作者｜李文博

(相關(guān)資料圖)

編輯｜周到

頭圖｜電影《玩命三日》

提問(wèn)：當(dāng)一臺(tái)正常行駛中的汽車(chē)，突然開(kāi)始高頻快速地上下震動(dòng)時(shí)，除了是大型為愛(ài)鼓掌現(xiàn)場(chǎng)行為藝術(shù)外，還有沒(méi)有第二種可能？

答案是有的：正給自己充電呢。

近日，德國(guó)高檔汽車(chē)制造商寶馬申請(qǐng)了一項(xiàng)懸掛系統(tǒng)新專(zhuān)利：即利用回收懸架產(chǎn)生的振動(dòng)能量，為電動(dòng)汽車(chē)的電池充電，這些回收而來(lái)的能量既可用于12V電瓶為低功率系統(tǒng)供電，也可儲(chǔ)存在動(dòng)力電池中，為整車(chē)增加續(xù)航里程。

省流版總結(jié)就是：為愛(ài)震車(chē)，用振發(fā)電。震得越狠，充電越穩(wěn)。

這電，怎么發(fā)？

在開(kāi)始解讀這一發(fā)瘋級(jí)魔幻新技術(shù)前，先讓我們用快速回顧下汽車(chē)懸架的基礎(chǔ)知識(shí)。

“懸架”是車(chē)架與車(chē)橋間一切傳力連接裝置的總稱(chēng)，隸屬于底盤(pán)系統(tǒng)。核心作用有二：第一，傳遞車(chē)輪車(chē)架之間的力和力矩，如支撐力、制動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力；第二，緩和不平路面對(duì)車(chē)架的載荷沖擊、衰減由載荷沖擊引起的承載系統(tǒng)振動(dòng)，保證汽車(chē)操縱穩(wěn)定性，使汽車(chē)獲得高速行駛的能力。組成結(jié)構(gòu)包含三大部分：彈性元件，即彈簧，減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

懸架系統(tǒng)的工作路徑是：路面不平?jīng)_擊車(chē)輪，車(chē)輪載荷沖擊彈性元件，彈性元件接收沖擊后產(chǎn)生振動(dòng)，減振器將這些振動(dòng)衰減后傳遞至導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)將衰減后振動(dòng)產(chǎn)生的力矩輸送至車(chē)架，同時(shí)對(duì)車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行定量控制。

以懸架系統(tǒng)彈簧剛度和減振器阻尼比這兩個(gè)參數(shù)是否可調(diào)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，懸架系統(tǒng)可分為三類(lèi)：第一，被動(dòng)懸架，彈簧剛度和減振器阻尼比均為固定數(shù)值，不可調(diào)整；第二，半主動(dòng)懸架，彈簧剛度不可調(diào)，減振器阻尼比可調(diào)，比如常見(jiàn)的螺旋彈簧+電磁減震器（CDC、MRC）；第三，主動(dòng)懸架，剛度和阻尼均可調(diào)，今年一直處于輿論風(fēng)口浪尖的空氣懸架，就是由空氣彈簧+可變阻尼減振器組合而成的典型主動(dòng)懸架。

傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)在車(chē)輛于崎嶇不平的道路上行駛或變速時(shí)，彈性元件會(huì)被壓縮和拉伸，過(guò)程中將產(chǎn)生振動(dòng)能量，這部分能量經(jīng)由減振器以熱能的形式耗散開(kāi)去，既沒(méi)有存儲(chǔ)，也沒(méi)有轉(zhuǎn)化，就更別提二次利用了。

對(duì)燃油車(chē)來(lái)說(shuō)，這些微不足道能量浪費(fèi)帶來(lái)的續(xù)航折損，完全不會(huì)引起駕駛者的注意，畢竟加油站隨處可見(jiàn)，花個(gè)十五分鐘灌注進(jìn)一箱汽油或柴油，車(chē)就續(xù)上命了。

但對(duì)純電車(chē)來(lái)說(shuō)，續(xù)航里程依然是困擾大多數(shù)人的首要煩惱，會(huì)導(dǎo)致駕駛者精神上的不安。解決這種不安有兩條路徑：第一，側(cè)重外部因素，比如快充、超充、換電等；第二，側(cè)重內(nèi)部因素，注重回收浪費(fèi)的能量，包括制動(dòng)能量、振動(dòng)能量等。一個(gè)典型且為人熟知的應(yīng)用案例是利用車(chē)頂太陽(yáng)能板打造的車(chē)載綜合光伏能量循環(huán)系統(tǒng)，另一個(gè)就是2005年首次出現(xiàn)的能量回收減振器（Regenerative Shock Absorber）。

在過(guò)去十多年間的研究中，能量回收懸架最終形成了三種主流設(shè)計(jì)思路：線性設(shè)計(jì)、雙向旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)和單向旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)。

線性設(shè)計(jì)是利用磁線線圈直接發(fā)電的線性電磁能量回收懸架，優(yōu)點(diǎn)是是能量回收效率高，缺點(diǎn)是阻尼系數(shù)較小，無(wú)法滿(mǎn)足汽車(chē)日常行駛過(guò)程中的減振要求。比如有一套實(shí)驗(yàn)室線性振動(dòng)能量收集器的效率高達(dá)70-78%，但短路條件下的最大阻尼系數(shù)只有940N·s/m。一個(gè)可供參考的數(shù)據(jù)是：一臺(tái)整備質(zhì)量700公斤微型純電車(chē)，前懸架的壓縮阻尼大概是650N·s/m，伸張阻尼是2175N·s/m，后懸架的壓縮阻尼是604N·s/m，伸張阻尼是2013N·s/m。

雙向旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)是利用齒輪齒條、滾珠絲杠等機(jī)械結(jié)構(gòu)，將不規(guī)則往復(fù)線性振蕩轉(zhuǎn)化為雙向高速旋轉(zhuǎn)，從而補(bǔ)強(qiáng)短板，增加阻尼系數(shù)。一間澳洲懸架實(shí)驗(yàn)室曾交付過(guò)一個(gè)吸收效率在41%到81%之間，阻尼系數(shù)在 3200到7400 N·s/m 之間的能量回收懸架。

最后是單向旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，即將不規(guī)則的往復(fù)直線振動(dòng)轉(zhuǎn)化為單向旋轉(zhuǎn)，這類(lèi)發(fā)電機(jī)始終沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，與第二類(lèi)相比，提高了能量收集系統(tǒng)的效率并減少了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)之間的反沖，結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，一對(duì)齒輪齒條加超級(jí)電容器就齊活兒了。單向旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)能提供合理的阻尼系數(shù)，可以延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)壽命，唯一的缺憾就是能量回收效率不夠高，平均效率約為40%。對(duì)長(zhǎng)期長(zhǎng)途行駛的重型卡車(chē)來(lái)說(shuō)，這樣的效率還說(shuō)得過(guò)去，但對(duì)日常行駛距離短且車(chē)身較輕的乘用車(chē)來(lái)說(shuō)，就顯得有些“食之無(wú)味，棄之可棄”。

以目前的技術(shù)水平出發(fā)，單向旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)無(wú)疑最能力最均衡的解法。一套常見(jiàn)的能量回收懸架會(huì)由四個(gè)主要模塊組成：懸架振動(dòng)輸入模塊、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊、發(fā)電機(jī)模塊和電力存儲(chǔ)模塊。

與常規(guī)懸架結(jié)構(gòu)一樣類(lèi)似，具備能量回收能力的減振器被安裝在懸架內(nèi)部，懸架振動(dòng)輸入模塊分為上缸、中缸和下缸，上氣缸固定在車(chē)架上，下氣缸安裝在底盤(pán)上。懸架振動(dòng)時(shí)，直線位移發(fā)生在上缸和中缸之間，中缸通過(guò)螺栓連接到下缸。內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)和發(fā)電機(jī)的阻尼力負(fù)責(zé)衰減車(chē)身振動(dòng)。路面不平是導(dǎo)致懸架振動(dòng)的主要因素，因此，懸架振動(dòng)輸入主要受路面不平度和速度變化的影響。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊負(fù)責(zé)聯(lián)動(dòng)懸架振動(dòng)輸入模塊和發(fā)生器模塊，是能量回收減振器的核心組件，振動(dòng)輸入模塊中引起的往復(fù)振動(dòng)被傳遞到上缸和中缸，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊將氣缸之間的往復(fù)直線振動(dòng)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)軸的單向旋轉(zhuǎn)。

發(fā)電機(jī)模塊比較簡(jiǎn)單，通過(guò)圓板固定在下筒體內(nèi)。綜合考慮減振器的體積和效率限制，體積小、轉(zhuǎn)子慣量小的直流無(wú)刷電機(jī)是相對(duì)合理的選擇。

儲(chǔ)能模塊是個(gè)難題。因?yàn)閼壹苷駝?dòng)的幅度和頻率直接決定了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而懸架振動(dòng)的幅度和頻率又與道路平坦度和速度變化強(qiáng)相關(guān)，高度不規(guī)則性讓發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷變化，因此，發(fā)電機(jī)輸出的電流不穩(wěn)定且不規(guī)則。必須需要采用整流器和帶穩(wěn)壓器的超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能系統(tǒng)，超級(jí)電容器功率密度高、充電時(shí)間短和循環(huán)壽命長(zhǎng)的三大特點(diǎn)，非常適合純電車(chē)。

所以，一套單項(xiàng)旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的能量回收懸架是這樣工作的：當(dāng)車(chē)輛駛過(guò)不平路面或變速時(shí)，兩個(gè)氣缸的往復(fù)線性振動(dòng)輸入減振器，內(nèi)部螺母通過(guò)桿向下或向上運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊利用一對(duì)不同旋轉(zhuǎn)方向和螺距的機(jī)構(gòu)，將往復(fù)振動(dòng)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)軸的單向旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)模塊將單向旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)在超級(jí)電容器的儲(chǔ)能模塊中，用于為純電車(chē)低功率系統(tǒng)供電或提高續(xù)航。

不過(guò)，寶馬的這套專(zhuān)利設(shè)計(jì)精妙在于加入了防傾桿的思路，即首先將發(fā)電機(jī)組安裝在底盤(pán)上，隨后通過(guò)類(lèi)防傾桿結(jié)構(gòu)，將帶有一個(gè)小飛輪和一個(gè)單向離合器的輸入端制動(dòng)器連接到懸架彈簧，當(dāng)彈簧壓縮時(shí)，防傾桿向一個(gè)方向扭轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)飛輪。彈簧減壓時(shí)，釋放壓縮沖程中儲(chǔ)存的能量，防傾桿另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，使致飛輪向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)小型齒輪箱驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，最后將電能輸入電池。

只要車(chē)不停，懸架就在不斷工作，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)逐漸加快，產(chǎn)生的電能也會(huì)逐漸增加。在沒(méi)有制動(dòng)和再加速的情況下，僅憑車(chē)輛正常行駛產(chǎn)生的振動(dòng)就可以獲得額外的電能補(bǔ)充，不得不說(shuō)是一項(xiàng)看起來(lái)大面積應(yīng)用前景廣闊的技術(shù)。

我怎么還沒(méi)用上

從時(shí)間線上看，能量回收減振器的技術(shù)理念早在2005年就被提出，照道理小20年過(guò)去了，現(xiàn)在的汽車(chē)應(yīng)該早就出廠自帶RSA了。

但現(xiàn)實(shí)是，除了一家名為Gig Performance的美國(guó)公司今年對(duì)外釋放過(guò)“Roadkil 5000”能量回收懸架技術(shù)外，再?zèng)]有第二家公司進(jìn)行過(guò)線下實(shí)體展示。

遲遲不能走入尋常百姓家的背后，是能量回收懸架技術(shù)在量產(chǎn)前尚未越過(guò)的三座大山：

第一，汽車(chē)制造業(yè)始終遵循的原則是“若無(wú)必要，勿增實(shí)體”。在原有懸架系統(tǒng)足以應(yīng)付絕大多數(shù)用戶(hù)的需求的情況下，為了實(shí)現(xiàn)“懸架發(fā)電”的新功能，加入新零件新增的前期成本和后期維護(hù)費(fèi)用，用戶(hù)未必愿意買(mǎi)單；

第二，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，可靠性越難保證?！皨赡邸钡碾姍C(jī)會(huì)不會(huì)在耐久度上拖整個(gè)懸架系統(tǒng)的后腿還是未知數(shù)，畢竟懸架系統(tǒng)長(zhǎng)期持續(xù)振動(dòng)，且工作環(huán)境相當(dāng)惡劣；

第三，能量回收懸架應(yīng)用后，到底能為一臺(tái)純電車(chē)增加多少續(xù)航。根據(jù)2010年的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，在崎嶇不平的道路上每行駛 100 英里，能量回收懸架可增加約 1 英里續(xù)航，這樣的效率似乎很難讓汽車(chē)公司提起興趣?；ù箦X(qián)改造懸架，還不如外掛加裝一個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)輪罩來(lái)得實(shí)惠。

寫(xiě)在最后

太多的不確定性，讓除了寶馬以外的各大知名汽車(chē)公司，都對(duì)能量回收懸架這項(xiàng)技術(shù)抱持著謹(jǐn)慎觀望的態(tài)度，即便是寶馬，也只是在申請(qǐng)專(zhuān)利的初級(jí)階段。

不過(guò)，像能量回收懸架這樣細(xì)顆粒度、專(zhuān)為提升續(xù)航而生的技術(shù)問(wèn)世的越多，純電車(chē)主的體面就能來(lái)得越早，畢竟能多續(xù)一公里，是一公里。

其實(shí)，筆者有個(gè)比能量回收懸架更巧妙且更容易落地的想法：在除駕駛員的其它四個(gè)座位下方安裝發(fā)電腳踏板，蹬著蹬著續(xù)航就增加了，身體還得到了鍛煉，可謂一舉N得之妙方。

關(guān)鍵詞：