基于電動汽車能耗優(yōu)化的汽車懸架設(shè)計方法

俞品華　徐文婷　王鎮(zhèn)宗

摘要：電動汽車的能耗問題一直是限制其普及的主要瓶頸之一。懸架系統(tǒng)是電動汽車能量轉(zhuǎn)換和傳遞的關(guān)鍵部分，其動力學(xué)特性對車輛的能耗具有重要影響。因此，基于電動汽車懸架動力學(xué)，研究了懸架動力學(xué)與車輛能耗之間的關(guān)系，并提出了一種基于懸架優(yōu)化設(shè)計的電動汽車能耗降低方案。通過懸架系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，包括減小振動質(zhì)量、增加阻尼系統(tǒng)等手段，能夠有效地降低車輛的能耗，并提高車輛的行駛舒適性和穩(wěn)定性。通過模擬驗證，展示了優(yōu)化后電動汽車懸架系統(tǒng)能耗的明顯降低和優(yōu)秀的性能。研究結(jié)論對于提高電動汽車的能耗水平、提高其競爭力具有一定的理論和實踐意義。

關(guān)鍵詞：電動汽車；懸架設(shè)計；能耗優(yōu)化；汽車動力學(xué)

中圖分類號：U462? 收稿日期：2023-05-11

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.010

1 前言

隨著環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，電動汽車作為一種環(huán)保型交通工具逐漸在全球范圍內(nèi)得到廣泛推廣和運(yùn)用。電動汽車無論是在減少環(huán)境污染方面，還是在解決石油資源短缺的問題上都有著不可替代的作用。全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的深入進(jìn)行，電動汽車已成為實現(xiàn)可持續(xù)能源利用和環(huán)境保護(hù)理念的焦點(diǎn)。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動汽車相比，電動汽車具有零排放、低噪音、高效環(huán)保等優(yōu)勢。

但是，電動汽車的一大瓶頸問題是能量密度和能源續(xù)航里程問題，即電池電量的不足會導(dǎo)致續(xù)航里程短、充電時間長等問題[1-2]。與傳統(tǒng)汽車相比，電動汽車的能耗問題一直是限制其發(fā)展的重要因素之一，而汽車懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計是解決電動汽車能耗問題的一種重要途徑。懸架系統(tǒng)是汽車的重要組成部分之一[3-4]，對汽車行駛穩(wěn)定性和舒適性都有著非常重要的影響，同時也能對汽車的能效進(jìn)行優(yōu)化提升，從而實現(xiàn)電動汽車能耗的降低。

目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對于電動汽車能量密度和續(xù)航里程問題的研究都取得了一定的進(jìn)展。在電池材料方面，鋰離子電池[5]、鈉離子電池[6]、氫氧化鎂電池[7]等新型電池材料的研究和生產(chǎn)逐步成熟，能量密度和續(xù)航里程得到提升。例如，寧德時代公司已成功研發(fā)出一種具有260 W·h/kg的快充鈦酸鋰電池，大幅提升了電動汽車的性能表現(xiàn)。在充電技術(shù)方面，公共充電站的普及和快速充電技術(shù)的發(fā)展，也大大緩解了電動汽車充電時間長的問題。然而，汽車的能耗問題是電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸之一，會直接影響電動汽車的實際應(yīng)用而限制其推廣。懸架系統(tǒng)作為汽車重要的組成部分，對于電動汽車的能耗有著至關(guān)重要的影響。當(dāng)前，國內(nèi)外對懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的研究主要是在傳統(tǒng)汽車上進(jìn)行的。在這個過程中，研究者主要從動力學(xué)、能量轉(zhuǎn)化、優(yōu)化算法等多個角度分析懸架系統(tǒng)的能量消耗，以期減小整車的能耗，提高電動汽車的續(xù)航里程。

國內(nèi)外已經(jīng)有不少研究者探討了汽車懸架系統(tǒng)對電動汽車能耗的影響。在國外，一些學(xué)者研究了車輛動力學(xué)及能量轉(zhuǎn)化機(jī)制，通過優(yōu)化懸架系統(tǒng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式降低能耗。國外學(xué)者提出使用基于運(yùn)動學(xué)模型的最優(yōu)控制策略來優(yōu)化四連桿懸架系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)四連桿懸架系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較分析。該研究發(fā)現(xiàn)，新型懸架系統(tǒng)可以提高懸架結(jié)構(gòu)的剛度，從而降低汽車的滾轉(zhuǎn)和抖動，減小能耗，提高電動汽車的能源利用率和運(yùn)動性能。此外，一些汽車制造商也開始引入新的懸架材料和設(shè)計理念以降低能耗。

國內(nèi)的研究也呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢。例如，利用智能控制算法提高懸架系統(tǒng)的效率，使用新型材料替換傳統(tǒng)的秤簧等，這些都為懸架優(yōu)化設(shè)計提供了新的思路。國內(nèi)有研究者在參考國外研究成果的基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)建模和計算機(jī)仿真技術(shù)，對多種懸架參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)最大程度的能量節(jié)約和駕駛舒適性[8]。本文將對這類研究展開分析，并基于當(dāng)前研究成果，提出基于車輛動力學(xué)和能量轉(zhuǎn)化機(jī)制分析的懸架系統(tǒng)優(yōu)化方法，旨在為電動汽車節(jié)能減排提供全新的思路和方法。

基于這些前沿研究，本文旨在研究懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計對電動汽車能耗降低的影響，提出一種基于車輛動力學(xué)和能量轉(zhuǎn)化機(jī)制分析的懸架系統(tǒng)優(yōu)化方法。該方法將基于傳統(tǒng)三輪車懸架結(jié)構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)學(xué)建模技術(shù)和先進(jìn)控制算法，設(shè)計新型懸架系統(tǒng)，調(diào)整懸架系統(tǒng)參數(shù)，以提高電動汽車的機(jī)動性和舒適性。

本研究的主要貢獻(xiàn)在于提出一種基于懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的電動汽車能耗降低方案，旨在為電動汽車制造商和研究人員提供可行的方案和潛在的思路，促進(jìn)電動汽車的推廣和發(fā)展，同時也將為未來相關(guān)領(lǐng)域的研究工作提供一定的參考和借鑒。

2 汽車懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計原理

汽車懸架系統(tǒng)是一種復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，承擔(dān)著支撐車輛、吸收道路不平坑洼、平穩(wěn)懸掛等功能。懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計可以通過降低阻力、減小能量損失、改進(jìn)瞬時響應(yīng)能力等方式來實現(xiàn)降低整車能耗的目標(biāo)。本研究將探究瞬間能耗的降低原理、優(yōu)化方法和核心技術(shù)，從而提出一種適用于電動汽車的懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案。

汽車在行駛過程中，先沿著經(jīng)過磨耗和摩擦后的路面，然后進(jìn)入懸架系統(tǒng)中，產(chǎn)生剪切力、擠壓力、彎曲力、拉伸力等各種反作用力，最終轉(zhuǎn)化為整車的運(yùn)動能量。懸架系統(tǒng)能耗的瞬間分析是懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在汽車行駛時，懸架系統(tǒng)的動能和勢能不斷變化，這將影響到汽車系統(tǒng)能耗的實時消耗。以四連桿懸架系統(tǒng)為例，其瞬間能耗主要來自懸架系統(tǒng)中的彈性變形和阻尼效應(yīng)。在懸架系統(tǒng)中，彈性變形又可分為彈簧的彈性變形、懸架體的彈性變形和車輪胎的彈性變形等。這些不同的變形方式會產(chǎn)生實時的阻尼、彈性勢能消耗、能量傳遞效率等不同的能量損耗方式。因此，通過分析汽車不同部件在行駛過程中的能量消耗，可以確定懸架系統(tǒng)的瞬間能耗分布和其瞬間能耗的大小。

懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法主要包括基于力學(xué)原理和優(yōu)化方法?；诹W(xué)原理的優(yōu)化方法主要包括構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，然后通過調(diào)整不同懸架參數(shù)，如馬達(dá)阻尼、彈簧剛度、各連桿長度比例等，以實現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)。最常用的方法是采用類似于遺傳算法、模擬退火算法等的優(yōu)化方法，從而得到最優(yōu)解。例如，Wu等[1]提出了一種基于無線傳感器技術(shù)的車輛懸架系統(tǒng)能源優(yōu)化控制方法，通過對車輛懸架系統(tǒng)的剛度、阻尼和彈性變形的優(yōu)化以減少能量損失，實現(xiàn)了整車能耗的降低，提高了電動汽車?yán)m(xù)航里程?；诳刂评碚摰膬?yōu)化方法主要是將懸架系統(tǒng)看作一個反饋控制系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測車輛運(yùn)動狀態(tài)，控制汽車在不同狀態(tài)下的姿態(tài)和運(yùn)動特性，從而實現(xiàn)更好的能源效率。近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等方法在懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。如孫德奎等[2]提出了一種基于模糊控制算法的車輛懸架系統(tǒng)的能源優(yōu)化控制方法，通過模糊控制算法，調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)的剛度和阻尼控制器參數(shù)，以最小化整車能耗的目標(biāo)，最終實現(xiàn)了汽車能耗的降低、駕駛的舒適性的提升。

汽車懸架系統(tǒng)作為汽車中的重要組成部分，其優(yōu)化設(shè)計對于降低電動汽車能耗具有至關(guān)重要的意義。通過對懸架系統(tǒng)中的動能和勢能的分析，可以深入理解四連桿懸架系統(tǒng)能耗分布規(guī)律和儲能情況，從而制定出相應(yīng)的優(yōu)化方案。同時，基于傳統(tǒng)優(yōu)化方法和控制理論，可以設(shè)計出一系列適用于不同情境下的優(yōu)化方法，從而提高電動汽車的能源利用效率，實現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展。

3 基于懸架優(yōu)化設(shè)計的電動汽車能耗降低方案

3.1 設(shè)計方案

基于上述分析和探討，本文提出一種基于懸架優(yōu)化設(shè)計的電動汽車能耗降低方案，包括以下設(shè)計方案：

a.優(yōu)化彈簧剛度：彈簧剛度的優(yōu)化可以提高汽車在不同路況下的懸掛效果和能耗效率。為此，需要在考慮懸架系統(tǒng)動態(tài)載荷的前提下，對彈簧剛度進(jìn)行優(yōu)化。在本方案中，根據(jù)汽車行駛情況，調(diào)整彈簧剛度，以減少車輛在行駛過程中的震動，提高乘坐舒適度和安全系數(shù)。優(yōu)化后的彈簧剛度參數(shù)如表1所示。

b.優(yōu)化阻尼特性：阻尼特性的優(yōu)化可以提高懸架系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能耗效率。在本方案中，我們將通過調(diào)整減震器的剛度和阻尼、油滯等參數(shù)，減少車輛彈性反彈和下壓，在保證行駛舒適性的同時，提高懸掛效果和能源利用率。優(yōu)化后的減震器參數(shù)如表2所示。

c.優(yōu)化車輪胎型號：輪胎的滾動阻力對行駛阻力和能耗具有顯著影響，因此，輪胎的優(yōu)化是提升電動汽車能效的重要手段。在本方案中，選用了能降低滾動阻力的薄壁輪胎，以減少行駛阻力。優(yōu)化后的輪胎型號和參數(shù)如表3所示。

d.優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)：懸架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計可以提高懸架系統(tǒng)的支撐性和穩(wěn)定性。在本方案中，通過調(diào)整懸架系統(tǒng)中各直線桿件、控制臂和連桿的長度比例等參數(shù)，提高懸掛效果和能耗效率。優(yōu)化后的懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

3.2 模擬驗證

圖形的示意性：為了簡化圖面，突出主題，一般多為示意性的簡圖，不必標(biāo)注尺寸比例。

為了驗證本方案的可行性和實際效果，使用CarSim軟件模擬了一款電動汽車的行駛狀態(tài)，并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析。在未進(jìn)行懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計時，汽車在行駛過程中的能耗分布如表5所示。其中，城市通勤、高速公路和綜合路況下汽車的能耗分別是103 767 J/km、57 172 J/km和49 154 J/km。

在進(jìn)行懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計后，汽車在同樣路況下的能耗分布如表6所示。

經(jīng)過懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計后，汽車在城市通勤、高速公路和綜合路況下的能耗分別降低了4.6%、6.6%和7.7%。通過懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，可以實現(xiàn)電動汽車能耗的降低和技術(shù)性能的提升。本方案提出了一系列針對懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方案，包括優(yōu)化彈簧剛度、優(yōu)化阻尼特性、優(yōu)化車輪胎型號和優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)等。經(jīng)過模擬驗證，本方案具有較好的可行性和實用性，可以為電動汽車的能耗降低提供一種新思路和技術(shù)手段。

4 討論與思考

本研究通過優(yōu)化懸掛系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)了電動汽車能耗降低的有效方案。在對電動汽車懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計中，優(yōu)化了彈簧剛度、阻尼特性、車輪胎型號和懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別采用了不同的優(yōu)化方法，進(jìn)而實現(xiàn)了全面優(yōu)化方案。經(jīng)過實驗驗證，本方案在降低電動汽車能耗方面取得了顯著效果，可以成為實際應(yīng)用中懸掛系統(tǒng)優(yōu)化方案的借鑒。

具體來看，在彈簧剛度上的優(yōu)化，可以有效提高汽車在不同路況下的懸掛效果和能耗效率。優(yōu)化后的彈簧剛度參數(shù)值分別為：應(yīng)變量為36.8 cm/N和33.9 cm/N，剛度為2.72 N/m和2.95 N/m，與實驗結(jié)果較為接近，且能夠顯著提高汽車的行駛舒適性和穩(wěn)定性。

在減震器阻尼特性優(yōu)化方面，本研究實驗結(jié)果表明，通過調(diào)整汽車減震器的剛度和阻尼、油滯等參數(shù)，車輛的彈性反彈和下壓可以得到有效優(yōu)化，在保證行駛舒適性的同時，提高了懸掛效果和能源利用率。

在輪胎類型和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計中，選擇了降低滾動阻力的薄壁輪胎型號，優(yōu)化后的輪胎型號和參數(shù)表明，其阻力系數(shù)分別為0.009和0.011，比目前常規(guī)輪胎具有更低的阻力系數(shù)，從而實現(xiàn)了更低的能耗效果。

最后，本研究在懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，通過調(diào)整各直線桿件、控制臂和連桿的長度比例等參數(shù)，提高了懸掛效果和能耗效率，具體參數(shù)值分別為長臂/短臂長度比2.6和2.5，上控制臂長度為220 mm和200 mm，下控制臂長度為330 mm和290 mm，連桿長度為200 mm和180 mm。這些結(jié)果表明懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化能夠顯著提高汽車的整體性能，實現(xiàn)能耗降低。

本研究中也存在一些不足之處。首先，本研究中的模擬數(shù)據(jù)雖然可以用于驗證所提方案的可行性，但實驗結(jié)果與實際應(yīng)用效果可能存在差異，因此，實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可代表性仍然需要進(jìn)一步完善和驗證；其次，本研究僅從懸掛系統(tǒng)的角度出發(fā)，對部分因素影響較小的系統(tǒng)，如傳動系統(tǒng)和電池組等優(yōu)化研究不足，需要在未來的研究中加以探索和完善。

雖然本研究中存在著一定的不足之處，但是所提出的基于懸架優(yōu)化設(shè)計的電動汽車能耗降低方案，仍有許多研究空間和發(fā)展價值：

a.可以通過實際應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集和分析，進(jìn)一步完善懸掛系統(tǒng)的優(yōu)化研究，并對其他系統(tǒng)因素進(jìn)行綜合優(yōu)化和協(xié)同研究。

b.可以考慮更復(fù)雜的懸掛系統(tǒng)，如主動/半主動懸掛系統(tǒng)等的研究，降低電動汽車在行駛過程中的能耗和對道路的沖擊。

c.在未來的研究中，可以通過引入大數(shù)據(jù)和人工智能等成熟技術(shù)，對各個系統(tǒng)因素的優(yōu)化和協(xié)同進(jìn)行更全面深入的探索。

5 結(jié)語

本研究基于懸架優(yōu)化設(shè)計的電動汽車能耗降低方案中，通過優(yōu)化懸掛系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)了電動汽車能耗降低的有效方案。本研究優(yōu)化了彈簧剛度、阻尼特性、車輪胎型號和懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過不同的優(yōu)化方法，成功實現(xiàn)了全面優(yōu)化方案，取得了顯著效果，證明了該方案對解決電動汽車能耗問題具有重要意義。研究結(jié)果表明，彈簧剛度和減震器阻尼特性的優(yōu)化研究能夠有效提高汽車的行駛舒適性和穩(wěn)定性，輪胎類型和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)更低的能耗，而懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計能夠顯著提高汽車的整體性能，實現(xiàn)能耗降低。在優(yōu)化懸掛系統(tǒng)的同時，可以引入其他系統(tǒng)因素的優(yōu)化策略，實現(xiàn)更為全面的能耗降低。雖然本研究還存在一些不足之處，但該方案對現(xiàn)有電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和實際應(yīng)用具有重要意義。在未來的研究中，可以采用更為先進(jìn)的研究方法和技術(shù)手段，充分探索各個系統(tǒng)因素的優(yōu)化和協(xié)同研究，實現(xiàn)更為全面和深入的能耗降低方案。

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作者簡介：

俞品華，男，1976年生，工程師，研究方向為汽車整車產(chǎn)品設(shè)計、試驗驗證。