汽車饋能懸架技術研究綜述

劉慧軍，陳雙，薛少科，金旭

（遼寧工業大學，遼寧 錦州 121001）

前言

全球能源日趨緊缺，自然環境也不斷惡化，使用新能源和保護環境已迫在眉睫。饋能懸架技術是指懸架具有將車輪行駛過程中產生的振動能量進行一定量回收、存儲并加以利用的能力[1]。饋能懸架將汽車振動能量回收、儲存并利用，可大幅度提升汽車的能效，饋能懸架不僅能實現主動控制的能力，還可以將能量回收再利用，減輕能源負擔，提升汽車的綜合性能。

1 饋能懸架的研究現狀

最早進行饋能懸架研究的是Karnopp[2]，來自加利福尼亞大學戴維斯分校，他對主動懸架能量耗散情況進行研究分析，發現了減振器能量損失機理。Velinsky[3]也研究了能量耗散情況，他是首先建立四自由度后懸架模型，然后對輪胎的相對速度和懸架減振器進行分析研究。Bose 公司開發了一種電磁感應式饋能懸架，用于回收路面振動能量，但沒有實現能量的儲存，與一般的主動懸架相比，Bose 公司開發的這種饋能懸架可以節省三分之一的能量消耗。

2 饋能型懸架的分類

機械式饋能懸架系統的饋能方式主要是通過增加機械傳動機構將車輛振動能量傳遞給氣壓或液壓儲能裝置進行能量存儲；電磁式饋能懸架系統的饋能方式主要是用電磁作動器代替傳統減振器，將車輛振動能量轉化為電能進行儲存。

2.1 齒輪齒條式饋能懸架

當車輛行駛在不平路面發生振動時，齒輪齒條機構將懸架上下往復的線性運動轉化為電機轉子的旋轉運動，從來帶動電機發電，最后將這部分電能進行儲存并再次利用。

齒輪齒條機構是關鍵部件，將振動機械能傳遞給電機進行能量回收。但這種饋能懸架很容易失效，因為路面激勵沖擊過大時，齒輪齒條很容易斷裂。

2.2 滾珠絲杠式饋能懸架

滾珠絲桿式饋能懸架的滾珠絲杠與電機安裝在同一條直線上，且結構尺寸與傳統減振器略有不同，所需的安裝空間小，安裝方便。滾珠絲杠式饋能懸架的傳動裝置是無間隙配合，傳動效率較高，饋能效率較高。滾珠絲杠和饋能電機是滾珠絲杠式饋能懸架的關鍵部件，價格昂貴，制造成本高。

2.3 直線電機式饋能懸架

當車輛行駛在不同路面發生振動時，直線電機能將車身的垂直振動能量轉化成電能，同時也能將電能轉換成線性運動，并為懸架提供阻尼力。與旋轉型電機相比，直線電機有兩大劣勢，一是直線電機功率低、漏磁通大、阻尼力小、功率低；二是直線電機價格昂貴，制造成本高。

2.4 曲柄連桿式饋能懸架

曲柄連桿式饋能懸架在傳統懸架的基礎上增加了一種曲柄連桿機構，曲柄連桿機構將懸架上下往復的線性運動轉化為電機轉子的旋轉運動，從而帶動電機發電，進而將這部分電能儲存并再次利用。曲柄連桿式饋能懸架存在兩大問題，一是饋能效率低，曲柄連桿式饋能懸架仍然使用傳統的減振器，大部分振動能量以熱能的形式耗散掉，能量回收的效果不好；二是安裝性差，曲柄連桿式機構占用空間大，不易安裝。

3 技術難點與發展方向

3.1 饋能懸架存在的技術難點

饋能懸架是一種涉及機械、電氣、控制等多學科的新型減振系統，通過對饋能懸架文獻的研究發現，饋能懸架至今難以產品化，存在的技術難題主要是以下四個方面。

3.1.1 電機的零供電現象

當饋能懸架中電動機驅動發電機的轉速小于發電機的最小轉速時，發電機會出現短暫零供電現象。若是直線電機式饋能懸架，當懸架的運動速度過低時，電機的反電動勢低于電池電壓，此時不會產生電流，減振器輸出的阻尼為零。

3.1.2 能量回收與主動控制之間的矛盾[4]

饋能懸架既具有能量回收的特點，又具有主動懸架的功能。饋能技術是指將車輛上下往復運動的機械能轉化成電能儲存并再次利用，而主動懸架的主動控制功能是抑制車輛的上下振動，讓車輛具有更好的平順性。因此能量回收與主動控制存在不可避免的矛盾。

3.1.3 電壓的存儲問題

車輛在行駛過程中，大多數的路面是較平坦的，因此大多數情況下，懸架的振動幅度不大，饋能懸架產生的電壓也比較小。饋能懸架能量回收的過程中，只有超過饋能裝置的電壓閾值才能進行充電饋能。在大多數路面上饋能懸架的振動幅度不大，電壓很小，能量回收和存儲效果不好。如果能有效的降低儲能裝置的電壓閾值或者是提高饋能電壓，那就能更好的實現能量回收和存儲。

3.1.4 饋能懸架的整體控制技術不成熟

饋能懸架技術目前大多數停留在理論研究階段，多數學者已經研究分析過工作原理、結構設計、可行性分析、饋能效率等方面，但完成試驗測試工作的很少。一方面是因為饋能裝置較為復雜、質量大、安裝空間大、安裝性差、不穩定等，這樣就不利于實車的試驗測試，饋能懸架的集成化和輕量化是制約饋能懸架產品化的關鍵因素。另一方面，饋能懸架的整體控制技術仍處于摸索中，還不成熟。雖然很多學者提出了各自的整體控制策略，但存在很多不成熟的方面，收到的實際效果也不好，這一方面也是影響饋能懸架發展的技術難點。

3.2 饋能懸架技術的發展方向

饋能懸架的零部件較多，結構較為復雜，技術方面涉及的學科較多，實現產品化較為困難，但隨著傳感器、功率器件、電控單元、儲能裝置等新技術的出現，為饋能懸架實現產品化提供了技術支持和保障。

饋能懸架必須具有可觀的能量回收效果，才能進一步發展，進而實現產品化。如今饋能懸架技術發展方向主要有三方面，首先是有效降低儲能裝置的電壓閾值或者提高饋能裝置的電壓，這樣能使饋能懸架能量回收的靈敏度提高，進而使饋能效率提高。其次是整體控制策略有待于提高完善，為試驗測試乃至實車試驗提供良好的基礎。最后是饋能懸架的集成化和輕量化，要想在實際的試驗測試和應用狀況方面取得進步，集成化和輕量化是關鍵的一環。

4 結論

在車輛技術趨向于電動化、智能化的環境下，懸架技術也在發生重要的變化，其中饋能技術是懸架系統發展的重要方向之一。饋能懸架技術不僅可以提高車輛的能源利用率，還可以有效解決主動懸架能耗問題，從而提升車輛的綜合性能。在饋能懸架技術發展的過程中，電機零供電現象、能量回收與主動控制的矛盾、電壓的存儲問題、集成化與輕量化等技術難點限制了饋能懸架進一步發展，國內外專家們也在積極尋找解決方法。隨著科技的不斷發展，新材料、新技術不斷涌現，饋能懸架技術也將迎來新的發展空間，在一些攻堅技術難題得以解決的情況下，饋能懸架技術將會以優異的性能成為車輛實用技術中一大必備技術，為車輛朝著智能化方向發展貢獻重要的力量。