懸架系統(tǒng)對于電動汽車蓄電池隔振保護探究

張裕晨 路艷玲 高坤明

1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院 山東省淄博市 255049 2.萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械與汽車工程系 山東省萊蕪市 271100

1 引言

綜合往年公布的數(shù)據(jù)來看，在電動汽車發(fā)生的諸多種事故中，起火事故數(shù)量占比最大，已接近電動汽車各類安全事故總數(shù)的40%。另據(jù)不完全統(tǒng)計，2018年上半年截止到6月份，國內(nèi)外共報道發(fā)生電動汽車起火事故10起，其中國內(nèi)8起，國外2起，發(fā)生事故車輛涉及特斯拉、野馬、江鈴、眾泰等品牌[1]，且起火事故幾乎皆與蓄電池系統(tǒng)有一定關(guān)聯(lián)。

以現(xiàn)如今電動汽車領(lǐng)域最為常見的鋰電池為例，比容量約在240Wh/kg的大型鋰電池，所儲存的能量已高過TNT炸藥（1282Wh/kg）的18%，如果發(fā)生嚴重的起火甚至爆炸事故，后果無疑是災(zāi)難性的。再結(jié)合諸如2016年三星Note 7型號手機“連環(huán)爆炸”事件等發(fā)生在其他行業(yè)的電池安全事故來看，蓄電池所隱匿的安全隱患問題，已然成為了電動汽車發(fā)展道路上的“絆腳石”與“攔路虎”。

2 電動汽車蓄電池隔振保護的重要性

汽車在正常行駛過程中，即便不發(fā)生碰撞等情況，蓄電池依然要承受著來自路面不平度與車體自身振動所帶來的不良影響。

振動會導(dǎo)致蓄電池支座出現(xiàn)疲勞破壞，還會造成蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞以及產(chǎn)生金屬雜志[2-3]。嚴重時還會導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部短路，熱量會持續(xù)積累直到在電池內(nèi)部各種化學(xué)材料之間引發(fā)化學(xué)反應(yīng)[4]，化學(xué)反應(yīng)又會加速熱量的釋放， 最終造成熱失控并伴隨大量氣體產(chǎn)生。此時如不能對蓄電池進行冷卻處理，蓄電池極易發(fā)生起火甚至爆炸事故。因此，電動汽車所使用的蓄電池不僅要擁有一定的抗振能力，更要從汽車的設(shè)計角度，尤其從對汽車平順性與穩(wěn)定性影響最大的懸架系統(tǒng)的設(shè)計角度出發(fā)，做好對蓄電池的“隔振”保護，降低安全事故發(fā)生頻率。

3 懸架系統(tǒng)性能比對

懸架的分類方式大體有兩類。第一類是按照控制形式不同分為三種，即：僅由彈簧和阻尼器組成的被動懸架、包含可變阻尼器的半主動懸架、含有可注入外部能量的執(zhí)行器的主動懸架；第二類是按照導(dǎo)向結(jié)構(gòu)不同分為兩種，即：兩端車輪不相互影響的獨立懸架、兩端車輪相互影響的非獨立懸架。

獨立懸架雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，但在提高汽車的平順性、穩(wěn)定性以及減少車身所受沖擊等方面都要優(yōu)于非獨立懸架，尤其廣泛使用的麥弗遜式主動懸架，不僅隔振性能好，結(jié)構(gòu)也更加簡單，從而也縮小了占有空間。因此，懸架的控制方式、控制策略、參數(shù)設(shè)計更能夠決定懸架的隔振性能。

3.1 被動懸架

目前，被動懸架仍多為以“彈簧-阻尼”結(jié)構(gòu)體系為基礎(chǔ)。因而，被動懸架無法隨車速和路況的變化對自身結(jié)構(gòu)以及主要參數(shù)進行調(diào)節(jié)，在非特定的路面狀況下，被動懸架無法在緩解乘員的舒適性、行駛平順性以及操縱穩(wěn)定性之間的矛盾上達到理想的預(yù)期。所以，自身結(jié)構(gòu)的局限性決定了被動懸架的減振效果不是特別優(yōu)秀。

目前，雖然 “慣容-彈簧-阻尼”懸架結(jié)構(gòu)體系、“質(zhì)量-彈簧-阻尼”懸架結(jié)構(gòu)體系、ISD懸架結(jié)構(gòu)體系等結(jié)構(gòu)體系的出現(xiàn)打破了被動懸架的傳統(tǒng)組成模式，并衍生出多種被動懸架的設(shè)計樣式，有些研究人員也通過優(yōu)化被動懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)以提高被動懸架的隔振性能，但對被動懸架性能潛力的挖掘已接近極限[5]，而且，增加被動懸架構(gòu)件數(shù)量與結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度會導(dǎo)致汽車制造成本與使用成本的上升，違背了電動汽車“節(jié)能”的理念，不利于電動汽車的長久發(fā)展。

3.2 主動懸架

主動懸架根據(jù)車輛的運動狀態(tài)和路面狀況等進行動態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，通過對阻尼和剛度的雙重調(diào)控，抵消汽車所受振動，達到汽車始終行駛于最佳平順狀態(tài)的目的。主動懸架有著諸多優(yōu)點，比如：控制車身高度；提高通過性；兼顧汽車的平順性與操縱穩(wěn)定性等。正是出于上述的優(yōu)越性能，主動懸架也被廣泛地應(yīng)用于高端車系以及特種車輛領(lǐng)域。

但是，主動懸架作為主動力可變的自反饋控制系統(tǒng)，在接收傳感器傳遞過來的信息后，控制器需要通過預(yù)先設(shè)置的算法計算所需的理想主力，最后再控制作力器產(chǎn)生主力，由此，主動懸架存在著不可避免的純時滯或響應(yīng)問題，嚴重降低了主動懸架的控制品質(zhì)[6]。此外，由于主動懸架的結(jié)構(gòu)特性，更使得主動懸架伴隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作空間大、制造成本昂貴等問題。況且，主動懸架進行狀態(tài)調(diào)整時需要依靠動力源提供動力，增加了電動汽車的能耗，影響蓄電池的續(xù)航能力。雖然添加蓄能器能夠一定程度上滿足無外界動力源時主動懸架的動力要求，但依舊會增加電動汽車的制造與使用成本。

3.3 半主動懸架

半主動懸架是在被動懸架的基礎(chǔ)上增加了一套調(diào)節(jié)機構(gòu)的可控懸架系統(tǒng)，主要采用改變懸架阻尼的方式對懸架系統(tǒng)參數(shù)進行控制。

對比被動懸架而言，半主動懸架的應(yīng)用更為廣泛、形式更為多樣，在調(diào)節(jié)乘員舒適性與操縱穩(wěn)定性之間的矛盾上更加優(yōu)于被動懸架。而且，大多數(shù)半主動懸架結(jié)構(gòu)相比于主動懸架結(jié)構(gòu)較為簡單，控制品質(zhì)上卻非常接近于主動懸架。半主動懸架工作時存在一定的較低能耗，但近年來國內(nèi)外研究了一種無需外部電源和控制設(shè)備的自供電阻尼可調(diào)減振器，克服了半主動懸架控制系統(tǒng)體積過大、質(zhì)量增加的問題[7]。

另外，采用半主動懸架控制策略上，運用加速阻尼控制算法、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等算法及控制方法對半主動懸架進行優(yōu)化設(shè)計，能進一步提高半主動懸架的隔振性能與乘員的舒適性；減振液粘性調(diào)節(jié)方式的連續(xù)可調(diào)減震器、磁流變液體減振技術(shù)或電流變液體等減振技術(shù)，能夠更加充分地增強半主動懸架的隔振性能。，依靠半主動懸架來加強對電動汽車蓄電池隔振防護，也是一種較為理想選擇。

3.4 小結(jié)

將被動懸架、半主動懸架、主動懸架進行綜合比對，可以看出：

（1）在制造成本方面，主動懸架最高，半主動懸架其次，被動懸架最少。

（2）在隔振性能方面，主動懸架優(yōu)于半主動懸架，半主動懸架優(yōu)于被動懸架。

（3）在能耗方面，不考慮懸架系統(tǒng)的自重、運動干涉等因素對汽車經(jīng)濟性的影響，主動懸架需要能耗最多，半主動懸架需要能耗較少（使用無源控制系統(tǒng)沒有能耗），被動懸架無需能耗。

（4）其他方面，將主動懸架、半主動懸架一同與被動懸架相比，它們所具有的最大優(yōu)勢為：主動懸架與半主動懸架對汽車持續(xù)獲得理想的平順性、操縱穩(wěn)定性最為有利；主動懸架與半主動懸架可供選擇的結(jié)構(gòu)形式較為多樣，在使用性能的優(yōu)化與提升上也有很大進步空間，能夠滿足未來電動汽車發(fā)展的需要。

但是，主動懸架和半主動懸架也存在許多缺點，例如：主動懸架對材質(zhì)要求標準高、限制整車空間布置、增加車重、高耗能等；半主動懸架調(diào)節(jié)持續(xù)時間短、控制方式單一等。而被動懸架卻以重量輕、結(jié)構(gòu)體系簡單、成本低廉占據(jù)著廣泛的汽車市場，也正因如此，被動懸架從汽車空間布置與成本上來說，更適合于當(dāng)下以中小型轎車為主要車型的電動汽車使用。

4 電動汽車首選使用半主動懸架

綜合上文對比所述，在懸架的選擇上，主動懸架的隔振效果最好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高，不利于電動汽車的整車布置與續(xù)航能力。被動懸架雖然避開了主動懸架在實際使用上的諸多短板，但減振能力較差，也不應(yīng)被電動汽車優(yōu)先使用。半主動懸架的減振性能雖然略遜于主動懸架，結(jié)構(gòu)簡單與成本低廉方面又不及被動懸架，但半主動懸架卻避開了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高耗能、隔振性能差等缺陷，在能夠?qū)π铍姵仄鸬礁粽癖Ｗo的同時，也能兼顧電動汽車其他性能以及設(shè)計方面的要求，是作為電動汽車懸架的最佳選擇。

5 結(jié)語

蓄電池作為動力源，是電動汽車最重要同時也是最易引發(fā)安全事故的一個部件。加強蓄電池的安全防護工作，是提升電動汽車的整體安全性能的關(guān)鍵。本文主要針對不同類別懸架之間差異與優(yōu)缺點，就電動汽車蓄電池隔振保護的角度做一些對比分析，對選擇懸架類別提出看法并以供參考。