汽车馈能悬架技术研究综述

刘慧军，陈双，薛少科，金旭

（辽宁工业大学，辽宁 锦州 121001）

前言

全球能源日趋紧缺，自然环境也不断恶化，使用新能源和保护环境已迫在眉睫。馈能悬架技术是指悬架具有将车轮行驶过程中产生的振动能量进行一定量回收、存储并加以利用的能力[1]。馈能悬架将汽车振动能量回收、储存并利用，可大幅度提升汽车的能效，馈能悬架不仅能实现主动控制的能力，还可以将能量回收再利用，减轻能源负担，提升汽车的综合性能。

1 馈能悬架的研究现状

最早进行馈能悬架研究的是Karnopp[2]，来自加利福尼亚大学戴维斯分校，他对主动悬架能量耗散情况进行研究分析，发现了减振器能量损失机理。Velinsky[3]也研究了能量耗散情况，他是首先建立四自由度后悬架模型，然后对轮胎的相对速度和悬架减振器进行分析研究。Bose 公司开发了一种电磁感应式馈能悬架，用于回收路面振动能量，但没有实现能量的储存，与一般的主动悬架相比，Bose 公司开发的这种馈能悬架可以节省三分之一的能量消耗。

2 馈能型悬架的分类

机械式馈能悬架系统的馈能方式主要是通过增加机械传动机构将车辆振动能量传递给气压或液压储能装置进行能量存储；电磁式馈能悬架系统的馈能方式主要是用电磁作动器代替传统减振器，将车辆振动能量转化为电能进行储存。

2.1 齿轮齿条式馈能悬架

当车辆行驶在不平路面发生振动时，齿轮齿条机构将悬架上下往复的线性运动转化为电机转子的旋转运动，从来带动电机发电，最后将这部分电能进行储存并再次利用。

齿轮齿条机构是关键部件，将振动机械能传递给电机进行能量回收。但这种馈能悬架很容易失效，因为路面激励冲击过大时，齿轮齿条很容易断裂。

2.2 滚珠丝杠式馈能悬架

滚珠丝杆式馈能悬架的滚珠丝杠与电机安装在同一条直线上，且结构尺寸与传统减振器略有不同，所需的安装空间小，安装方便。滚珠丝杠式馈能悬架的传动装置是无间隙配合，传动效率较高，馈能效率较高。滚珠丝杠和馈能电机是滚珠丝杠式馈能悬架的关键部件，价格昂贵，制造成本高。

2.3 直线电机式馈能悬架

当车辆行驶在不同路面发生振动时，直线电机能将车身的垂直振动能量转化成电能，同时也能将电能转换成线性运动，并为悬架提供阻尼力。与旋转型电机相比，直线电机有两大劣势，一是直线电机功率低、漏磁通大、阻尼力小、功率低；二是直线电机价格昂贵，制造成本高。

2.4 曲柄连杆式馈能悬架

曲柄连杆式馈能悬架在传统悬架的基础上增加了一种曲柄连杆机构，曲柄连杆机构将悬架上下往复的线性运动转化为电机转子的旋转运动，从而带动电机发电，进而将这部分电能储存并再次利用。曲柄连杆式馈能悬架存在两大问题，一是馈能效率低，曲柄连杆式馈能悬架仍然使用传统的减振器，大部分振动能量以热能的形式耗散掉，能量回收的效果不好；二是安装性差，曲柄连杆式机构占用空间大，不易安装。

3 技术难点与发展方向

3.1 馈能悬架存在的技术难点

馈能悬架是一种涉及机械、电气、控制等多学科的新型减振系统，通过对馈能悬架文献的研究发现，馈能悬架至今难以产品化，存在的技术难题主要是以下四个方面。

3.1.1 电机的零供电现象

当馈能悬架中电动机驱动发电机的转速小于发电机的最小转速时，发电机会出现短暂零供电现象。若是直线电机式馈能悬架，当悬架的运动速度过低时，电机的反电动势低于电池电压，此时不会产生电流，减振器输出的阻尼为零。

3.1.2 能量回收与主动控制之间的矛盾[4]

馈能悬架既具有能量回收的特点，又具有主动悬架的功能。馈能技术是指将车辆上下往复运动的机械能转化成电能储存并再次利用，而主动悬架的主动控制功能是抑制车辆的上下振动，让车辆具有更好的平顺性。因此能量回收与主动控制存在不可避免的矛盾。

3.1.3 电压的存储问题

车辆在行驶过程中，大多数的路面是较平坦的，因此大多数情况下，悬架的振动幅度不大，馈能悬架产生的电压也比较小。馈能悬架能量回收的过程中，只有超过馈能装置的电压阈值才能进行充电馈能。在大多数路面上馈能悬架的振动幅度不大，电压很小，能量回收和存储效果不好。如果能有效的降低储能装置的电压阈值或者是提高馈能电压，那就能更好的实现能量回收和存储。

3.1.4 馈能悬架的整体控制技术不成熟

馈能悬架技术目前大多数停留在理论研究阶段，多数学者已经研究分析过工作原理、结构设计、可行性分析、馈能效率等方面，但完成试验测试工作的很少。一方面是因为馈能装置较为复杂、质量大、安装空间大、安装性差、不稳定等，这样就不利于实车的试验测试，馈能悬架的集成化和轻量化是制约馈能悬架产品化的关键因素。另一方面，馈能悬架的整体控制技术仍处于摸索中，还不成熟。虽然很多学者提出了各自的整体控制策略，但存在很多不成熟的方面，收到的实际效果也不好，这一方面也是影响馈能悬架发展的技术难点。

3.2 馈能悬架技术的发展方向

馈能悬架的零部件较多，结构较为复杂，技术方面涉及的学科较多，实现产品化较为困难，但随着传感器、功率器件、电控单元、储能装置等新技术的出现，为馈能悬架实现产品化提供了技术支持和保障。

馈能悬架必须具有可观的能量回收效果，才能进一步发展，进而实现产品化。如今馈能悬架技术发展方向主要有三方面，首先是有效降低储能装置的电压阈值或者提高馈能装置的电压，这样能使馈能悬架能量回收的灵敏度提高，进而使馈能效率提高。其次是整体控制策略有待于提高完善，为试验测试乃至实车试验提供良好的基础。最后是馈能悬架的集成化和轻量化，要想在实际的试验测试和应用状况方面取得进步，集成化和轻量化是关键的一环。

4 结论

在车辆技术趋向于电动化、智能化的环境下，悬架技术也在发生重要的变化，其中馈能技术是悬架系统发展的重要方向之一。馈能悬架技术不仅可以提高车辆的能源利用率，还可以有效解决主动悬架能耗问题，从而提升车辆的综合性能。在馈能悬架技术发展的过程中，电机零供电现象、能量回收与主动控制的矛盾、电压的存储问题、集成化与轻量化等技术难点限制了馈能悬架进一步发展，国内外专家们也在积极寻找解决方法。随着科技的不断发展，新材料、新技术不断涌现，馈能悬架技术也将迎来新的发展空间，在一些攻坚技术难题得以解决的情况下，馈能悬架技术将会以优异的性能成为车辆实用技术中一大必备技术，为车辆朝着智能化方向发展贡献重要的力量。