Elektrikli Araç Dinamiğinin Rastgele Yol Uyarısı Altında Tam Araç Modeli Kullanılarak Batarya Eksantrikliği için Spektral Analizi

Öz

Elektrikli araç (EV) dinamiği, batarya kütlesi, ağırlık merkezinin konumundan önemli ölçüde etkilenmektedir. Dolayısıyla, 7-DoF modellemesi, rastgele yol uyarımı ve eksantrik batarya yerleşimi etkilerinin birlikte incelenmesi, araç dinamiğinin daha net belirlenebilmesi için gerekliliktir. Bu çalışmada, farklı araç hızları ve rastgele yol uyarımı altında birleşik yükselme-eğilme-yuvarlanma titreşim tepkilerini incelemek için 7-DoF tam araç modeli, batarya eksantrikliği de dikkate alınarak türetilmiştir. Çözüm için spectral metot kullanılmıştır. EV tepki spektrumları, yol pürüzlülüğünün güç spectral yoğunluğu (PSD) ve EV frekans-cevabı-fonksiyonundan (FRF) elde edilmiştir. Farklı batarya eksantriklikleri ve araç hızları [1-160km/s] için araç titreşiminin RMS’i hesaplanarak, titreşim davranışı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Sonuçlar, titreşim normalize RMS'sinin araç hızı ve batarya eksantrikliği ile toplamda ~%30’a kadar değişimini göstermektedir. En yüksek RMS genlikleri doğal frekansın uyarıldığı araç hızlarında iken, en düşük titreşim RMS’i, batarya eksantrikliğinin az olduğu, x-ekseni üzerindeki, konularda elde edilmiştir. Geliştirilen EV modeli ve çözüm metodu düzensiz titreşimlerin ve araç dinamiğinin incelenmesinde başarılı bir araç olarak sunulmuştur.

Anahtar Kelimeler

• Taşıt Dinamiği
• Elektrikli Araç
• Düzensiz Titreşimler
• Spectral Analiz
• Batarya Ekzantirikliği

Spectral Analysis of Electric Vehicle Dynamics for Battery Eccentricity Using a Full-Car Model under Random Road Excitation

Öz

Electrical-vehicle (EV) dynamics are significantly influenced by battery mass and the location. Therefore, the combined investigation of a 7-DoF model, random road excitation, and eccentric battery effects is necessary for more accurate characterization of vehicle dynamics. In this study, a 7-DoF EV full-vehicle model considering battery eccentricity is derived to examine the coupled heave–roll–pitch vibrations under random road excitation. A spectral method is employed for the solution. EV response spectra are obtained using the power-spectral-density (PSD) of road roughness and the EV frequency-response-functions (FRFs). RMS values of response are investigated for different battery eccentricities and vehicle speeds [1-160km/h]. The results show that the normalized RMS varies up to ~30% total with EV speed and battery eccentricity. The highest RMS occur at vehicle speeds where the natural frequency is excited, while the lowest vibration RMS is obtained at low battery eccentricity on the x-axis. The developed EV model and solution method have been presented as a successful tool for investigating random vibrations and vehicle dynamics.

Anahtar Kelimeler

• Vehicle Dynamics
• Electrical Vehicle
• Random Vibrations
• Spectral Analysis
• Battery Eccentricity

Kaynakça

1. 1. Karaçay, T., Eroğlu, M. ve Aktürk, N. (2003). Gerçek yol girdisine maruz iki serbestlik dereceli çeyrek taşıt modelinin sürüş karakteristiğinin incelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 18(4), 1-13.
2. 2. Karaçay, T. & Aktürk, N. (2002). Bir römorkunun tasarımında gelişigüzel titreşimlerin etkisi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 17(1), 11-30.
3. 3. Eroğlu, M. (2022). Investigation of lateral and vertical direction dynamic responses of a full car model exposed to sine road input. Sakarya University Journal of Science, 26(4), 829-841.
4. 4. Wang, P. (2020). Effect of electric battery mass distribution on electric vehicle movement safety. Vibroengineering PROCEDIA, 33, 78-83.
5. 5. Özdemir, M. & Erdoğan, E.O. (2024). Determination of optimal battery locations for ride comfort in electric automobiles using a nonlinear half-vehicle suspension model. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 39(1), 339-350.
6. 6. Eroğlu, M., Koç, M.A., Kozan, R. & Esen, İ. (2022). Comparative analysis of full car model with driver using PID and LQR controllers. International Journal of Automotive Science and Technology, 6(2), 178-188.
7. 7. Bendat, J.S., & Piersol, A.G. (2010). Random data: Analysis and measurement procedures (4th Ed). John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, 2010.
8. 8. Newland, D.E. (2012). An introduction to random vibrations, spectral & wavelet analysis (3rd Ed). Dover Publications, Mineola, NY, 2012.

9. 9. Hua, X. & Thomas, A. (2021). Effect of dynamic loads and vibrations on lithium-ion batteries. Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control, 40(4), 1927-1934.
10. 10. Brand, M.J., Schuster, S.F., Bach, T., Lorrmann, E., Jossen, A. & Quinger, D. (2015). Effects of vibrations and shocks on lithium-ion cells. Journal of Power Sources, 288, 62-69.
11. 11. Somerville, L., Hooper, J.M., Marco, J., McGordon, A., Lyness, C., Walker, M. & Jennings, P. (2017). Impact of vibration on the surface film of lithium-ion cells. Energies, 10(6), 741.
12. 12. Hooper, J.M., Marco, J., Chouchelamane, G.H., & Lyness, E.D. (2016). Vibration durability testing of nickel manganese cobalt oxide (NMC) lithium-ion 18650 battery cells. Energies, 9(1), 52.
13. 13. Hooper, J.M., Marco, J., Chouchelamane, G.H., Lyness, E.D. & Taylor, J. (2018). Multi-axis vibration durability testing of lithium ion 18650 NCA cylindrical cells. Journal of Energy Storage, 15, 103-123.
14. 14. Zhang, L., Ning, Z., Peng, H., Mu, Z. & Sun, C. (2017). Effects of vibration on the electrical performance of lithium-ion cells based on mathematical statistics. Applied Sciences, 7(8), 802.
15. 15. Zhang, L., Mu, Z. & Gao, X. (2018). Coupling analysis and performance study of commercial 18650 lithium- ion batteries under conditions of temperature and vibration. Energies, 11(11), 2856.
16. 16. Sarı, B., Kazemi Lichaei, M. & Yıldırım, S. (2022). Free vibration analysis of tapered composite aircraft wing via the finite element method. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 37(3), 741-752.
17. 17. Metin, M.A., Şentürk, K. ve Noorı, A.R. (2025). Hexacopter yapısındaki bir dron için gövde ana parçasının üç boyutlu sonlu elemanlar yöntemi ile serbest titreşim analizi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 40(2), 415-428.
18. 18. Abdulvahitoğlu, A., Abdulvahitoğlu, A. ve Kılıç, M. (2022). Elektrikli araç bataryalarının bütünleşik Swara- Topsis metodu ile değerlendirilmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 37(4), 1061-1076.
19. 19. Lu, J.C. (2018). Parametric reduced-order models for the structural dynamics of hybrid electric vehicle batteries. PhD thesis. University of Michigan, Ann Arbor, MI.
20. 20. Hooper, J.M. & Marco, J. (2013). Understanding vibration frequencies experienced by electric vehicle batteries. Proceedings of the IET Hybrid and Electric Vehicles Conference, 1-6.
21. 21. Hooper, J.M. & Marco, J. (2014). Characterising the in-vehicle vibration inputs to the high voltage battery of an electric vehicle. Journal of Power Sources, 245, 510-519.
22. 22. Lang, J.F. & Kjell, G. (2015). Comparing vibration measurements in an electric vehicle with standard vibration requirements for Li-ion batteries using power spectral density analysis. International Journal of Electric and Hybrid Vehicles, 7(3), 272-286.
23. 23. Wong, J.Y. (2022). Theory of ground vehicles. John Wiley & Sons.
24. 24. Jazar, R.N. (2025). Vehicle dynamics: theory and application. Springer Nature.
25. 25. Rao, S.S. & Yap, F.F. (1995). Mechanical vibrations. Addison-Wesley New York.
26. 26. Inman, D.J. & Singh, R.C. (1994). Engineering vibration. Prentice Hall Englewood Cliffs, NJ.
27. 27. Ogata, K. (2020). Modern control engineering. Prentice Hall, NJ.
28. 28. University of Michigan Transportation Research Institute (UMTRI) (2023). Road profile measurement database. Available: www.umtri.umich.edu, Ann Arbor, MI.
29. 29. Bakar, S.A.A., Masuda, R., Hashimoto, H., Inaba, T., Jamaluddin, H., Rahman, R.A. & Samin, P.M. (2012). Ride comfort performance of electric vehicle conversion with active suspension system. Proceedings of SICE Annual Conference (SICE), 1980-1985.
30. 30. Dumitriu, D., Chiroiu, V. & Munteanu, L. (2015). Simplified 7 DOF model of car vertical vibrations for small pitch and roll angles. Applied Mechanics and Materials, 801, 136-141.
31. 31. Sulaiman, S., Samin, P.M., Jamaluddin, H., Rahman, R.A. & Burhaumudin, M.S. (2012). Modeling and validation of 7-DOF ride model for heavy vehicle. Proceedings of the ICAMME.