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1、电动汽车底盘布局设计研究中文摘要大力发展新能源汽车,是解决日益突出的能源供需矛盾、缓解环境压力的 必由之路。在中国制造2025中,将以电动汽车为代表的节能与新能源汽车 列为重点发展领域,为我国汽车工业未来发展指明方向。目前,我国电动汽车 在专用底盘开发、底盘布局设计等技术领域与国际先进水平存在一定差距,因 此有必要在相关领域开展研究,为电动汽车底盘布局设计提供分析和参考方法。本文基于某款电动汽车整车参数和性能指标,进行电动汽车底盘布局方案 设计,包括电机、动力电池等匹配。建立电动汽车三种不同底盘布置方案的三 维模型,求得各底盘布置方案的转动惯量、质心坐标等;为了进行操纵稳定性、 平顺性与振动等
2、仿真分析,建立不同底盘布置方案对应的整车动力学模型,包 括前后悬架、制动、转向、驱动电机、前后轮胎、动力电池和座椅、车身等子 系统;通过进行模拟直线加速与圆周行驶等整车运动,验证所建模型合理可行。接下来研究不同底盘布置方案对整车操纵稳定性以及平顺性的影响,对不 同底盘布置方案模型进行操纵稳定性仿真试验,结果显示整车质心位置前移、 质心位置较低的底盘布置方案三操纵稳定性相对最佳。对各底盘布置方案模型 进行平顺性仿真试验,结果显示:在随机输入平顺性分析中,方案三的驾驶员 座椅处加权加速度均方根值相对较小,但车速越高,各底盘布置方案的平顺性 均变差;在凸块脉冲仿真中,三种底盘布置方案均具有较好的平顺
3、性能,对乘 员不会产生不良影响。最后建立电动汽车底盘柔性体与柔性连接,进行优化分析。在原底盘布置 模型中建立前悬架下摆臂柔性体模型,通过操纵稳定性仿真、振动激励仿真, 和原刚体模型进行对比,结果显示柔性体能缓冲吸振,使整车横摆角速度峰值 减小6.6%,侧向加速度峰值减小6.9%,左右轮胎横向滑移量峰值减小4.6%和 7.6%,操纵稳定性得到改善;在电动汽车动力电池与底盘连接处建立柔性连接, 结果显示在随机不平路面高速行驶时,柔性连接减小了各底盘布置方案驾驶员 座椅处加权加速度均方根值,最多减少33.1%,有效改善乘员的乘坐舒适性。关键词:电动汽车,底盘布局,操纵稳定性,平顺性,柔性连接Rese
4、arch and Designation on the ChassisLayout of Electric VehicleAbstractAccelerating the development of New Energy Vehicles is vital for the solution of Energy shortage and mollifying environmental pressures. As one important part of the development of new energy vehicles, electric vehicle have been li
5、sted as key development areas inzV? C/zzwaIt indicates the future development ofChinas automotive industry. At present, new energy product development in Chinas automobile enterprises are lagging behind, especially in special chassis for electric vehicle and chassis layout of electric vehicle. It is
6、 necessary to carry out research in related fields, providing analysis and reference for the electric car chassis layout.In this paper, the motor, transmission system and power battery parameters have been designed based on one commercially available electric vehicle parameters and performance. 3D m
7、odels for different chassis layout of electric vehicle were built to obtain the dynamic moment of inertia and mass centre coordinate. In order to facilitate the handling stability and ride comfort simulation analysis, electric vehicle models for different chassis layouts was built. It inclueded fron
8、t and rear suspension, braking, steering, drive motor? power battery, front and rear tires? passenger seats and vehicle body. Through the simulation of linear acceleration and the circumference of the vehicle movement, the model was reasonable and feasible.The following simulation of handling perfor
9、mance for different chassis layouts were tested. The results indicate that handling performance of the third chassis layout scheme was the best. The gravity center position forward and lower chassis layout can improve the handling performance. In the simulation of ride comfort for different chassis
10、layouts, the results indicated: In the random input ride simulation, the root mean square value of weighted acceleration(RMS) of paasengers9 seat value from third chssis layout was relatively small, but the higher the speed, the worse the ride comfort of three chassis layout. In the simulation of th
11、e convex block pulse, the three kinds of chassis layout have good ride performance, which will not have adverseneffects on the crew.The flexible lower control arm model of front suspensions was bxiilt. Compared with the original rigid body model, the results indicated that the flexible body can can
12、reduce vibration. The peak value of vehicle yaw velocity decreased 6.6%, pec value of lateral acceleration decreased 6.9%? peak value of lateral slip for tires decreased 4.6% and 7.6% respectively. The handling performance was improved. Flexible connection was established, and by the result of rando
13、m input ride simulation, RMS reduced by 33.1%. It means that passengers ride comfort has been effectively improved.Key-words:Electric Vehicle, Chassis Layout, Handing. . . t.-performance,Ride comfort,Flexible Connectionhi中文摘要IAbstractIIg 录IV第一章绪论11.1课题的背景与意义11.2电动汽车底盘布局技术现状21.2.1国外电动汽车底盘布局技术21.2.2国内
14、电动汽车底盘布局技术4电动汽车底盘技术特点与布置方案研究51.3.1电动汽车底盘布局设计特点51.3.2电动汽车底盘布置方案61.4研究工作与主要内容8第二章电动汽车底盘布局方案与模型建立92.1建立不同底盘布置方案三维模型92.2建立不同底盘布置方案动力学模型132.2.1建模原则132.2.2各子系统建立142.3整车模型调试252.4本章小结27第三章电动汽车不同底盘布置方案的操纵稳定性283.1引言283.2不同底盘布置方案操纵稳定性分析283.3本章小结48第四章电动汽车不同底盘布置方案的平顺性分析504.1引言504.2平顺性模型建立504.3不同底盘布置方案的平顺性分析524.4
15、本章小结66第五章底盘柔性体和柔性连接优化分析67目录5.1 675.2柔性体建模675.2.1前悬架下摆臂柔性体675.2.2正弦振动激励分析705.3柔性连接优化735.3.1柔性连接设计与建模745.3.2柔性连接的平顺性振动分析765.4本章小结81第六章总结与展望826.1工作总结826.2 研究展望82参考文献 84在读期间已发表和录用的论文87第一章绪论u课题的背景与意义日益紧迫的能源消耗、严重污染的生存环境、逐步退化的生态系统等严峻 形势,是全球汽车制造业必须共同面对的难题。因此大力发展新能源汽车迫在 眉睫。我国新能源汽车的推广、应用持续深入发展,并且受到中央高层的高度 重视与
16、大力支持。2014年一季度,国务院副总理马凯多次组织政府以及行业举 行新能源汽车工作会议,进一步明确发展新能源汽车作为未来的重点工作;2014 年5月,习近平主席在上汽技术中心考察时强调.发展新能源汽车是我国从汽 车大国迈向汽车强国的必由之路1。电动汽车是新能源汽车发展的核心。2015 年国务院颁布中国制造2025,将以电动汽车为代表的节能与新能源汽车列 为重点发展领域,为我国汽车工业未来发展指明方向2。经过多年的努力与积 累,我国在电动汽车自主创新领域已经实现重要突破:自主开发的电驱动系统 性能测试达到国际先进水平,相关电动汽车产品开始批量化进入市场,能够满 足示范批量养车需要3。但是在专用
17、底盘开发、底盘布局设计等技术领域,我 国与欧美、日本等传统汽车强国仍然存在不小差距。无论传统汽车还是电动汽车,底盘系统均包括悬架、转向、制动等子系统, 其布局设计影响着整车的舒适性、安全性与操控性4。电动汽车底盘布置设计 大部分还是参考传统汽车进行,但是由于电动汽车驱动系统的不同,不同布置 方式存在一定差异。电动汽车底盘布置中包括悬架、悬挂等设计的变动、汽车 辅助设备的选型、动力电池的布置和控制系统导线的布置等。对比传统汽车, 电动汽车底盘布置多变灵活,对整车性能产生的影响也更深远。比如电动汽车 动力电池组体积大、质量重(从250公斤至1000公斤不等),电动汽车质量、 转动惯量、质心位置和簧
18、载质量等会受到显著影响。在电动汽车的底盘布局设 计中,需要综合考虑动力电池模组的布置方案以及对整车综合性能如操纵稳定 性、平顺性振动性能造成的影响。研究探寻理想的布置方案,对电动汽车整车 乘坐舒适性、操控性、平顺性等具有重要意义。针对上述问题,本文根据某款乘用电动汽车建立起不同底盘电池布置的虚 拟样机仿真模型,基于国家标准和评价办法进行仿真试验。对不同方案布置方 案的试验结果进行对比分析,确定操纵稳定性、平顺性相对最佳的底盘布置设计方案。最后对该种底盘布置方案模型进行优化,通过仿真析结果与原布置方 案进行对比,验证优化结果1.2电动汽车底盘布局技术现状 1.2. 1国外电动汽车底盘布局技术从汽
19、车工业制造方面来看,以美国、德国为代表的欧美发达国家以及日本 等国家作为传统汽车工业强国,一直在电动汽车技术研发领域处在国际前沿。 2009年,日本Nissan (日产)汽车公司开发出第一款“零排放”纯电动汽车 Leaf (国内译为“聆风”)。该车型以日产骐达乘用车为基础,采用传统5 门两厢车设计造型(如图1.1所示)。_日产为Leaf开发了电动汽车专用底盘, 驱动用电机位于逆变器固定支下方的副车架上,采用的是电机前查前轮(FF)驱 动布置方式。逆变器布置在连接车身左右的支架上,该支架能够提高车身刚性。 锂离子电池则是布置车身中央的底板上,实现良好重量平衡与低重心设计,提 高整车操纵稳定性,使
20、整车拥有宽敞的车内空间。图1.1日产Leaf电动汽车底盘图1.2丰田纯电动汽车底盘图1.2所示的是日本TOYOTA (丰田)汽车公司开发的纯电动汽车专用底 盘。该底盘将动力电池收布置在车身中央的地板下方;底盘架构采用了直线形 骨架,骨架材料大量使用成形较为困难的高张力钢板,采用该技术可省略碰撞 时使动力电池免受冲击的保护部件,简化底盘整体结构,节省整车布置空间。 与原发动机车型底盘相比,新开发的专用底盘整车重量减轻了 30%,成本较原 车型减少了 30%40%。该底盘可以作为通用底盘,通过更换上部车身来搭配 其他车型。图1.3特斯拉Model S电动汽车底盘图1.3为美国特斯拉公司生产的Mod
21、el S纯电动汽车底盘布置图。电池组 布置在底盘中部,前后配备高强度钢材加强电池保护。汽车底盘采用铝合金材 料,实现了整车轻量化。并且预留出足够的崩溃区来缓冲吸振,整车具有良好 防碰撞性能。通过对电池、底盘、控制器等主要部件的集成设计,Model S底 盘结构简单明了:除悬架系统、动力系统、刹车系统和轮胎之外,就是与底盘 一体化的动力电池板。前悬架系统采用了双叉臂悬架,后悬架为多连杆悬架, 提升整车操控稳定性与乘坐舒适性。图1.4宝马i3电动汽车底盘布局在底盘设计中运用轻量化技术,可显著提高电动汽车续航能力,减轻整车 重量、节约成本。如图1.4所示宝马汽车公司(BMW)研制出i3电动汽车专州人
22、7:i/用底盘。该底盘使用碳纤维材料,在弹性模量、拉伸强度等方面都优于硼钢; 新材料的制造费用为原车型的三分之一,整车减重效果达30%,最终整车整备 质量仅为1195公斤在相关科研院所和高校等研发机构,德国奥斯特法利亚应用技术大学的X. Liu-Henke、M.G5llner等开发出名为“Fredy”的电动汽车,该款汽车拥有“智 能底盘”和四轮独立驱动系统系统,能够实现车辆的模块化控制、智能驾驶操作、 驾驶安全性能提升等5。墨西哥蒙特雷科技大学的JuanC、Tudon-Martinez等 人对纯电动汽车悬架控制策略进行研究,改进后的控制策略使电动汽车底盘垂 直振动加速度减少到60%,前桥侧偏角
23、减小了大约5%,有效改善了整车操纵 稳定性与平顺性6。美国俄亥俄州立大学的Rajendra Singh提出虽然电动汽车由 于增加不同的动力系统与传动系统,降低传统内燃机汽车的掩蔽噪声,但是新 增加的部件如驱动电机和动力电池等给振动噪声带来一系列新的问题7。比利 时LMS公司的Benjamin Meek等人对电动汽车驱动电机在底盘布置中的NVH 问题开展相关研究8。德国采埃孚股份公司将驱动电机与传动系集成在底盘车 轮上,该种底盘布置可以有效节省电动汽车的整车布置空间,能够进一步布置 大功率动力电池或者其它储能设备9。1.2.2国内电动汽车底盘布局技术目前,我国自主开发的电动汽车车型在整车控制、动
24、力系统匹配与集成设 计等方面已经掌握核心技术,但是电动汽车底盘布局设计技术同国外先进水平 相比仍然存在一定差距,部分核心技术缺乏,具体表现在专用底盘开发、底盘 布局与设计技术领域。国外著名汽车制造厂商均为电动汽车开发构建全新平台, 比如沃尔特电动汽车底盘、本田纯电动汽车底盘等平台。这些底盘平台的开发 不仅提高电动汽车汽车的整体性能,而且可以方便应用于当前的一系列车型, 减少底盘技术平台的开发成本。而我国的电动汽车底盘开发大部分基于现有平 台,开发出的电动汽车大多在传统车上进行改装,缺乏电动汽车底盘布局平台 化发展的概念。国内汽车整车企业中,东风汽车股份有限公司、上海汽车股份 有限公司、中国第一
25、汽车集团公司和江淮汽车股份有限公司等已经有计划开发 电动汽车底盘布置架构。图1.5是江淮汽车公司开发出电动环卫汽车专用底盘, 该底盘是为公共服务领域的环卫车辆量身定做,轴距为3360mm,其上布置有 三相交流永磁同步电机、高效磷酸铁锂电池等零部件,并且底盘车架上无铆钉, 方便用户改装成各类垃圾车、路面养护车等其他专用车辆1()1。图1.5自主研发底盘的江淮电动环卫车从相关科研院所来看,吉林大学姚琳琳等在FlexRay网络平台对四轮独立 转向、四轮独立驱动(制动)的电动汽车进行了底盘集成控制研究与建模11。 北京航空航天大学冯冲、丁能根、何勇等针对四轮线控转向、液压制动的分布 式驱动电动汽车设计
26、了基于CAN (Controller Area Network,控制器局域网络) 总线的底盘综合控制系统12。上海大众汽车有限公司的关振东、吴海波等对电 动汽车动力电池在底盘布置、前舱布置中遇到的问题进行研究,寻求如何减小 动力电池质量与体积、确保动力电池的碰撞安全性能等13,14,。福州大学马宁等 发明出电动汽车耐碰撞圆柱形电池组合系统,可改善电池系统耐撞性能,使电 动汽车底盘布置更加灵活15;清华大学赵景山、冯之敬、福州大学马宁等对机 器人机构在电动汽车底盘布置设计领域的应用开展研究,研发出的机器人可完 成电动汽车底盘处动力电池更换工作,缩短换电时间,减少人力成本16,17;中 山大学工学
27、院巫少方、高群和宗志坚对电动汽车底盘的振动控制进行研究,使 用线性二次最优调节器(Linear Quadratic Regulator,LQR)控制方法有效地改善 电动汽车的振动性能18。南昌大学的黄菊花、闫雪对某款电动商务用车建立了 多体动力学模型,对电动汽车操纵稳定性能进行仿真分析,提出对应的优化方 案19。沈阳航空航天大学的赵立杰、李岩和陈欢设计出具有折叠功能的电动汽 车底盘,建立相关模型并进行运动仿真、模态和静力分析,验证折叠底盘的可 行性与可靠性2()。1.3电动汽车底盘技术特点与布置方案研究 1.3. 1电动汽车底盘布局设计特点从第一辆汽车问世到今天,汽车底盘技术发展己有百年的历史
28、。在底盘系 统中,制动系统、悬挂系统、转向系统、传动系统等子系统技术相对成熟。但 是对于电动汽车来说,随着动力系统等产生变化,传统的底盘系统要在原构架 上做出调整:比如动力系统减速器接口需根据新的输入信息进行修改或者重新 设计;动力转向系统需要新的转向动力源,管路与零部件也需要更改。总体来 说,电动汽车底盘布置具备以下特点:(1) 电动汽车底盘布局设计可沿用传统汽车底盘构架,底盘系统的基本工 作原理不变;(2) 电动汽车底盘是机电一体化的综合工程,其中包含动力电池系统、驱 动电机系统、电动化辅助系统、电子控制系统等。底盘设计研发需要机械与电 气等专业协同。在布局设计过程中,必须对动力电池、驱动
29、电机、控制系统等 进行合理匹配,并且需要处理传动系统、转向系统、制动系统等问题;(3) 电动汽车底盘布置可采用整体化设计,使整车零部件减少,满足车载 能源的多样性。采用整体化设计也能节省整车内部空间,为外部造型、整车碰 撞安全性等带来更多创新设计;(4) 因为续航行驶要求、动力性能要求,以及电动汽车动力电池质量在底 盘布置中占据较大比重,电动汽车在布局设计是也要注重底盘轻量化技术。目 前电动汽车底盘轻量化技术主要包括底盘轻量化材料应用(比如碳纤维、铝合 金等轻质金属)、动力电池轻量化技术、采用轻量化轮毂减轻技术改善加速和操 控性能等3。1.3.2电动汽车底盘布置方案电动汽车发展到现在,拥有的种
30、类较多,其底盘布置类型与方案较多。按 照底盘驱动系统组成和布置形式进行分类,主要有以下几种:(1) 机械传动型底盘布置机械传动型底盘布置方案如图1.6 (a)所示,其中包括离合器、变速器、 传动轴和驱动桥等。在机械传动型底盘布置方式中,离合器用来接通或者切断 电动机到车轮之间传递的动力;变速器是一套具有不同速比的齿轮机构,驾驶 员按需要选择不同的挡位,可以在低速时使车轮获得较大的转矩,高速时获得 较小的转矩。该底盘布置方式可以保证电动汽车的起动转矩及低速时的后备功 率,对驱动电机的要求不高,因此该布置方式可选择功率较小的电动机;但是 相对说来,能量传递效率低,未充分发挥电动机驱动的性能优势。(
31、2) 无变速器型电动汽车底盘布置无变速器型底盘布置示意图如图l-6(b)所示,该布置方式取消了变速器与 离合器,使用一定速比的减速器,车辆的变速功能通过控制电动机来实现。该 布置设计中,机械传动装置质量轻、体积小,但是要求驱动电机的后备功率较 大、电机起动转矩较髙,保证电动汽车在爬坡、加速等工况下具备充足的动力。无变速器型底盘布置方式另一种结构是将驱动电机、一定速比的减速器固 定速比减速器和差速器与集成为一个整体,采用横向布置,通过两根半轴连接 驱动车轮。该种布置更加节省布置空间,主要应用在小型电动汽车上。(3) 无差速器型底盘布置无差速器型底盘布置的纯电动汽车结构如图l-6(c)所示。该布置
32、方式采用 了两台驱动电机,因为单个电动机具备独立调节转速的能力,因此在车辆转向 的情况下,电动机通过电子控制系统可以实现两个车轮差速,从而完成转向。 不过该电动机控制系统较为复杂。(4) 轮毂电机型底盘布置轮毂电机型底盘布置如图l-6(d)所示,此时电动机直接装在驱动轮中,可 以缩短电动机到驱动轮的动力传递路径,减小能量在传递过程中的损失。但是 要使电动汽车正常工作,还需添加一个减速比较大的行星齿轮减速器,将电动 机的转速降低到理想的车轮转速。轮毂电机型底盘布置另一种结构是将低速外转子电动机的外转子安装在车 轮的轮缘上,去掉了减速齿轮,因此汽车驱动轮和电动机之间没有机械传动装 置,不存在能量损
33、耗,提高能量传递效率和空间利用率。电动轮型底盘布置方 式对电动机的性能要求较高,需要电动机具备较高的起动转矩和足够的后备功 率,确保车辆的可靠工作。1.4研究工作与主要内容(1) 根据市面某款电动汽车乘用车型参数、性能指标与底盘布局设计方案 等,建立电动汽车底盘布置模型。模型中重点考虑动力电池的布置位置,对建 立起的底盘布置模型需进行转动惯量验证。将建好的底盘模型质量、转动惯量 以及相关硬点等参数作为在建立不同底盘布置虚拟样机的参考依据。建模过程 中对模型做适当简化,对不影响分析结果的部件进行替代或省略处理;(2) 在电动汽车底盘布局设计中,动力电池组的质量相对于整车总质量占 有较大比例,需要
34、注意动力电池模型的建立,其质量、质心和转动惯量等的测 量与确定。不同电池布局方案电动汽车整车质量分布也不相同,因此有必要比 较不同电池布置方案对整车操纵稳定性、平顺性情况;(3) 对电动汽车不同底盘布置方案进行操纵稳定性仿真试验与评价。操纵 稳定性试验的内容包括转向盘角阶跃试验、转向盘角脉冲试验、转向回正性能 试验、蛇形驾驶试验和转向轻便性试验等。对不同布置方案的电动汽车操纵稳 定性进行对比评价,总结出相对最佳的布置方案。(4) 对不同底盘布置方案进行平顺性仿真。平顺性试验的内容包括:随机 输入行驶试验、脉冲输入试验。对不同布置方案的电动汽车平顺性进行对比分 析,总结成出平顺性最佳的布置方案。
35、(5) 电动汽车底盘布置设计中需要考虑如动力电池等体积大、质量重的部 件与底盘的连接方式,原有的布置方案在振动特性、平顺性等方面存在改进、 提升的空间/建立优化模型并且与布置方案进行对比,验证改进方法的有效性, 为电动汽车底盘布局提供参考。第二章电动汽车底盘布局方案与模型建立本章参考某款电动乘用汽车整车参数与性能情况,合理匹配出电动汽车的 驱动电机、动力电池等系统,在Adams/car软件中建立包括前后悬架、转向系 统、前后轮胎、驱动电机、转向系统、驾驶员座椅和动力电池等子系统的底盘 布置模型,对所建模型进行调试验证。2.1建立不同底盘布置方案三维模型在进行电动汽车底盘布局设计之前,需要围绕整
36、车参数、性能要求等进行 驱动电机、动力电池等设计与匹配21,22。下面参考某款电动乘用汽车整车参数 与性能指标建立底盘布置方案虚拟样机。原车型采用的是电机前置前轮驱动的 底盘布置方式,整车具体参数与电动汽车性能指标分别如表2.1、表2.2所示。表2.1某款电动汽车原车型主要参数参数数值参数数值汽车尺寸(长宽高mm)4970*1964*1445前轴载荷比0.47整备质量!。(leg)2170滚动阻力系数f0.018满载质量m (kg)2400空气阻力系数Cd0.24轴距L (mm)2659迎风面积A (m2)2.3前轮轴距L (mm)1692电池组质量(kg)650质心高度h (m)0.457车
37、轮滚动半径r (m)0.282旋转质量换算系数S1.05传动系的机械效率11,92%表2.2某款电动汽车性能指标性能指标数值性能指标数值最高车速Vmax (km/h)1800-100km/h 加速时间 ti10s20km最大爬坡度20%续驶里程S (km)250在建立电动汽车不同底盘布置模型时,基本思路沿用传统的燃油汽车底盘 设计,将发动机替换为动力电池与驱动电机;充分考虑到底盘模块化设计,动 力电池组均采用电池包整体封装,便于安装、调试和今后的维护与监测。为实 现上述性能指标,电动汽车选用的直流无刷驱动电机,其特点是效率高、体积 小、质量轻、结构简单和免维护;驱动电机额定功率为50kW,峰值
38、功率为130kW;额定转矩为135Nnn,峰值转矩为300N*m。为满足续航行程要求,动 力电池釆用磷酸铁锂电池组,额定容量45kWh,额定电压为96V。相较于传统内燃机汽车,电动汽车以驱动电机及车用动力电池组为动力源 取代发动机。目前市面上的电池能量密度和功率密度较低,需较多的单元电池 才能满足电动汽车的续航行驶要求,因此电池组整体质量与体积比驱动电机超 出许多,是电动汽车底盘布置设计中最需要重视的因素。电动汽车的动力电池 布置方案较为灵活,汽车的前舱、中央通道、车底油箱位置、地板下部和后备 箱等是可以利用的电池组布置空间p3。常见的布置方案有将动力电池及其安装 结构布置在车身地板下方或者地
39、板中央通道内,日产的Leaf与特斯拉Model S; 有将电池布置于车身后方或者后备箱下方,比如比亚迪“秦”纯电动汽车;也 有在电动汽车前部或与前舱中布置动力电池组,比如市面上的电动汽芋公交巴 士。建模过程中,为了更好地进行对比分析,底盘布置方案中的电动汽电池组 均使用磷酸铁锂电池,电池组整体容量、功率相同,使用的驱动电机一致,底 盘整体质量一致,对线束等布置采用省略简化处理;各部件和电机控制器、控 制系统、电池控制系统(Battery manage system,BMS)等均正常工作,满足车 辆的正常行驶。接下来根据各底盘零部件相关参数,在CATIA中建立不同底盘 布置方案的三维模型。图2.
40、1第一种底盘布置方案模型示意图如图2.1所示,将原有底盘布置设计方案作为研究内容中的第一种布置方 案。该布置方案将动力电池布置在车身底板下方,动力电池系统与车身的门槛 等轴距螺丝连接,这样的底盘布置方式使电池与车身固结在一起,可将整车质 心高度降低,改善汽车操纵稳定性与平顺性;原车型动力电池系统采用的高强 度外壳能够提高整车底盘刚度与强度,增加车身内部空间,使轴荷分配合理。整车如果发生正面碰撞,电池由于距离车辆碰撞的变形吸能区域较远,电池系 统产生的破坏相对较小;但是该布置方案若发生侧面碰撞,此时布置在中央的 电池系统受损程度增加,一旦出现漏液或者动力电池系统因碰撞进入乘客舱内, 会产生严重的
41、安全事故。不过在所有碰撞事故中,侧碰事故发生比例相对较低, 再加上电池组经过加固处理,安全性能可以得到充分保证。该种布置方案中, 线束的布置安装相对容易,电池组整体散热情况良好。方案一动力电池组尺寸 为 2400 mmx 1500 mmx 100mm。图2.2第二种底盘布置方案模型示意图图2.2为第二种底盘布置方案模型示意图。这是一种常见的电池组T型布 置。该种底盘布置方案将动力电池布置在车身后方或者后备箱下方,后轴将承 受更多载荷,重心位置后移,对汽车前后轴的载荷分配造成影响。如果是前轮 驱动布置的汽车,整车重心适当前移,可以让前轮获得更多的驱动力;如果是 后轮驱动,整车重心位置适当后移,则
42、后轮可获得更多驱动力。该布置方案的 质心位置相对说来高于第一种布置方案,在正面碰撞过程中,由于惯性力作用 原因,整车质心越高,其俯仰运动越大,碰撞时产生的部分初始动能会转化成 势能,减小前端碰撞吸能区所承受的碰撞能量。当发生后碰时,电池组出现安 全事故的概率会大大增加。除此之外,该布置方案条件下,考虑到控制系统与 动力电池之间的连线等问题,整车线束布置较为繁琐;将电池布置于车身后方 或者储物箱下不利于电池系统自身散热,同时会减少整车可利用空间,对电池 组设计要求也较高。方案二的动力电池组尺寸为1500 mmx400mm200mm。图2.3第三种底盘布置方案模型示意图对于底盘布置方案三,将动力电
43、池组布置在前舱、驾驶员或乘客的座椅下 方对整车轴荷分布有利,可以整车提高操纵稳定性与平顺性,改善电池系统散 热条件。对于后轮驱动的汽车来说,可以减少驱动轮轮胎的磨损程度,提高汽 车的动力性能。此时动力电池布置距离车辆左右两侧有相对充足的空间缓冲车 辆的侧面碰撞,并且正面碰撞时有前舱缓冲保护,后碰也有充足的缓冲吸能空 间。整车的线束布置也较为方便,通风散热性能比前两种布置方案更好。但是 前舱内原本还需布置动力、空调与高压控制等系统,对电池组布置空间产生影 响;而且在各种碰撞事故中,正面碰撞发生概率最高,底盘布置方案三的底盘 布置方案存在一定安全隐患。方案三动力电池组尺寸为1500 mmx4 mm
44、x200mm接下来需要对所建模型的转动惯量进行校核验算。转动惯量SAE计算公式 如(2-1)所示,单位为kg-mm224:Mxx = (Hg + RH) x TW x m/Kx) x 105 I Iyy = (Hg+Rh)xLxm/Ky)xl06(2-1)Izz = (Tw x WB x m/Kz) x 10s公式中TW表示轮距(m),WB表示轴距(m),m表示汽车总质量(kg),RH 表示车顶离地高度(m),Hg表示汽车质心高度(m),L表示汽车总长(m)。 式中不同车型Kx、Ky、Kz对应的参数见表2.3所示:表2.3不同车型Kx、Ky、Kz对应参数轿车通用汽车轻型客货两用车厢式货车Kx7
45、.98469.42129.47387.8854Ky5.29014.21933.4513.3783Kz2.19422,20482.18582.2168表2.4不同底盘布置方案的质量、转动惯量、质心坐标对电池组质量转动惯量质心坐标Ixx: 3.4E+009kgxmm2方案一650kgIyy : 1.3E+01 Okgxmm2 Izz: 1.1E+0 lOkgxmm2 Ixx: 4.15E+009kgxmm21450, 0,棚方案二650kgIyy: 1.1 E+01 Okgx mm2 Izz: 4.9E+009 kgrnm2 Ixx: 5.15E+009kgxmm21650, 0, 385方案三6
46、50kgIyy: 9.8E+009kgxmm2 Izz: 4.38E+009kgxmm21350, 0, 385根据表2.3相关参数以及建立好的三维模型,求得如表2.4所示的各底盘布 置模型转动惯量、质量和质心坐标等数据。原电动汽车车型为乘用车型,因此 Kx取值7.9846, Ky取值5.2901,Kz取值2.1942。对于不同的底盘布置方案, 均有转动惯量Ixx + Iyy之和大于Izz,因此所建的模型符合要求。将计算得到 的转动惯量、质心坐标等参数作为建立整车动力学模型的参考。2.2建立不同底盘布置方案动力学模型2. 2.1建模原则为了提高建模效率,利用可供修改的模型模板,选择使用Adam
47、s软件平台 中的Car模块建立底盘多刚体动力学模型。想真实地表达汽车动态特性,建立较 为精确的数学模型,需要考虑尽可能多的零部件运动。但是精确到每个零部件 往往会增加建模的难度,求解复杂模型方程也十分困难,因此建模过程中需要 适当地对各子系统进行简化,将能够代表总成工作特性或者系统特征本质的因 素提取出来,建立可行的整车动力学模型,比如在研究电动汽车不同底盘布置 动力学特性时,将整车简化为前悬架、后悬架、制动、转向、驱动电机、前后轮胎、动力电池和座椅、车身等8个子系统。模型建立有以下几个原则:(1) 整车零件中,橡胶、轮胎、弹性元件和阻尼元件等要考变形因素,簧 载质量(比如车身、动力电池等)看作为一个具有6自由度的刚体25,底盘与 车身或车架连接部分采用衬套连接。(2) 对需要测量的目标值影响不大的零部件应进行简化处理或者省略。根 据汽车子系统中各零部件之间的相对运动关系,将零部件进行重新组合,将不 存在相对运动关系的零部件作为一个整体,确定重新组合后的连接位置与关系 26。如果零部件的形状对进行的试验结果没有影响,只需考虑部件的质量特征 参数,计算或测量重新组合的零件质量、质心位置及转动惯量等27,在连接点 的基础上建立零件的几何模型,按照零部件间的运动关系确定约束类型,通过 约束
限制150内