基于電動汽車能耗優化的汽車懸架設計方法

俞品華　徐文婷　王鎮宗

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。懸架系統是電動汽車能量轉換和傳遞的關鍵部分，其動力學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，研究了懸架動力學與車輛能耗之間的關系，并提出了一種基于懸架優化設計的電動汽車能耗降低方案。通過懸架系統參數的優化設計，包括減小振動質量、增加阻尼系統等手段，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定性。通過模擬驗證，展示了優化后電動汽車懸架系統能耗的明顯降低和優秀的性能。研究結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。

關鍵詞：電動汽車；懸架設計；能耗優化；汽車動力學

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

隨著環保意識的不斷增強，電動汽車作為一種環保型交通工具逐漸在全球范圍內得到廣泛推廣和運用。電動汽車無論是在減少環境污染方面，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。全球能源互聯網建設的深入進行，電動汽車已成為實現可持續能源利用和環境保護理念的焦點。與傳統內燃機驅動汽車相比，電動汽車具有零排放、低噪音、高效環保等優勢。

但是，電動汽車的一大瓶頸問題是能量密度和能源續航里程問題，即電池電量的不足會導致續航里程短、充電時間長等問題[1-2]。與傳統汽車相比，電動汽車的能耗問題一直是限制其發展的重要因素之一，而汽車懸架系統的優化設計是解決電動汽車能耗問題的一種重要途徑。懸架系統是汽車的重要組成部分之一[3-4]，對汽車行駛穩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行優化提升，從而實現電動汽車能耗的降低。

目前，學術界和工業界對于電動汽車能量密度和續航里程問題的研究都取得了一定的進展。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逐步成熟，能量密度和續航里程得到提升。例如，寧德時代公司已成功研發出一種具有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。在充電技術方面，公共充電站的普及和快速充電技術的發展，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展的關鍵瓶頸之一，會直接影響電動汽車的實際應用而限制其推廣。懸架系統作為汽車重要的組成部分，對于電動汽車的能耗有著至關重要的影響。當前，國內外對懸架系統優化設計的研究主要是在傳統汽車上進行的。在這個過程中，研究者主要從動力學、能量轉化、優化算法等多個角度分析懸架系統的能量消耗，以期減小整車的能耗，提高電動汽車的續航里程。

國內外已經有不少研究者探討了汽車懸架系統對電動汽車能耗的影響。在國外，一些學者研究了車輛動力學及能量轉化機制，通過優化懸架系統參數和結構形式降低能耗。國外學者提出使用基于運動學模型的最優控制策略來優化四連桿懸架系統，并與傳統四連桿懸架系統運動學參數進行比較分析。該研究發現，新型懸架系統可以提高懸架結構的剛度，從而降低汽車的滾轉和抖動，減小能耗，提高電動汽車的能源利用率和運動性能。此外，一些汽車制造商也開始引入新的懸架材料和設計理念以降低能耗。

國內的研究也呈現出多樣化的發展趨勢。例如，利用智能控制算法提高懸架系統的效率，使用新型材料替換傳統的秤簧等，這些都為懸架優化設計提供了新的思路。國內有研究者在參考國外研究成果的基礎上，利用數學建模和計算機仿真技術，對多種懸架參數進行優化設計，實現最大程度的能量節約和駕駛舒適性[8]。本文將對這類研究展開分析，并基于當前研究成果，提出基于車輛動力學和能量轉化機制分析的懸架系統優化方法，旨在為電動汽車節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優化設計對電動汽車能耗降低的影響，提出一種基于車輛動力學和能量轉化機制分析的懸架系統優化方法。該方法將基于傳統三輪車懸架結構，結合現代數學建模技術和先進控制算法，設計新型懸架系統，調整懸架系統參數，以提高電動汽車的機動性和舒適性。

本研究的主要貢獻在于提出一種基于懸架系統優化設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，促進電動汽車的推廣和發展，同時也將為未來相關領域的研究工作提供一定的參考和借鑒。

2 汽車懸架系統的優化設計原理

汽車懸架系統是一種復雜的機械系統，承擔著支撐車輛、吸收道路不平坑洼、平穩懸掛等功能。懸架系統的優化設計可以通過降低阻力、減小能量損失、改進瞬時響應能力等方式來實現降低整車能耗的目標。本研究將探究瞬間能耗的降低原理、優化方法和核心技術，從而提出一種適用于電動汽車的懸架系統優化設計方案。

汽車在行駛過程中，先沿著經過磨耗和摩擦后的路面，然后進入懸架系統中，產生剪切力、擠壓力、彎曲力、拉伸力等各種反作用力，最終轉化為整車的運動能量。懸架系統能耗的瞬間分析是懸架系統優化設計的關鍵環節。在汽車行駛時，懸架系統的動能和勢能不斷變化，這將影響到汽車系統能耗的實時消耗。以四連桿懸架系統為例，其瞬間能耗主要來自懸架系統中的彈性變形和阻尼效應。在懸架系統中，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，可以確定懸架系統的瞬間能耗分布和其瞬間能耗的大小。

懸架系統的優化設計方法主要包括基于力學原理和優化方法。基于力學原理的優化方法主要包括構建數學模型，然后通過調整不同懸架參數，如馬達阻尼、彈簧剛度、各連桿長度比例等，以實現優化目標。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化方法，從而得到最優解。例如，Wu等[1]提出了一種基于無線傳感器技術的車輛懸架系統能源優化控制方法，通過對車輛懸架系統的剛度、阻尼和彈性變形的優化以減少能量損失，實現了整車能耗的降低，提高了電動汽車續航里程。基于控制理論的優化方法主要是將懸架系統看作一個反饋控制系統，通過實時監測車輛運動狀態，控制汽車在不同狀態下的姿態和運動特性，從而實現更好的能源效率。近年來，神經網絡、模糊控制等方法在懸架系統優化設計中得到廣泛應用。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的能源優化控制方法，通過模糊控制算法，調節懸架系統的剛度和阻尼控制器參數，以最小化整車能耗的目標，最終實現了汽車能耗的降低、駕駛的舒適性的提升。

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

3 基于懸架優化設計的電動汽車能耗降低方案

3.1 設計方案

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

a.優化彈簧剛度：彈簧剛度的優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動態載荷的前提下，對彈簧剛度進行優化。在本方案中，根據汽車行駛情況，調整彈簧剛度，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。優化后的彈簧剛度參數如表1所示。

b.優化阻尼特性：阻尼特性的優化可以提高懸架系統的穩定性和能耗效率。在本方案中，我們將通過調整減震器的剛度和阻尼、油滯等參數，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。優化后的減震器參數如表2所示。

c.優化車輪胎型號：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。優化后的輪胎型號和參數如表3所示。

d.優化懸架結構：懸架結構的優化設計可以提高懸架系統的支撐性和穩定性。在本方案中，通過調整懸架系統中各直線桿件、控制臂和連桿的長度比例等參數，提高懸掛效果和能耗效率。優化后的懸架結構參數如表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，并進行了相應的數據分析。在未進行懸架系統優化設計時，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。

在進行懸架系統優化設計后，汽車在同樣路況下的能耗分布如表6所示。

經過懸架系統的優化設計后，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%。通過懸架系統的優化設計，可以實現電動汽車能耗的降低和技術性能的提升。本方案提出了一系列針對懸架系統的優化設計方案，包括優化彈簧剛度、優化阻尼特性、優化車輪胎型號和優化懸架結構等。經過模擬驗證，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手段。

4 討論與思考

本研究通過優化懸掛系統參數，實現了電動汽車能耗降低的有效方案。在對電動汽車懸架系統的優化設計中，優化了彈簧剛度、阻尼特性、車輪胎型號和懸架結構參數，分別采用了不同的優化方法，進而實現了全面優化方案。經過實驗驗證，本方案在降低電動汽車能耗方面取得了顯著效果，可以成為實際應用中懸掛系統優化方案的借鑒。

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

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

在輪胎類型和參數的優化設計中，選擇了降低滾動阻力的薄壁輪胎型號，優化后的輪胎型號和參數表明，其阻力系數分別為0.009和0.011，比目前常規輪胎具有更低的阻力系數，從而實現了更低的能耗效果。

最后，本研究在懸架結構優化設計中，通過調整各直線桿件、控制臂和連桿的長度比例等參數，提高了懸掛效果和能耗效率，具體參數值分別為長臂/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。這些結果表明懸架系統結構的優化能夠顯著提高汽車的整體性能，實現能耗降低。

本研究中也存在一些不足之處。首先，本研究中的模擬數據雖然可以用于驗證所提方案的可行性，但實驗結果與實際應用效果可能存在差異，因此，實驗數據的準確性和可代表性仍然需要進一步完善和驗證；其次，本研究僅從懸掛系統的角度出發，對部分因素影響較小的系統，如傳動系統和電池組等優化研究不足，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化設計的電動汽車能耗降低方案，仍有許多研究空間和發展價值：

a.可以通過實際應用中數據采集和分析，進一步完善懸掛系統的優化研究，并對其他系統因素進行綜合優化和協同研究。

b.可以考慮更復雜的懸掛系統，如主動/半主動懸掛系統等的研究，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，可以通過引入大數據和人工智能等成熟技術，對各個系統因素的優化和協同進行更全面深入的探索。

5 結語

本研究基于懸架優化設計的電動汽車能耗降低方案中，通過優化懸掛系統參數，實現了電動汽車能耗降低的有效方案。本研究優化了彈簧剛度、阻尼特性、車輪胎型號和懸架結構參數，通過不同的優化方法，成功實現了全面優化方案，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。研究結果表明，彈簧剛度和減震器阻尼特性的優化研究能夠有效提高汽車的行駛舒適性和穩定性，輪胎類型和參數的優化設計能夠實現更低的能耗，而懸架結構優化設計能夠顯著提高汽車的整體性能，實現能耗降低。在優化懸掛系統的同時，可以引入其他系統因素的優化策略，實現更為全面的能耗降低。雖然本研究還存在一些不足之處，但該方案對現有電動汽車產業的發展和實際應用具有重要意義。在未來的研究中，可以采用更為先進的研究方法和技術手段，充分探索各個系統因素的優化和協同研究，實現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品設計、試驗驗證。