江苏龙网

  1. 首页 > 生活 > >

底盘|面向新能源汽车的悬架振动能量回收在线控制方法


作者 | 郜浩楠, 徐俊, 蒲晓晖, 李士盈, 梅雪松
来源 | 《西安交通大学学报》
近年来,能源和环境问题正变得日益严峻,新能源汽车及汽车节能技术在世界范围内成为研究的焦点 。 汽车悬架系统用于衰减由路面不平度引起的车身振动和轮胎形变,保证汽车操纵稳定性的同时提升乘坐舒适性 。 目前,油液式阻尼器在汽车悬架中应用较为广泛,该种阻尼器以结构简单、成本低廉、可靠性高的优点受到广大汽车厂商的青睐 。
但是, 油液式阻尼器存在以下两个缺点:
①阻尼系数不可调,难以适应复杂的道路状况;
②车身振动能量通过阻尼器油液转化为热能散失,油液的温升会造成阻尼器可靠性降低,同时也造成了振动能量的浪费,这部分能量约占汽车驱动能量的17.2% 。 如果将这部分能量回收,能够在一定程度上提高燃油经济性 。
采用电磁阻尼器(EMD)的电磁馈能式悬架系统可以很好地解决传统油液式阻尼器的两个缺点 。 电磁馈能式悬架利用电磁感应原理,将悬架的拉伸和压缩运动转化为切割磁感线运动,从而产生感应电势,实现振动能量向电能的转化并且能够根据路面的实际状况,通过控制器调节电磁阻尼器负载实现阻尼系数的调节 。 近年来,众多学者对电磁馈能式悬架展开了深入的研究,提出了多种阻尼器结构和控制方式 。 电磁阻尼器主要包括磁流变式和馈能电机式,使用较多的是磁流变式阻尼器,其控制方式虽然简单,但由于磁流变液的控制复杂以及成本问题而无法进行推广 。 使用电机作为阻尼作动器有利于能量回收,Maravandi团队基于旋转电机设计的传动机构可减小阻尼器尺寸并提升传递效率,然而其可靠性难以保证 。 基于旋转电机旋转式阻尼器的主动控制方法可调节电机输出扭矩,通过传动机构转化为抑制车身振动的作用力,但其控制方法较为复杂,且能耗较高 。 西安交通大学许广灿等人基于滚珠丝杠式阻尼器,通过仿真和台架实验分析了随机路面激励下馈能悬架能量回收潜力和阻尼调节特性,但对于阻尼控制方法没有进行优化设计 。 Ning等人使用可调电阻的阻尼调节方法能够以较低能耗和成本实现阻尼器阻尼系数的调节,一定程度上提高了悬架性能,但其无法实现阻尼连续调节及振动能量的回收 。 基于DC-DC变换器的阻尼调节电路可实现阻尼连续调节,响应速度快且能耗低,但未考虑电能储存及加入储能装置给系统带来的影响 。
为了解决电磁阻尼器阻尼调节和能量回收的问题,本文基于直流电机和滚珠丝杠机构设计了电磁阻尼作动器,使用DC-DC变换器实现阻尼闭环调节,采用电池包完成能量存储 。 通过仿真和实验分析了电磁阻尼器的输出端特性,包括其能量回收性能及阻尼调节表现,最后在正弦激励的台架实验下验证了所设计的电磁阻尼器的减振及馈能效果 。
1 电磁悬架系统模型
基于旋转电机的电磁阻尼器由直流电机和滚珠丝杠副组成,其动力学模型和结构如图1所示,电机电磁转矩为阻尼器输出力的来源,滚珠丝杠副实现阻尼器直线运动和电机轴旋转运动的转换,同时将电机转矩转化为阻尼器输出力 。 功率电路在控制器输出信号驱动下实现对电机输出端控制,完成阻尼调节 。
图1 电磁阻尼器模型
该阻尼器应用在实车上如图2所示,汽车行驶过程中路面不平度会引起车身和底盘的相对运动,阻尼器输出力可抑制该相对运动,阻尼力Fd可表示为
(1)
式中:l表示滚珠丝杠导程,m;Tem表示电磁阻尼器的电磁转矩输出,N·m 。
图2 电磁悬架系统示意图
悬架系统的微分方程可以表示为
(2)
式中:ms和mu为车身质量和底盘质量,kg;k1和k2分别为悬架弹簧刚度和车轮刚度,N/m;xs和xu分别为车身和底盘的位移,m;xg为路面不平度激励,m 。 结合式(1)可得
(3)
式中:ceq为阻尼器的直线阻尼系数,N·s/m;v为车身底盘之间的相对运动速度,m/s,v与电机转速ω的关系可表示为
(4)
其中,ω为电机转速,rad/s 。 结合式(3)和(4),可得阻尼器直线阻尼系数为


推荐阅读


上一篇：鲁豫有约|能探墓，会做菜，他是史上最全能胖子？

下一篇：丰田|男人就应该选择大气的威兰达