置前驱的驱动型式，将驱动组件布置于汽车前舱下部；

将整车电器件布置于所述汽车前舱上部；

结合整车载荷分布及换电池的方便性，将所述动力电池箱总成布置在底盘正下方，且所述动力电池箱相对整车的纵轴对称布置。

3.根据权利要求1所述的底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法，其特征在于，所述根据所述底盘换电电动汽车的底盘布置方案及整车性能确定动力电池箱结构的步骤具体为：根据所述动力电池箱的电池组容量及体积要求、底盘空间要求、强度刚度要求、散热要求及防水防尘要求确定动力电池箱结构。

4.根据权利要求3所述的底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法，其特征在于，所述动力电池箱包括下箱体、上箱体、支撑横梁、电源接口支撑架及侧围边框；所述支撑横梁设置于所述下箱体内，所述下箱体与所述上箱体共同形成主箱体，所述电源接口支撑架设置于所述主箱体中，所述侧围边框设置于所述主箱体外侧。

5.根据权利要求4所述的底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法，其特征在于，所述侧围边框通过焊接的方式与所述下箱体相连接。

6.根据权利要求4所述的底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法，其特征在于，所述侧围边框包括两条横向边框及两条纵向边框，所述横向边框与所述纵向边框间通过三面角板及螺纹紧固件进行固定连接，所述纵向边框上设有与车架相连接的连接机构。

7.根据权利要求1所述的底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法，其特征在于，所述结合操纵稳定性及底盘空间确定动力电池箱总成的质心布置位置的步骤包括：

建立动力学建立整车的动力学模型；

改变所述动力电池箱总成的质心位置，经仿真，得到整车操纵稳定性与所述动力电池箱总成的质心位置之间的变化关系；

根据整车操纵稳定性与所述动力电池箱总成的质心位置之间的变化关系，确定最优的动力电池箱总成的质心布置位置。

8.根据权利要求7所述的底盘换电电动汽车动力电池箱总成布置设计方法，其特征在于，所述根据整车操纵稳定性与所述动力电池箱总成的质心位置之间的变化关系，确定最优的动力电池箱总成的质心布置位置的步骤具体为：

根据动力电池箱结构及底盘空间确定所述动力电池箱总成的质心的允许范围，并以整车操纵稳定性更好作为优化目标，采用试验优化策略以得到最优的动力电池箱总成的质心布置位置。