悬架系统对于电动汽车蓄电池隔振保护探究

张裕晨 路艳玲 高坤明

1.山东理工大学交通与车辆工程学院 山东省淄博市 255049 2.莱芜职业技术学院机械与汽车工程系 山东省莱芜市 271100

1 引言

综合往年公布的数据来看，在电动汽车发生的诸多种事故中，起火事故数量占比最大，已接近电动汽车各类安全事故总数的40%。另据不完全统计，2018年上半年截止到6月份，国内外共报道发生电动汽车起火事故10起，其中国内8起，国外2起，发生事故车辆涉及特斯拉、野马、江铃、众泰等品牌[1]，且起火事故几乎皆与蓄电池系统有一定关联。

以现如今电动汽车领域最为常见的锂电池为例，比容量约在240Wh/kg的大型锂电池，所储存的能量已高过TNT炸药（1282Wh/kg）的18%，如果发生严重的起火甚至爆炸事故，后果无疑是灾难性的。再结合诸如2016年三星Note 7型号手机“连环爆炸”事件等发生在其他行业的电池安全事故来看，蓄电池所隐匿的安全隐患问题，已然成为了电动汽车发展道路上的“绊脚石”与“拦路虎”。

2 电动汽车蓄电池隔振保护的重要性

汽车在正常行驶过程中，即便不发生碰撞等情况，蓄电池依然要承受着来自路面不平度与车体自身振动所带来的不良影响。

振动会导致蓄电池支座出现疲劳破坏，还会造成蓄电池内部结构破坏以及产生金属杂志[2-3]。严重时还会导致蓄电池内部短路，热量会持续积累直到在电池内部各种化学材料之间引发化学反应[4]，化学反应又会加速热量的释放， 最终造成热失控并伴随大量气体产生。此时如不能对蓄电池进行冷却处理，蓄电池极易发生起火甚至爆炸事故。因此，电动汽车所使用的蓄电池不仅要拥有一定的抗振能力，更要从汽车的设计角度，尤其从对汽车平顺性与稳定性影响最大的悬架系统的设计角度出发，做好对蓄电池的“隔振”保护，降低安全事故发生频率。

3 悬架系统性能比对

悬架的分类方式大体有两类。第一类是按照控制形式不同分为三种，即：仅由弹簧和阻尼器组成的被动悬架、包含可变阻尼器的半主动悬架、含有可注入外部能量的执行器的主动悬架；第二类是按照导向结构不同分为两种，即：两端车轮不相互影响的独立悬架、两端车轮相互影响的非独立悬架。

独立悬架虽然结构复杂、体积大，但在提高汽车的平顺性、稳定性以及减少车身所受冲击等方面都要优于非独立悬架，尤其广泛使用的麦弗逊式主动悬架，不仅隔振性能好，结构也更加简单，从而也缩小了占有空间。因此，悬架的控制方式、控制策略、参数设计更能够决定悬架的隔振性能。

3.1 被动悬架

目前，被动悬架仍多为以“弹簧-阻尼”结构体系为基础。因而，被动悬架无法随车速和路况的变化对自身结构以及主要参数进行调节，在非特定的路面状况下，被动悬架无法在缓解乘员的舒适性、行驶平顺性以及操纵稳定性之间的矛盾上达到理想的预期。所以，自身结构的局限性决定了被动悬架的减振效果不是特别优秀。

目前，虽然 “惯容-弹簧-阻尼”悬架结构体系、“质量-弹簧-阻尼”悬架结构体系、ISD悬架结构体系等结构体系的出现打破了被动悬架的传统组成模式，并衍生出多种被动悬架的设计样式，有些研究人员也通过优化被动悬架的结构参数以提高被动悬架的隔振性能，但对被动悬架性能潜力的挖掘已接近极限[5]，而且，增加被动悬架构件数量与结构复杂程度会导致汽车制造成本与使用成本的上升，违背了电动汽车“节能”的理念，不利于电动汽车的长久发展。

3.2 主动悬架

主动悬架根据车辆的运动状态和路面状况等进行动态自适应调节，通过对阻尼和刚度的双重调控，抵消汽车所受振动，达到汽车始终行驶于最佳平顺状态的目的。主动悬架有着诸多优点，比如：控制车身高度；提高通过性；兼顾汽车的平顺性与操纵稳定性等。正是出于上述的优越性能，主动悬架也被广泛地应用于高端车系以及特种车辆领域。

但是，主动悬架作为主动力可变的自反馈控制系统，在接收传感器传递过来的信息后，控制器需要通过预先设置的算法计算所需的理想主力，最后再控制作力器产生主力，由此，主动悬架存在着不可避免的纯时滞或响应问题，严重降低了主动悬架的控制品质[6]。此外，由于主动悬架的结构特性，更使得主动悬架伴随着结构复杂、工作空间大、制造成本昂贵等问题。况且，主动悬架进行状态调整时需要依靠动力源提供动力，增加了电动汽车的能耗，影响蓄电池的续航能力。虽然添加蓄能器能够一定程度上满足无外界动力源时主动悬架的动力要求，但依旧会增加电动汽车的制造与使用成本。

3.3 半主动悬架

半主动悬架是在被动悬架的基础上增加了一套调节机构的可控悬架系统，主要采用改变悬架阻尼的方式对悬架系统参数进行控制。

对比被动悬架而言，半主动悬架的应用更为广泛、形式更为多样，在调节乘员舒适性与操纵稳定性之间的矛盾上更加优于被动悬架。而且，大多数半主动悬架结构相比于主动悬架结构较为简单，控制品质上却非常接近于主动悬架。半主动悬架工作时存在一定的较低能耗，但近年来国内外研究了一种无需外部电源和控制设备的自供电阻尼可调减振器，克服了半主动悬架控制系统体积过大、质量增加的问题[7]。

另外，采用半主动悬架控制策略上，运用加速阻尼控制算法、模糊控制、神经网络控制等算法及控制方法对半主动悬架进行优化设计，能进一步提高半主动悬架的隔振性能与乘员的舒适性；减振液粘性调节方式的连续可调减震器、磁流变液体减振技术或电流变液体等减振技术，能够更加充分地增强半主动悬架的隔振性能。，依靠半主动悬架来加强对电动汽车蓄电池隔振防护，也是一种较为理想选择。

3.4 小结

将被动悬架、半主动悬架、主动悬架进行综合比对，可以看出：

（1）在制造成本方面，主动悬架最高，半主动悬架其次，被动悬架最少。

（2）在隔振性能方面，主动悬架优于半主动悬架，半主动悬架优于被动悬架。

（3）在能耗方面，不考虑悬架系统的自重、运动干涉等因素对汽车经济性的影响，主动悬架需要能耗最多，半主动悬架需要能耗较少（使用无源控制系统没有能耗），被动悬架无需能耗。

（4）其他方面，将主动悬架、半主动悬架一同与被动悬架相比，它们所具有的最大优势为：主动悬架与半主动悬架对汽车持续获得理想的平顺性、操纵稳定性最为有利；主动悬架与半主动悬架可供选择的结构形式较为多样，在使用性能的优化与提升上也有很大进步空间，能够满足未来电动汽车发展的需要。

但是，主动悬架和半主动悬架也存在许多缺点，例如：主动悬架对材质要求标准高、限制整车空间布置、增加车重、高耗能等；半主动悬架调节持续时间短、控制方式单一等。而被动悬架却以重量轻、结构体系简单、成本低廉占据着广泛的汽车市场，也正因如此，被动悬架从汽车空间布置与成本上来说，更适合于当下以中小型轿车为主要车型的电动汽车使用。

4 电动汽车首选使用半主动悬架

综合上文对比所述，在悬架的选择上，主动悬架的隔振效果最好，但结构复杂、能耗高，不利于电动汽车的整车布置与续航能力。被动悬架虽然避开了主动悬架在实际使用上的诸多短板，但减振能力较差，也不应被电动汽车优先使用。半主动悬架的减振性能虽然略逊于主动悬架，结构简单与成本低廉方面又不及被动悬架，但半主动悬架却避开了结构复杂、高耗能、隔振性能差等缺陷，在能够对蓄电池起到隔振保护的同时，也能兼顾电动汽车其他性能以及设计方面的要求，是作为电动汽车悬架的最佳选择。

5 结语

蓄电池作为动力源，是电动汽车最重要同时也是最易引发安全事故的一个部件。加强蓄电池的安全防护工作，是提升电动汽车的整体安全性能的关键。本文主要针对不同类别悬架之间差异与优缺点，就电动汽车蓄电池隔振保护的角度做一些对比分析，对选择悬架类别提出看法并以供参考。