CN108674167A - 一种电池包横摆悬置的电动汽车底盘 - Google Patents

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高炳钊
胡启元
田萌健
陈虹
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Abstract

本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种电池包横摆悬置的电动汽车底盘。其包括：电池、电池包外壳和底板，电池固定安装于电池包外壳中，电池包外壳转动连接于底板上，电池包外壳与底板之间设置有为电池包外壳相对底板转动提供阻力的减震器。它取消了电池包与底盘之间的刚性连接，改用弹性阻尼联接，从而使电池包具有相对于底盘转动的自由度，减小了电池包转动惯量对于整车转向的影响，在不影响电池的体积和质量的前提下改善了汽车操纵稳定性。结构紧凑，占用空间小，车辆重心升高不明显，改善了车辆的侧倾性能。结构简单，只需在现有汽车底盘基础上进行较小的改动就能得到很大的车辆操纵稳定性改善。

Description

一种电池包横摆悬置的电动汽车底盘
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种电池包横摆悬置的电动汽车底盘。
背景技术
由于当今社会能源危机与环境污染问题越来越受到广泛关注，所以节能、环保、安全逐渐成为现代汽车工业发展的主导方向。电动汽车由于其节省资源、零排放的优点，而很好地契合了当今汽车工业发展方向。尤其是近几年，电动汽车产销量呈爆炸式增长，就间接的说明了电动汽车在未来汽车发展中将占据主导地位。随着电动汽车相关技术的逐渐发展，人们对于电动汽车的要求已不仅仅是方便快捷，而同时也对平顺性、敏捷性和操纵稳定性方面有较高的期望。
目前，改善汽车操纵稳定性的方法有主动控制和被动控制等，主动控制主要是通过先进控制方法的开发来改善车辆操纵稳定性，如前轮主动转向系统(AFS)、直接横摆力矩控制(DYC)、四轮转向系统(4WS)和电子稳定系统(ESP)等；被动控制多为对汽车本身结构进行优化以改善汽车操纵稳定性，如麦弗逊悬架中设计的横向稳定杆、防抱死制动系统(ABS)等。但是不管是在主动控制，还是被动控制方法中，都没有将车辆的转动惯量作为主要调节因素的方法，换句话说，目前很少有通过优化整车转动惯量，来提高车辆操纵稳定性的技术。
电池作为电动汽车内部的关键部件，具有较大的质量和体积，这使其具有很大的转动惯量，从而间接增大了整车的转动惯量，对整车的操纵稳定性产生不利影响。由于现在人们对电动汽车续航能力和动力性有较高的要求，所以电动汽车电池体积、质量是关键，但是受电池技术水平限制，无法在不影响容量的情况下，减小电池体积和质量。既然如此，只能从另一个方面间接地减小电池转动惯量对于车辆转向的影响。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种电池包横摆悬置的电动汽车底盘，它取消了电池包与底盘之间的刚性连接，改用弹性阻尼联接，从而使电池包具有相对于底盘转动的自由度，减小了电池包转动惯量对于整车转向的影响，在不影响电池的体积和质量的前提下改善了汽车操纵稳定性。结构紧凑，占用空间小，车辆重心升高不明显，改善了车辆的侧倾性能。结构简单，只需在现有汽车底盘基础上进行较小的改动就能得到很大的车辆操纵稳定性改善，其采用的技术方案如下：
一种电池包横摆悬置的电动汽车底盘，其特征在于，包括：电池、电池包外壳和底板，所述电池固定安装于电池包外壳中，所述电池包外壳转动连接于底板上，所述电池包外壳与底板之间设置有为电池包外壳相对底板转动提供阻力的减震器。
在上述技术方案基础上，还包括第一滚轮，所述电池包外壳的底部开有以底部中心为圆心的至少两条同心的第一弧形滑道，所述电池包外壳底部中心处开有一个供滚动轴承安装的轴承安装槽，所述底板的中心处设置有一用于安装滚动轴承的安装轴，所述安装轴穿装于轴承安装槽中，所述电池包外壳通过滚动轴承及安装轴与底板转动连接，所述底板上与第一弧形滑道相对应的位置处开设有若干个滚轮安装槽，所述第一滚轮通过轴转动安装于安装槽中，所述第一滚轮的上部露出滚轮安装槽伸入至第一弧形滑道中为电池或电池包外壳提供支撑。
在上述技术方案基础上，所述第一弧形滑道为四条，分别为左弧形滑道、右弧形滑道、前弧形滑道和后弧形滑道，左弧形滑道与右弧形滑道左右对称，前弧形滑道与后弧形滑道前后对称。
在上述技术方案基础上，还包括限位压板，所述滚轮安装槽的两侧向下凹陷形成小方槽，所述第一滚轮的轴的两端分别放置在两小方槽内，从而埋入底板内部；两限位压板通过螺栓固定安装于两小方槽上以限制轴竖直方向的运动。
在上述技术方案基础上，所述电池包外壳的四角处分别开设有一个旋转槽，所述旋转槽的上下表面具有开孔，所述开孔中连接有一连接螺栓，所述减震器的连杆通过第一吊环与连接螺栓铰接，所述底板的四角处各固接有一固定柱，所述固定柱的顶端与汽车底盘相连接使得底板随汽车底盘运动，所述减震器的储油缸筒通过第二吊环与固定柱铰接。
在上述技术方案基础上，所述减震器设置得与底板的长度方向具有一夹角。
在上述技术方案基础上，还包括左限位板和右限位板，所述左限位压板的左端通过第一螺栓安装在底板的左端上，右端位于电池包外壳的上方并与电池包外壳留有一定间隔；所述电池包外壳的左端上表面开有以电池包外壳中心为圆心的第二弧形滑道，左限位板上与第二弧形滑道相对应的位置处开设有若干个方型槽，所述方型槽中转动连接有第二滚轮，所述第二滚轮的底部露出左限位板伸入至电池包外壳的第二弧形滑道中，为电池或电池包外壳提供向下的支撑力，所述右限位板的结构与左限位板结构相同，两者左右对称设置；所述右限位板与底板及电池包外壳之间的连接方式均与左限位板相同。
一种对使用上述电池包横摆悬置的电动汽车底盘的车辆操纵稳定性分析的方法，其特征在于：
在将电池包横摆悬置之后可以得到三自由度模型：侧向运动、整车绕z轴的横摆运动和惯量盘绕z轴的转动，建立数学模型如下：
∑Mz＝aFy1cosδ-bFy2+Mb
整理以上公式得到电池包横摆悬置后三自由度汽车运动微分方程式：
其中，Fy1、Fy2为前后轮侧偏力，Mb为电池包转矩，Kb、Db分别为电池包与底盘之间联接的刚度与阻尼，且Db是可调整的；Mz为汽车转向时整车横摆力矩，Mb为电池所受横摆力矩，θ为车辆转过角度、θb为电池转动角度、和ωr均为汽车横摆角速度、Izb为电池横摆转动惯量、Izz整车横摆转动惯量、Fyf为前轮侧偏力、Fyr为后轮侧偏力、ωrb和均为电池转动横摆角速度、m为整车质量；vc为整车纵向速度，β为整车质心侧偏角，δ是前轮转角，Ib为电池转动惯量。
本发明的有益效果为：取消了电池包与底盘之间的刚性连接，改用弹性阻尼联接，从而使电池包具有相对于底盘转动的自由度，减小了电池包转动惯量对于整车转向的影响，在不影响电池的体积和质量的前提下改善了汽车操纵稳定性。结构紧凑，占用空间小，车辆重心升高不明显，改善了车辆的侧倾性能。结构简单，只需在现有汽车底盘基础上进行较小的改动就能得到很大的车辆操纵稳定性改善。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明所述电池包外壳底部结构示意图；
图3是本发明所述底板上表面结构示意图；
图4是本发明所述底板上第一滚轮安装示意图；
图5是本发明所述电池包外壳左端旋转槽示意图；
图6是本发明右端减震器安装位置示意图；
图7是本发明所述减震器倾斜安装示意图；
图8是本发明所述电池包外壳左端上表面结构示意图；
图9是本发明所述左限位压板上第二滚轮安装示意图；
图10是本发明所述左限位压板安装示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种电池包横摆悬置的电动汽车底盘，其特征在于，包括：电池1、电池包外壳2和底板3，所述电池1固定安装于电池包外壳2中，所述电池包外壳2转动连接于底板3上，所述电池包外壳2与底板3之间设置有为电池包外壳2相对底板3转动提供阻力的减震器5。
如图2至图4所示，优选的，还包括第一滚轮6A，所述电池包外壳2的底部开有以底部中心为圆心的至少两条同心的第一弧形滑道20，所述电池包外壳2底部中心处开有一个供滚动轴承安装的轴承安装槽2B，所述底板3的中心处设置有一用于安装滚动轴承的安装轴3B，所述安装轴3B穿装于轴承安装槽2B中，所述电池包外壳2通过滚动轴承及安装轴3B与底板3转动连接，具体地可采用如下方式：轴承安装槽2B与滚动轴承的外环固定连接(如过盈配合)，安装轴3B与滚动轴承的内环固定连接(如过盈配合)，如此电池包外壳2可绕安装轴3B转动，从而具有了相对汽车底盘横摆转动的自由度，所述底板3上与第一弧形滑道20相对应的位置处开设有若干个滚轮安装槽3A，所述第一滚轮6A通过轴6B转动安装于安装槽3A中，所述第一滚轮6A的上部露出滚轮安装槽3A伸入至第一弧形滑道20中为电池1或电池包外壳2提供支撑，当第一弧形滑道20为沉槽时，所述第一滚轮6A的顶端支撑于电池包外壳2上，当第一弧形滑道20为通槽时，第一滚轮6A的顶端则是支撑于电池1底面上。
优选的，所述第一弧形滑道20为四条，分别为左弧形滑道2A、右弧形滑道2D、前弧形滑道2E和后弧形滑道2C，左弧形滑道2A与右弧形滑道2D左右对称，前弧形滑道2E与后弧形滑道2C前后对称。
优选的，还包括限位压板6D，所述滚轮安装槽3A的两侧向下凹陷形成小方槽，所述第一滚轮6A的轴6B的两端分别放置在两小方槽内，从而埋入底板3内部；两限位压板6D通过螺栓固定安装于两小方槽上以限制轴6B竖直方向的运动。
如图5和图6所示，优选的，所述电池包外壳2的四角处分别开设有一个旋转槽2F，所述旋转槽2F的上下表面具有开孔2G，所述开孔2G中连接有一连接螺栓2L，所述减震器5的连杆5B通过第一吊环5A与连接螺栓2L铰接，使减震器5可以绕连接螺栓2L相对电池包外壳2转动，减震器5在安装时由于有一部分处于电池包外壳2的旋转槽内部，可以节省一定横向空间，所述底板3的四角处各固接有一固定柱4，所述固定柱4的顶端与汽车底盘相连接使得底板3随汽车底盘运动，所述减震器5的储油缸筒5C通过第二吊环5D与固定柱4铰接，使减震器5可以绕固定柱4相对于底板3相对转动。
如图7所示，优选的，所述减震器5设置得与底板3的长度方向具有一夹角，具体来说如以底板3的长度方向为X轴、以底板3的宽度方向为Y轴，减震器5的轴线平行或基本平行于X轴和Y轴所构建的平面，同时，减震器5的轴线与X轴之间具有一定的夹角，即减震器5的轴线既不与X轴平行也不与Y轴平行，节省了横向(X轴方向)空间。
如图8至图10所示，优选的，还包括左限位板7和右限位板8，所述左限位压板7的左端通过第一螺栓7L安装在底板3的左端上，右端位于电池包外壳2的上方并与电池包外壳2留有一定间隔；所述电池包外壳2的左端上表面开有以电池包外壳2中心为圆心的第二弧形滑道2K，左限位板7上与第二弧形滑道2K相对应的位置处开设有若干个方型槽7A，所述方型槽7A中转动连接有第二滚轮7B，所述第二滚轮7B的底部露出左限位板7伸入至电池包外壳2的第二弧形滑道2K中，为电池1或电池包外壳2提供向下的支撑力，当第二弧形滑道2K为沉槽时，所述第二滚轮8A的底端支撑于电池包外壳2上，当第二弧形滑道2K为通槽时，第二滚轮8A的底端则是支撑于电池1顶面上，所述右限位板8的结构与左限位板7结构相同，两者左右对称设置；所述右限位板8与底板3及电池包外壳2之间的连接方式均与左限位板7相同，左限位板7和右限位板8起限制电池竖直方向上的自由度，同时不会阻碍其转动的作用，所述第二滚轮8A安装于方型槽7A中所采用的方式可与第一滚轮6A安装于安装槽3A中所采用的实施方式相同。
优选的，所述减震器5采用阻尼可调式的减震器，在车速较低，侧向加速度处于小于0.4g的线性区域时，使用较小的阻尼值，可以使响应速度明显比原有车辆快，而且横摆角速度和侧向加速度超调量有少量减小，改善了操纵稳定性；当车速较高，侧向加速度处于大于0.4g的非线性区时，使用较大的阻尼值，此时横摆角速度和侧向加速度不仅响应速度有较大的提升，而且超调量明显减小，显著改善了汽车的操纵稳定性，其中g指的是重力加速度，约为9.8m/s2，线性区和非线性区分界为侧向加速度为重力加速度的0.4倍。
一种对使用上述电池包横摆悬置的电动汽车底盘的车辆操纵稳定性分析的方法，其特征在于：
在将电池包横摆悬置之后可以得到三自由度模型：侧向运动、整车绕z轴的横摆运动和惯量盘绕z轴的转动，建立数学模型如下：
∑Mz＝aFy1cosδ-bFy2+Mb
整理以上公式得到电池包横摆悬置后三自由度汽车运动微分方程式：
其中，Fy1、Fy2为前后轮侧偏力，Mb为电池包转矩，Kb、Db分别为电池包与底盘之间联接的刚度与阻尼，且Db是可调整的；Mz为汽车转向时整车横摆力矩，Mb为电池所受横摆力矩，θ为车辆转过角度、θb为电池转动角度、和ωr均为汽车横摆角速度、Izb为电池横摆转动惯量、Izz整车横摆转动惯量、Fyf为前轮侧偏力、Fyr为后轮侧偏力、ωrb和均为电池转动横摆角速度、m为整车质量；vc为整车纵向速度，β为整车质心侧偏角，δ是前轮转角，Ib为电池转动惯量。
不具有本申请的电池包横摆悬置的电动汽车底盘的二自由度的汽车受到的外力沿y轴方向的合力与绕质心的力矩和为：
∑Fy＝Fy1cosδ+Fy2
∑Mz＝aFy1cosδ-bFy2
不具有本申请的电池包横摆悬置的电动汽车底盘的原有汽车二自由度模型微分方程为：
与本申请相比可见本申请电池包悬置之后，对于横摆角速度ωr的微分方程本申请的技术方案增加了有关电池包转动力矩的一项：
在一定程度上，相当于减小了整车的横摆力矩，从而加快了转向的响应，同时通过合理的调整减震器的阻尼和刚度大小，可以改善汽车转向时的横摆角速度和侧向加速度响应。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种电池包横摆悬置的电动汽车底盘，其特征在于，包括：电池(1)、电池包外壳(2)和底板(3)，所述电池(1)固定安装于电池包外壳(2)中，所述电池包外壳(2)转动连接于底板(3)上，所述电池包外壳(2)与底板(3)之间设置有为电池包外壳(2)相对底板(3)转动提供阻力的减震器(5)。
2.根据权利要求1所述的一种电池包横摆悬置的电动汽车底盘，其特征在于：还包括第一滚轮(6A)，所述电池包外壳(2)的底部开有以底部中心为圆心的至少两条同心的第一弧形滑道(20)，所述电池包外壳(2)底部中心处开有一个供滚动轴承安装的轴承安装槽(2B)，所述底板(3)的中心处设置有一用于安装滚动轴承的安装轴(3B)，所述安装轴(3B)穿装于轴承安装槽(2B)中，所述电池包外壳(2)通过滚动轴承及安装轴(3B)与底板(3)转动连接，所述底板(3)上与第一弧形滑道(20)相对应的位置处开设有若干个滚轮安装槽(3A)，所述第一滚轮(6A)通过轴(6B)转动安装于安装槽(3A)中，所述第一滚轮(6A)的上部露出滚轮安装槽(3A)伸入至第一弧形滑道(20)中为电池(1)或电池包外壳(2)提供支撑。
3.根据权利要求1或2所述的一种电池包横摆悬置的电动汽车底盘，其特征在于：所述第一弧形滑道(20)为四条，分别为左弧形滑道(2A)、右弧形滑道(2D)、前弧形滑道(2E)和后弧形滑道(2C)，左弧形滑道(2A)与右弧形滑道(2D)左右对称，前弧形滑道(2E)与后弧形滑道(2C)前后对称。
4.根据权利要求2所述的一种电池包横摆悬置的电动汽车底盘，其特征在于：还包括限位压板(6D)，所述滚轮安装槽(3A)的两侧向下凹陷形成小方槽，所述第一滚轮(6A)的轴(6B)的两端分别放置在两小方槽内，从而埋入底板(3)内部；两限位压板(6D)通过螺栓固定安装于两小方槽上以限制轴(6B)竖直方向的运动。
5.根据权利要求1或3所述的一种电池包横摆悬置的电动汽车底盘，其特征在于：所述电池包外壳(2)的四角处分别开设有一个旋转槽(2F)，所述旋转槽(2F)的上下表面具有开孔(2G)，所述开孔(2G)中连接有一连接螺栓(2L)，所述减震器(5)的连杆(5B)通过第一吊环(5A)与连接螺栓(2L)铰接，所述底板(3)的四角处各固接有一固定柱(4)，所述固定柱(4)的顶端与汽车底盘相连接使得底板(3)随汽车底盘运动，所述减震器(5)的储油缸筒(5C)通过第二吊环(5D)与固定柱(4)铰接。
6.根据权利要求5所述的一种电池包横摆悬置的电动汽车底盘，其特征在于：所述减震器(5)设置得与底板(3)的长度方向具有一夹角。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种电池包横摆悬置的电动汽车底盘，其特征在于：还包括左限位板(7)和右限位板(8)，所述左限位压板(7)的左端通过第一螺栓(7L)安装在底板(3)的左端上，右端位于电池包外壳(2)的上方并与电池包外壳(2)留有一定间隔；所述电池包外壳(2)的左端上表面开有以电池包外壳(2)中心为圆心的第二弧形滑道(2K)，左限位板(7)上与第二弧形滑道(2K)相对应的位置处开设有若干个方型槽(7A)，所述方型槽(7A)中转动连接有第二滚轮(7B)，所述第二滚轮(7B)的底部露出左限位板(7)伸入至电池包外壳(2)的第二弧形滑道(2K)中，为电池(1)或电池包外壳(2)提供向下的支撑力，所述右限位板(8)的结构与左限位板(7)结构相同，两者左右对称设置；所述右限位板(8)与底板(3)及电池包外壳(2)之间的连接方式均与左限位板(7)相同。
8.一种对使用如权1至权7任意一项电池包横摆悬置的电动汽车底盘的车辆操纵稳定性分析的方法，其特征在于：
在将电池包横摆悬置之后可以得到三自由度模型：侧向运动、整车绕z轴的横摆运动和惯量盘绕z轴的转动，建立数学模型如下：
∑Mz＝aFy1cosδ-bFy2+Mb
整理以上公式得到电池包横摆悬置后三自由度汽车运动微分方程式：
其中，Fy1、Fy2为前后轮侧偏力，Mb为电池包转矩，Kb、Db分别为电池包与底盘之间联接的刚度与阻尼，且Db是可调整的；Mz为汽车转向时整车横摆力矩，Mb为电池所受横摆力矩，θ为车辆转过角度、θb为电池转动角度、和ωr均为汽车横摆角速度、Izb为电池横摆转动惯量、Izz整车横摆转动惯量、Fyf为前轮侧偏力、Fyr为后轮侧偏力、ωrb和均为电池转动横摆角速度、m为整车质量；vc为整车纵向速度，β为整车质心侧偏角，δ是前轮转角，Ib为电池转动惯量。
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