汽車振動能量回收發電懸架研究概述

賈全忠

（1. 山東科技大學，山東 泰安 271019；2. 濰坊科技學院，山東 濰坊 262700）

受石油危機的影響，汽車節能工作受到了世界各國的普遍高度重視，許多國家都把節能作為一項國策，紛紛采取手段，出臺政策。吉林大學于長淼采用CARSIM仿真軟件對汽車減振器能量耗散情況做過仿真試驗，從仿真試驗結果可看出，減振器消耗能量占發動機輸出能量的比重較大，且路面越不平整、汽車車速越高，減振器消耗能量占發動機輸出能量的比重就越大，且路面不平度系數對減振器能耗百分比的影響更直接。可見汽車振動能量較大，具有一定回收的價值。可見減振器能耗是汽車能耗的重要組成部分，只是這部分振動能量一直未被利用。隨著能源問題的日益突出，節能是當前汽車設計中的首要問題之一。回收汽車振動能量，越來越具有實際意義。因此，既節能，性能又好的懸架系統，必將成為一個具有實際意義的研究方向。

1 國內外研究現狀

自20世紀70年代末，學者們開始從理論上分析研究車輛懸架的振動能量和回收的可行性。加利福尼亞大學戴維斯分校的Karnopp在車輛懸架系統能耗和主動懸架的研究中，理論分析了車輛被動懸架阻尼器的能量損失機理，揭示了懸架系統的能量耗散過程，指出振動能量回收懸架系統可減低整車驅動功率，對電動車輛尤為有利。Velinsky基于四自由度后軸懸架模型，通過測量懸架阻尼器和輪胎之間的相對速度，分析了懸架系統的能量耗散。Segel分析了懸架系統能量耗散對抑制不平路面振動的影響，計算得到某乘用車在顛簸路面上以13.4 m/s的速度行駛時，4個被動阻尼器的能量耗散功率約為200 W。Hsu以GM Impact為例，估算了某車輛在高速道路上以16 m/s的車速行駛時，平均每個車輪可回收能量功率為100 W，相當于車輛驅動功率的5%。喻凡理論計算了汽車主動懸架的耗能情況和回收路面振動能量潛能。Browne對某轎車阻尼器的能量耗散進行了定量測量，結果表明在典型城市道路上，4個阻尼器的能量耗散功率為40～60 W。

自20世紀80年代末，國內外開始對汽車振動能量回收懸架進行進一步研究開發和應用，研究從機械式振動能量回收懸架逐步轉移到電磁式振動能量回收懸架。汽車振動能量回收懸架得到了許多學者和企業的關注，已進入物理樣機試驗應用階段。在機械式振動能量回收懸架方面，再生泵裝置，機械式可變線性傳動裝置以及再生作動器是較典型的例子，雖然在能量回收性能上，有些只適合某種特殊工況，但是在設計理念上突出了使用回收的能量來抑制振動或維持車身姿態的功能或為其他用電器供電。由于電機能量轉換方面的優勢，永磁電機被應用在汽車振動能量回收懸架上，振動能量回收發電懸架開始迅速發展起來。振動能量回收懸架在實現途徑上主要有液壓式振動能量回收和電磁式振動能量回收兩種。液壓式振動能量回收的原理是通過適當的機械傳動結構將車輪和車身的振動能量傳遞給液壓或氣壓儲能裝置，以液壓能或氣壓的形式進行存儲，在適當的時候釋放儲能，減小能耗。電磁式振動能量回收的原理是用機械能與電能的轉換裝置替代傳統的減振器，當車輪和車身相對運動時，電機的線圈切割磁力線，向外輸出電流，將機械振動能量轉化為電能，存儲到儲能裝置中。

液壓式振動能量回收懸架的優點是：它可在現有液壓或空氣懸架上，增加液或氣形式的振動能量回收裝置，通過調整控制策略，減小能耗。但其缺點是響應頻率較低，響應速度較慢，回收的能量應用范圍受到限制。電磁式振動能量回收懸架根據能量轉化裝置結構的不同又分為直線電機式振動能量回收懸架和旋轉電機式能量回收懸架。直線電機式傳動效率不高，質量較大、磁場強度不足，而旋轉電機式則較好地彌補了前者的缺點。旋轉電機式的振動能量回收效率明顯超過直線電機式。

2 發展趨勢

自20世紀70年代起，國內外許多學者就開始了對汽車振動能量回收懸架的研究，但到目前為止，該技術沒有商業應用。振動能量回收懸架按能量回收裝置分，主要有液壓式振動能量回收裝置和電磁式振動能量回收裝置兩種；按其工作方式分為被動懸架、半主動懸架和主動懸架。液壓式振動能量回收懸架的響應頻率較低，響應速度較慢，能量回收能力有限，而電磁式振動能量回收懸架能量轉換方便，且利于存儲和再利用，因此正在成為振動能量回收懸架領域的研究熱點。國內外學者和企業已圍繞有效回收振動能量和保證足夠的減振性能等核心問題進行了探索和嘗試，獲得了一些有價值的成果，并在樣機試制和試驗驗證上取得了較大進展。隨著電控系統的日趨成熟以及控制策略的日益完善，電磁式振動能量回收懸架，將會成為具有發展前景的研究方向。

3 結論

汽車節能問題已受到各國政府的高度重視。發動機輸出的能量有相當一部分被懸架所消耗，特別是汽車在不平路面上行駛時，懸架所消耗的能量占發動機輸出總能量的 20%～40%，為此回收這部分能量具有很高的價值。

1 喻凡、曹民、鄭雪春.能量回饋式車輛主動懸架的可行性研究［J］.振動與沖擊，2005（4）：27～28