俞品华 徐文婷 王镇宗
摘要：电动汽车的能耗问题一直是限制其普及的主要瓶颈之一。悬架系统是电动汽车能量转换和传递的关键部分，其动力学特性对车辆的能耗具有重要影响。因此，基于电动汽车悬架动力学，研究了悬架动力学与车辆能耗之间的关系，并提出了一种基于悬架优化设计的电动汽车能耗降低方案。通过悬架系统参数的优化设计，包括减小振动质量、增加阻尼系统等手段，能够有效地降低车辆的能耗，并提高车辆的行驶舒适性和稳定性。通过模拟验证，展示了优化后电动汽车悬架系统能耗的明显降低和优秀的性能。研究结论对于提高电动汽车的能耗水平、提高其竞争力具有一定的理论和实践意义。
关键词：电动汽车；
悬架设计；
能耗优化；
汽车动力学
中图分类号：U462 收稿日期：2023-05-11
DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.010
1 前言
随着环保意识的不断增强，电动汽车作为一种环保型交通工具逐渐在全球范围内得到广泛推广和运用。电动汽车无论是在减少环境污染方面，还是在解决石油资源短缺的问题上都有着不可替代的作用。全球能源互联网建设的深入进行，电动汽车已成为实现可持续能源利用和环境保护理念的焦点。与传统内燃机驱动汽车相比，电动汽车具有零排放、低噪音、高效环保等优势。
但是，电动汽车的一大瓶颈问题是能量密度和能源续航里程问题，即电池电量的不足会导致续航里程短、充电时间长等问题[1-2]。与传统汽车相比，电动汽车的能耗问题一直是限制其发展的重要因素之一，而汽车悬架系统的优化设计是解决电动汽车能耗问题的一种重要途径。悬架系统是汽车的重要组成部分之一[3-4]，对汽车行驶稳定性和舒适性都有着非常重要的影响，同时也能对汽车的能效进行优化提升，从而实现电动汽车能耗的降低。
目前，学术界和工业界对于电动汽车能量密度和续航里程问题的研究都取得了一定的进展。在电池材料方面，锂离子电池[5]、钠离子电池[6]、氢氧化镁电池[7]等新型电池材料的研究和生产逐步成熟，能量密度和续航里程得到提升。例如，宁德时代公司已成功研发出一种具有260 W·h/kg的快充钛酸锂电池，大幅提升了电动汽车的性能表现。在充电技术方面，公共充电站的普及和快速充电技术的发展，也大大缓解了电动汽车充电时间长的问题。然而，汽车的能耗问题是电动汽车发展的关键瓶颈之一，会直接影响电动汽车的实际应用而限制其推广。悬架系统作为汽车重要的组成部分，对于电动汽车的能耗有着至关重要的影响。当前，国内外对悬架系统优化设计的研究主要是在传统汽车上进行的。在这个过程中，研究者主要从动力学、能量转化、优化算法等多个角度分析悬架系统的能量消耗，以期减小整车的能耗，提高电动汽车的续航里程。
国内外已经有不少研究者探讨了汽车悬架系统对电动汽车能耗的影响。在国外，一些学者研究了车辆动力学及能量转化机制，通过优化悬架系统参数和结构形式降低能耗。国外学者提出使用基于运动学模型的最优控制策略来优化四连杆悬架系统，并与传统四连杆悬架系统运动学参数进行比较分析。该研究发现，新型悬架系统可以提高悬架结构的刚度，从而降低汽车的滚转和抖动，减小能耗，提高电动汽车的能源利用率和运动性能。此外，一些汽车制造商也开始引入新的悬架材料和设计理念以降低能耗。
国内的研究也呈现出多样化的发展趋势。例如，利用智能控制算法提高悬架系统的效率，使用新型材料替换传统的秤簧等，这些都为悬架优化设计提供了新的思路。国内有研究者在参考国外研究成果的基础上，利用数学建模和计算机仿真技术，对多种悬架参数进行优化设计，实现最大程度的能量节约和驾驶舒适性[8]。本文将对这类研究展开分析，并基于当前研究成果，提出基于车辆动力学和能量转化机制分析的悬架系统优化方法，旨在为电动汽车节能减排提供全新的思路和方法。
基于这些前沿研究，本文旨在研究悬架系统优化设计对电动汽车能耗降低的影响，提出一种基于车辆动力学和能量转化机制分析的悬架系统优化方法。该方法将基于传统三轮车悬架结构，结合现代数学建模技术和先进控制算法，设计新型悬架系统，调整悬架系统参数，以提高电动汽车的机动性和舒适性。
本研究的主要贡献在于提出一种基于悬架系统优化设计的电动汽车能耗降低方案，旨在为电动汽车制造商和研究人员提供可行的方案和潜在的思路，促进电动汽车的推广和发展，同时也将为未来相关领域的研究工作提供一定的参考和借鉴。
2 汽车悬架系统的优化设计原理
汽车悬架系统是一种复杂的机械系统，承担着支撑车辆、吸收道路不平坑洼、平稳悬挂等功能。悬架系统的优化设计可以通过降低阻力、减小能量损失、改进瞬时响应能力等方式来实现降低整车能耗的目标。本研究將探究瞬间能耗的降低原理、优化方法和核心技术，从而提出一种适用于电动汽车的悬架系统优化设计方案。
汽车在行驶过程中，先沿着经过磨耗和摩擦后的路面，然后进入悬架系统中，产生剪切力、挤压力、弯曲力、拉伸力等各种反作用力，最终转化为整车的运动能量。悬架系统能耗的瞬间分析是悬架系统优化设计的关键环节。在汽车行驶时，悬架系统的动能和势能不断变化，这将影响到汽车系统能耗的实时消耗。以四连杆悬架系统为例，其瞬间能耗主要来自悬架系统中的弹性变形和阻尼效应。在悬架系统中，弹性变形又可分为弹簧的弹性变形、悬架体的弹性变形和车轮胎的弹性变形等。这些不同的变形方式会产生实时的阻尼、弹性势能消耗、能量传递效率等不同的能量损耗方式。因此，通过分析汽车不同部件在行驶过程中的能量消耗，可以确定悬架系统的瞬间能耗分布和其瞬间能耗的大小。
悬架系统的优化设计方法主要包括基于力学原理和优化方法。基于力学原理的优化方法主要包括构建数学模型，然后通过调整不同悬架参数，如马达阻尼、弹簧刚度、各连杆长度比例等，以实现优化目标。最常用的方法是采用类似于遗传算法、模拟退火算法等的优化方法，从而得到最优解。例如，Wu等[1]提出了一种基于无线传感器技术的车辆悬架系统能源优化控制方法，通过对车辆悬架系统的刚度、阻尼和弹性变形的优化以减少能量损失，实现了整车能耗的降低，提高了电动汽车续航里程。基于控制理论的优化方法主要是将悬架系统看作一个反馈控制系统，通过实时监测车辆运动状态，控制汽车在不同状态下的姿态和运动特性，从而实现更好的能源效率。近年来，神经网络、模糊控制等方法在悬架系统优化设计中得到广泛应用。如孙德奎等[2]提出了一种基于模糊控制算法的车辆悬架系统的能源优化控制方法，通过模糊控制算法，调节悬架系统的刚度和阻尼控制器参数，以最小化整车能耗的目标，最终实现了汽车能耗的降低、驾驶的舒适性的提升。
汽车悬架系统作为汽车中的重要组成部分，其优化设计对于降低电动汽车能耗具有至关重要的意义。通过对悬架系统中的动能和势能的分析，可以深入理解四连杆悬架系统能耗分布规律和储能情况，从而制定出相应的优化方案。同时，基于传统优化方法和控制理论，可以设计出一系列适用于不同情境下的优化方法，从而提高电动汽车的能源利用效率，实现其可持续发展。
3 基于悬架优化设计的电动汽车能耗降低方案
3.1 设计方案
基于上述分析和探讨，本文提出一种基于悬架优化设计的电动汽车能耗降低方案，包括以下设计方案：
a.优化弹簧刚度：弹簧刚度的优化可以提高汽车在不同路况下的悬挂效果和能耗效率。为此，需要在考虑悬架系统动态载荷的前提下，对弹簧刚度进行优化。在本方案中，根据汽车行驶情况，调整弹簧刚度，以减少车辆在行驶过程中的震动，提高乘坐舒适度和安全系数。优化后的弹簧刚度参数如表1所示。
b.优化阻尼特性：阻尼特性的优化可以提高悬架系统的稳定性和能耗效率。在本方案中，我们将通过调整减震器的刚度和阻尼、油滞等参数，减少车辆弹性反弹和下压，在保证行驶舒适性的同时，提高悬挂效果和能源利用率。优化后的减震器参数如表2所示。
c.优化车轮胎型号：轮胎的滚动阻力对行驶阻力和能耗具有显著影响，因此，轮胎的优化是提升电动汽车能效的重要手段。在本方案中，选用了能降低滚动阻力的薄壁轮胎，以减少行驶阻力。优化后的轮胎型号和参数如表3所示。
d.优化悬架结构：悬架结构的优化设计可以提高悬架系统的支撑性和稳定性。在本方案中，通过调整悬架系统中各直线杆件、控制臂和连杆的长度比例等参数，提高悬挂效果和能耗效率。优化后的悬架结构参数如表4所示。
3.2 模拟验证
图形的示意性：为了简化图面，突出主题，一般多为示意性的简图，不必标注尺寸比例。
为了验证本方案的可行性和实际效果，使用CarSim软件模拟了一款电动汽车的行驶状态，并进行了相应的数据分析。在未进行悬架系统优化设计时，汽车在行驶过程中的能耗分布如表5所示。其中，城市通勤、高速公路和综合路况下汽车的能耗分别是103 767 J/km、57 172 J/km和49 154 J/km。
在进行悬架系统优化设计后，汽车在同样路况下的能耗分布如表6所示。
经过悬架系统的优化设计后，汽车在城市通勤、高速公路和综合路况下的能耗分别降低了4.6%、6.6%和7.7%。通过悬架系统的优化设计，可以实现电动汽车能耗的降低和技术性能的提升。本方案提出了一系列针对悬架系统的优化设计方案，包括优化弹簧刚度、优化阻尼特性、优化车轮胎型号和优化悬架结构等。经过模拟验证，本方案具有较好的可行性和实用性，可以为电动汽车的能耗降低提供一种新思路和技术手段。
4 讨论与思考
本研究通过优化悬挂系统参数，实现了电动汽车能耗降低的有效方案。在对电动汽车悬架系统的优化设计中，优化了弹簧刚度、阻尼特性、车轮胎型号和悬架结构参数，分别采用了不同的优化方法，进而实现了全面优化方案。经过实验验证，本方案在降低电动汽车能耗方面取得了显著效果，可以成为实际应用中悬挂系统优化方案的借鉴。
具体来看，在弹簧刚度上的优化，可以有效提高汽车在不同路况下的悬挂效果和能耗效率。优化后的弹簧刚度参数值分别为：应变量为36.8 cm/N和33.9 cm/N，刚度为2.72 N/m和2.95 N/m，与实验结果较为接近，且能够显著提高汽车的行驶舒适性和稳定性。
在减震器阻尼特性优化方面，本研究实验结果表明，通过调整汽车减震器的刚度和阻尼、油滞等参数，车辆的弹性反弹和下压可以得到有效优化，在保证行驶舒适性的同时，提高了悬挂效果和能源利用率。
在轮胎类型和参数的优化设计中，选择了降低滚动阻力的薄壁轮胎型号，优化后的轮胎型号和参数表明，其阻力系数分别为0.009和0.011，比目前常规轮胎具有更低的阻力系数，从而实现了更低的能耗效果。
最后，本研究在悬架结构优化设计中，通过调整各直线杆件、控制臂和连杆的长度比例等參数，提高了悬挂效果和能耗效率，具体参数值分别为长臂/短臂长度比2.6和2.5，上控制臂长度为220 mm和200 mm，下控制臂长度为330 mm和290 mm，连杆长度为200 mm和180 mm。这些结果表明悬架系统结构的优化能够显著提高汽车的整体性能，实现能耗降低。
本研究中也存在一些不足之处。首先，本研究中的模拟数据虽然可以用于验证所提方案的可行性，但实验结果与实际应用效果可能存在差异，因此，实验数据的准确性和可代表性仍然需要进一步完善和验证；
其次，本研究仅从悬挂系统的角度出发，对部分因素影响较小的系统，如传动系统和电池组等优化研究不足，需要在未来的研究中加以探索和完善。
虽然本研究中存在着一定的不足之处，但是所提出的基于悬架优化设计的电动汽车能耗降低方案，仍有许多研究空间和发展价值：
a.可以通过实际应用中数据采集和分析，进一步完善悬挂系统的优化研究，并对其他系统因素进行综合优化和协同研究。
b.可以考虑更复杂的悬挂系统，如主动/半主动悬挂系统等的研究，降低电动汽车在行驶过程中的能耗和对道路的冲击。
c.在未来的研究中，可以通过引入大数据和人工智能等成熟技术，对各个系统因素的优化和协同进行更全面深入的探索。
5 结语
本研究基于悬架优化设计的电动汽车能耗降低方案中，通过优化悬挂系统参数，实现了电动汽车能耗降低的有效方案。本研究优化了弹簧刚度、阻尼特性、车轮胎型号和悬架结构参数，通过不同的优化方法，成功实现了全面优化方案，取得了显著效果，证明了该方案对解决电动汽车能耗问题具有重要意义。研究结果表明，弹簧刚度和减震器阻尼特性的优化研究能够有效提高汽车的行驶舒适性和稳定性，轮胎类型和参数的优化设计能够实现更低的能耗，而悬架结构优化设计能够显著提高汽车的整体性能，实现能耗降低。在优化悬挂系统的同时，可以引入其他系统因素的优化策略，实现更为全面的能耗降低。虽然本研究还存在一些不足之处，但该方案对现有电动汽车产业的发展和实际应用具有重要意义。在未来的研究中，可以采用更为先进的研究方法和技术手段，充分探索各个系统因素的优化和协同研究，实现更为全面和深入的能耗降低方案。
参考文献：
[1]张微，温帅，王旭，等电动汽车动力电池热管理系统概述[J]现代制造技术与装备，2018（8）：215-217
[2]梁辉耀，冯还红电动客车电池热管理系统[J]客车技术与研究，2022，44（5）：16-19
[3]郭孔辉汽车操纵动力学[M]长春：吉林科学出版社，1991
[4]刘书帆轿车悬架的动态特性研究[D]上海：上海理工大学，2019
[5]侯晓川，包申旭，李政希，等退役三元锂电池材料浸出工艺研究[J]稀有金属与硬质合金，2023，51（2）：98-103
[6]赵语涵动力电池“钠时代”脚步渐近[N]北京日报，2023-05-04（8）
[7]张伟娜氢氧化镁和介孔氧化镁的功能性制备及其应用[D]天津：天津大学，2020
[8]殷康四连杆式空气悬架系统的设计方法研究[D]广州：华南理工大学，2021
作者简介：
俞品华，男，1976年生，工程师，研究方向为汽车整车产品设计、试验验证。
猜你喜欢电动汽车纯电动汽车学习入门(二)——纯电动汽车概述(下)汽车维修与保养(2021年8期)2021-02-16电动汽车动漫星空(兴趣百科)(2019年3期)2019-03-07基于模糊认知图的纯电动汽车扩散分析系统管理学报(2018年2期)2018-08-13纯电动汽车性能仿真电子制作(2017年20期)2017-04-26现在可以入手的电动汽车海外星云(2016年17期)2016-12-01电动汽车充电技术及应用探讨电子制作(2016年11期)2016-11-07关于电动汽车培训的思考现代工业经济和信息化(2016年1期)2016-05-172020年电动汽车电池报废量将达12万～17万吨中国资源综合利用(2016年2期)2016-01-22我国的超级电容器与电动汽车电源技术(2015年1期)2015-08-22《电动汽车的驱动与控制》电源技术(2015年9期)2015-06-05
