A Review of Electromagnetic Energy Regenerative Suspension System&Key Technologies

The active suspension has undoubtedly improved the performance of the vehicle,however,the trend of“lowcarbonization,intelligence,and informationization”in the automotive industry has put forward higher and more urgent requirements for the suspension system.The automotive industry and researchers favor active energy regeneration suspension technology with safety,comfort,and high energy regenerative efficiency.In this paper,we review the research progress of the structure form,optimization method,and control strategy of electromagnetic energy regenerative suspension.Specifically,comparing the pros and cons of the existing technology in solving the contradiction between dynamic performance and energy regeneration.In addition,the development trend of electromagnetic energy regenerative suspension in the field of structure form,optimization method,and control technology prospects.

工程车辆直线电机馈能悬架能量回收分析与参数优化

目的为了回收工程车辆在行驶过程中由于路面不平度引起的车身振动能量,同时解决馈能悬架系统的动力学性能和馈能性能不协调问题,方法首先,提出一种直线电机与减振器并联的馈能悬架系统结构,通过建立馈能悬架系统的二自由度动力学模型,利用天棚控制提高车辆的平顺性;其次,以悬架减振器阻尼作为优化设计变量,结合直线电机式馈能悬架的馈能性能、平顺性和安全性建立优化目标函数,采用遗传算法控制策略对馈能悬架的馈能性能进行优化,以获得全局最优解,解决馈能悬架的平顺性和馈能性能的协调问题;最后,通过MATLAB/Simulink对馈能悬架系统性能进行仿真。结果仿真结果表明:与被动悬架相比,天棚控制下的馈能悬架车身加速度、轮胎动载荷、悬架动行程均方根值分别减小25.40%,17.76%和32.58%;利用遗传算法对馈能悬架的动力性能和馈能协调性能优化,优化后馈能悬架的动力学性能相比优化前有一定恶化,但与被动悬架的动力学性能相比提高显著,而蓄电池平均回收能量提高了15.22%,馈能性能提高显著。结论本文提出的直线电机和减振器并联结构的馈能悬架系统装置能够回收工程车辆悬架系统的振动能量,采用遗传算法协调控制策略能够兼顾馈能悬架的动力学性能和馈能性能,并使馈能性能得到显著提高。

电磁式馈能悬架系统的建模及控制策略研究

针对悬架主动控制高能耗的问题,研究了双向AC/DC变换器的双波段滞环电流控制器,并提出了一种电磁式馈能悬架半主动控制系统。建立了悬架的机-电耦合模型,基于电流控制器和天棚算法设计了馈能减振控制电路,理论推导了电流控制器的电流波纹系数和开关周期,理论分析和仿真表明其有快速高精度的电流跟踪能力。此外,仿真表明,该耦合模型能描述相对位移、感应电动势和电流随负载电阻变化的合理变化趋势。该半主动控制系统能采集和存储振动能量,并利用存储的能量调节电阻尼力抑制悬架振动,具有低能耗减振特性。

基于液电馈能悬架的车身姿态控制研究

目前大多自动驾驶车辆的转向制动无法实现类人操作,尤其在复杂路况下的连续转向可能导致车身大幅侧倾与俯仰,使乘员产生紧张、眩晕等不舒适感。因此,基于液电式馈能悬架提出一种馈能电路恒流控制方法,实现阻尼力与车身姿态的耦合控制以提高车身稳定性。根据车辆动力学搭建十四自由度整车模型,选取蛇行工况进行仿真分析并完成实车试验。结果表明,液电馈能悬架系统采用恒流控制后比使用传统悬架的车身侧倾角减小32%,俯仰角减小1.67%,显著提高了车身稳定性,验证了所提控制方法的有效性。

馈能式悬架能量回收潜力试验研究

被动悬架通过减振器将车辆振动能量转化为热能散发到空气中以达到车辆减振的目的,而馈能式悬架正是要将这一部分能量回收利用,因此减振器耗散能量的估算对预测馈能式悬架的能量回收潜力具有重要意义。通过建立二自由度悬架模型对悬架动位移、动速度以及可回收能量进行了仿真计算,并通过实车道路试验验证了仿真模型及计算方法的正确性,同时对影响可回收能量大小的各个因素进行了分析,明确了轮胎刚度、路面等级、车速是影响可回收能量的关键因素。通过对可回收能量数值的分析得出,馈能式悬架更适合应用在重载车辆之上,并且可回收能量数量十分可观。

馈能悬架阻尼特性及其影响因素

运用MATLAB/SIMULINK和CARSIM,建立了馈能悬架模型,研究了馈能悬架的空载电压特性。分析了馈能悬架阻尼系数与充电电容和悬架压缩速度的关系。最终得到馈能悬架阻尼特性曲线。结果证明,馈能悬架的阻尼特性可以满足普通乘用车的需要,而且能够在一定程度上回收振动能量。

电动式主动馈能悬架综合性能的协调性优化

针对永磁直流无刷电动机结合滚珠丝杠结构的电动式主动馈能悬架,建立了车辆悬架和控制电路模型,基于电动馈能悬架可回收路面振动能量的特性,进行了馈能悬架动力学性能和馈能效果的协调性分析.利用MATLAB/Simulink软件仿真,分析电机常数k值对悬架动力学性能和馈能效果的影响,并采用功能系数法对k值进行优化,在保证电动悬架馈能效果的同时,显著改善其动力学性能.

基于能量优化的混合馈能悬架阻尼优化设计

为了回收悬架的振动能量,提出了一种弹簧-减振器-直线电机并联的混合式悬架结构。针对直线电机馈能过程存在的死区现象,设计了DC/DC升压电路,以传统被动悬架耗散的能量为基准,得到了同一行驶工况下馈能效率的显式表达,同时,为兼顾系统动力学性能,研究了减振器阻尼对馈能性能和隔振性能的影响规律,并通过折中设计确定了减振器最优阻尼系数,建立了混合馈能悬架动力学模型,进行了其隔振性能和馈能性能的对比仿真分析。结果表明,混合馈能悬架可有效协调车辆馈能性和隔振性。最后,在仿真的基础上,进行了混合馈能悬架的试验研究,试验结果与仿真结果基本吻合,验证了仿真结果的正确性。

混合动力车辆馈能式悬架的节能潜力

传统车辆悬架系统中阻尼元件以摩擦的形式将振动能量转变成热能,最终将这部分热能散发到大气中。阻尼器耗散能量的多少不仅与其摩擦因数有关,还与路面不平度、车速及整车质量密切相关。为了对这部分能量进行回收利用,使用CARSIM仿真软件完成了车辆以不同车速行驶在不同路面上时悬架系统阻尼器的能耗计算。结果证明,在城市工况和路面条件下馈能式悬架有实际应用价值。

车辆馈能悬挂系统滑模控制及能量管理策略研究

针对车辆传统主动悬挂系统高能耗的问题,以半车为研究对象,建立了一种4自由度馈能式悬挂系统;为解决馈能式减振器主动控制与能量回收不能并存的问题,设计了一种新型馈能式减振器,采用其力发生器进行主动控制,同时可用其馈能器回收能量。依据车辆典型行驶条件给出了基于控制执行率的车辆悬挂系统能量管理策略,以综合考虑馈能式悬挂系统的振动控制与能量回收。仿真分析与实车试验分析表明:与被动悬挂系统相比,所建立的基于滑模控制的馈能式悬挂系统的综合性能改善了22.7%,说明了该馈能式悬挂系统振动控制的有效性;依据行驶路面及行驶速度划分3种典型车辆行驶条件可以用来作为控制执行率实施大小的判别条件。

基于混合控制策略的馈能悬架半主动控制

为使馈能悬架在一定范围内实现半主动控制,基于混合控制策略,确定了电机电磁阻尼力的控制算法.探讨了电机不同电磁阻尼力对悬架性能的影响及馈能悬架实现半主动控制的条件.在此基础上,以整车舒适性为目标,采用粒子群优化算法确定了电机阻尼力控制参数,并设计了直接电流控制器,使直线电机产生所需的电磁阻尼力.最后,对采用基于混合控制策略的馈能悬架进行了随机路面激励下的仿真分析.结果表明,优化的电机阻尼力控制参数能使馈能悬架实现半主动控制,显著改善馈能悬架的舒适性和平顺性,并能回收悬架部分振动能量.

馈能悬架变论域模糊控制

根据汽车系统动力学和电机学理论,建立了车辆悬架模型和控制电路模型,将变论域模糊控制应用到电磁馈能式主动悬架,对电路进行PD控制以确保实际控制力与理想控制力的一致性,提出自供能效率作为馈能型主动悬架的评价指标,并进行分析计算.利用MATLAB/Simulink软件仿真,以滤波高斯白噪声为路面输入,结果显示,采用PD控制后的电路,输出的实际主动控制力和理想主动控制力基本一致;采用变论域模糊控制的馈能悬架车辆乘坐舒适性得以提高;且能获得超过11%的自供能效率.

直线电机馈能悬架控制系统设计与馈能分析

为了实现悬架的主动减振及能量回收,将直线电机作为汽车主动悬架的作动器。设计了基于整车的主动悬架控制系统,控制直线电机根据路面激励输出相应主动力,同时根据直线电机的不同模式对其能量进行管理控制。采用七自由度整车模型进行仿真,结果表明所设计的控制系统能有效的改善车辆的舒适性,并且当阻尼系数选择恰当的情况下能够进行能量回馈。

电磁馈能式悬架方案设计与节能分析

电磁馈能式悬架是一种能够回收汽车垂直振动能量的新型悬架系统。阐述了电磁馈能式悬架的工作原理、结构及设计方案,并建立了电磁馈能式悬架模型。运用CARSIM及MATLAB/SIMULINK等仿真软件,分析了电磁馈能式悬架的节能情况。结果表明,电磁馈能式悬架能够在一定程度上回收振动能量。经分析可知,结构阻尼、馈能元件阻尼器及充电电路性能是影响馈能元件能量回收效率的主要因素。

馈能型悬架潜力研究及其敏感性分析

从路面不平度统计特性的理论出发,结合悬架运动传递方程,推导了悬架的能量耗散功率,得出路面等级、车辆行驶速度与悬架能量耗散呈线性关系,并通过数值分析,得出一定条件下车辆悬架能量耗散功率与路面等级的数值关系.提出了仅与悬架运动参数相关的悬架能量耗散因子,并对悬架能量耗散因子进行了敏感性分析,得出在选定的参数范围内,车轮刚度与悬架能量耗散因子成线性关系且近似相等,非簧载质量对悬架能量耗散因子的影响非常小可忽略,而簧载质量、阻尼系数与悬架刚度对悬架能量耗散因子没有影响,最后总结出悬架能量耗散功率的理论模型.

直线电机馈能悬架半主动控制特性的仿真分析

针对被动悬架无法兼顾不同路面乘坐舒适性与行驶安全性,而主动悬架能耗高的问题,提出了一种半主动馈能悬架。首先通过分析馈能回路工作特性,确定了半主动馈能悬架系统中直线电机电磁阻尼力的工作区域;随后采用线性最优控制(LQG)策略,探究了直线电机的最优工作点,分析了半主动控制特性的影响因素;最后根据半主动馈能悬架的控制特性,设计了半主动控制策略,控制效果接近LQG主动控制。同时还分析了不同型号直线电机式半主动馈能悬架的馈能特性,当选定蓄电池端电压为36 V时,车身加速度均方根值较传统被动悬架降低了12.3%,即半主动馈能悬架的乘坐舒适性优于传统被动悬架;而蓄电池的充电功率为20.48 W,馈能效率为44.75%,回馈的能量可用于车辆其他电气设备,从而降低整车能耗。

基于路面激励自适应的液电馈能悬架动力学性能协调控制

针对液电式馈能悬架在被动模式下无法实现车辆全局工况最优,该文以路面激励频率作为切换阈值,设计了一种具有舒适、运动和综合3种模式的液电式馈能悬架,在改善车辆乘坐舒适性及操纵稳定性的同时回馈振动能量。提出了将DC-DC变换器引入悬架馈能电路中,通过实时调节DC-DC变换器中MOS管开关信号占空比以改变液电式馈能减振器阻尼力,并制定了天棚-地棚控制结合模糊PID控制的双环半主动控制方案。仿真结果表明,引入路面频率自适应的液电式馈能悬架相比单一天棚-地棚控制悬架在车身共振区的车身加速度幅值减小22.92%,在车轮共振区的轮胎动载荷幅值减小24.27%,并回收66.70 W振动能量,实现了悬架动力学性能和馈能特性的协调控制。台架试验结果表明,各时段内车身加速度试验与仿真结果峰峰值的相对误差分别为1.36%、15.72%、4.86%和13.6%,轮胎动载荷的相对误差分别为9.34%、13.62%、7.82%和15.47%;各频段内车身加速度试验与仿真结果峰值的相对误差分别为7.55%、10.18%、10.56%、和6.35%,轮胎动载荷的相对误差分别为9.64%、11.72%、10.39%和11.27%。时域和频域的相对误差均在16%之内,验证了仿真结果的正确性和系统的可行性。研究结果可为液电式馈能悬架的产品升级提供参考。

馈能悬挂振动控制及能量回收性能研究

目前馈能悬挂系统未建立起一致的能量回收量化计算准则,无法对各类馈能悬挂进行比较评价。针对这一问题,采用功率流法分析对馈能悬挂不同工作状态下功率的转移流动进行详细分析,并给出悬挂系统各部分功率的量化计算公式,以此建立悬挂馈能能力评价准则。通过仿真试验检验新型馈能悬挂的控制性能及馈能性能,结果表明:与传统馈能悬挂相比,新型馈能悬挂车辆的乘坐舒适性在中高频段有所提高,馈能效率和馈能可行性显著提高,并且可实现悬挂系统的自供能。

馈能型主动悬架LQG控制研究

在MATLAB/simulink环境中建立2自由度1/4电磁馈能式主动悬架的车辆模型,通过调节PI控制器电路的电流,来控制实际输出的主动控制力,然后利用最优控制理论对LQG控制器进行设计,并以高斯白噪声为路面输入,研究了B、C、D级路面下车辆的动力学性能,并分别计算了其馈能效率。由仿真结果可知,采用PI控制器后,电路输出的实际控制力和理想控制力分别为34.57N和34.62N,其差值为0.14%。采用LQG控制的馈能型主动悬架与传统的被动悬架相比,车身加速度、轮胎动位移和悬架动行程3项车辆的动力学指标分别下降超过了41%,22%和7.5%,由此可知,其可以有效改善车辆的形式平顺性和乘坐舒适性。由不同路面下的馈能效率均为22.14%,说明馈能效率与路面等级无关。

少自由度并联机构馈能悬架运动学特性分析

为回收汽车悬架振动能量,提出一种新型少自由度并联机构馈能悬架模型;该并联机构可以将悬架的垂向振动转化为该机构动基座绕z轴的一维转动,以驱动馈能电机回收能量。运用旋量理论对该并联机构的自由度进行分析,根据支链的约束条件,分别应用位姿变换公式和牛顿迭代法建立该并联机构的位置逆解和位置正解约束方程,求得4组实数正逆解。在位置分析基础上,采用一种简单的空间投影方法进行连杆速度的计算;并得到该并联机构动基座旋转周期的一般表达式。最后利用ADAMS进行正弦、阶跃和随机三种输入仿真,验证所建模型的有效性和正确性。