汽车悬架同步振动抑制与能量收集综述与展望

悬架是汽车中的核心关键部件,具有承载和减振的双重功能。传统的悬架系统采用黏性液体或干摩擦阻尼器将振动能量转化为热量耗散出去实现减振,造成能量浪费,这尤其对新能源汽车不利。近十年来,既能抑制振动又能收集电能的新型悬架系统受到了高度关注和广泛研究。为了全面掌握汽车悬架同步振动抑制与能量收集技术领域的最新进展,回顾汽车悬架的发展历程,总结汽车悬架从路面激励中可收集的振动能量,重点梳理汽车能量回收悬架技术研究现状,探讨当前面临的技术挑战并对未来发展方向进行了展望。该研究有助于国内同行快速准确地掌握本领域的技术现状,有望为国内新型汽车悬架技术的发展提供重要参考。

非线性接口电路对双稳态压电能量收集器性能提升的仿真研究

采用谐波平衡法仿真分析非线性双稳态压电振动能量收集装置(Bistable Energy Harvester,BEH)与双同步开关收集(Double Synchronized Switch Harvesting,DSSH)电路之间的非线性机电耦合情况。研究结果表明,在上扫频激励的条件下,BEH耦合DSSH电路相较于耦合标准接口电路(Standard Energy Harvesting,SEH)的最优输出功率和工作带宽分别提高了391.1%和14.9%;在6 m/s^(2)的定频激励下,BEH耦合DSSH电路比耦合SEH电路的最优输出功率提高了344.8%,且与负载无关。

一种无源同步开关压电能量收集电路研究

在压电能量收集接口电路中,并联开关同步电感电路在开关断开后电感上所剩余磁能并未得到有效利用。为了克服上述问题,提出一种改进的并联同步开关电感电路,以倍压整流电路取代并联同步开关电感电路中的全桥整流电路,一方面减少整流电路耗能,另一方面在开关过程中构建新的振荡回路,将电感上存储磁能转化成电能传递至负载。再利用无源峰值检测开关电路,降低开关控制电路耗能。仿真及实验结果表明,该电路输出功率为传统并联同步开关电感电路输出功率的130%、为经典电路输出功率的9.6倍。同时,该电路中开关电路耗能仅占所采集能量的12%,可以实现能量自给。

大负载高功率振动能量收集同步整流方法

针对振动能量收集电路整流二极管损耗大、非线性电路控制复杂以及优化负载不高的问题,提出了大负载高功率振动能量收集同步整流与电荷提取方法。通过同步电感翻转电压提高整流电压,采用短时能量提取缩短整流器件导通时间,减小能量损耗,实现高功率能量收集。基于压电等效模型设计了自供电同步整流与电荷提取电路(self-powered synchronous rectification and electric charge extraction,简称SP-SREE),对一个振动周期电路各工作阶段进行分析,推导出SP-SREE电路理论收集功率,并对电路进行功能测试和负载功率特性测试。理论分析与实验对比表明,所提出的方法在大负载下具有更高的收集功率,可为机械振动无线传感器网络等能源受限场景下自供电提供重要参考。

一种非线性宽频压电能量收集系统的动力学特性分析

提出了一种基于同步开关电路的非线性宽频压电能量收集器,并利用高阶谐波平衡法对能量收集系统的频域响应、能量输出功率及其影响因素等内容展开了理论研究,同时利用Hill法对系统的稳定性进行了分析。研究结果表明在基于同步开关电路的能量收集系统中引入副梁,可以大大拓宽能量收集系统工作频带;适当减小同步开关电路的电容比,虽然会降低能量收集系统在共振峰附近的能量收集能力,但可以拓宽系统的工作带宽;能量收集系统的工作带宽随副梁与质量块间初始间隙的减小以及副梁刚度的增大而拓宽,可根据振动能量源频率带宽及能量的频域分布规律,对系统关键参数进行匹配设计,以获得更好的能量收集效果。

一种压电振动能量回收电路

为了提高压电式振动能量回收系统的能量回收能力和解决在负载变化使能量回收效率变差的问题,以悬臂梁式压电振动发电系统为例,提出了一种高效的压电振动能量收集电路设计方案,即并联型双同步开关电感接口电路,可将压电梁转换振动能量得到的电能高效地储存到电容中。实验结果表明,压电梁在频率为38.4Hz、加速度有效值为0.035m/s2振动激励下工作时,给出的并联双同步开关能量回收(P-DSSH)接口电路可释放的瞬时功率达0.25mW,是全桥整流接口电路(SEH)最优功率的5.8倍,是并联同步开关电感(P-SSHI)接口电路可释放的瞬时功率的2.2倍,是LTC3588-1电路可释放的瞬时功率的1.27倍,且其工作不受负载变化的影响。

基于反激变压器的压电振动能量双向操控技术

压电材料因其具有良好的机电耦合特性,在振动能量俘获和结构振动控制领域有着良好的应用前景.基于同步开关和电感的压电元件接口控制电路,可以通过振荡电路工作原理调节压电元件的电压幅值和相位,优化压电振动系统的机电能量转化.优化型同步电荷提取技术即基于上述接口控制电路实现了压电振动能到电能的高效转换.本文提出了一种衍生于优化型同步电荷提取电路的压电阻尼半主动控制电路,借鉴反激变压器的原、副边能量转换特性,实现了压电振动控制系统从电能到机械能的能量操控,进而达到结构振动抑制的效果.至此,结合了压电电荷能提取与压电阻尼半主动控制技术的新电路,以反激变压器为核心实现了压电振动能量的双向操纵.论文首先介绍了相应的控制电路及工作原理,推导了新型同步开关阻尼技术下的结构的振动阻尼比模型,搭建了压电悬臂梁振动控制实验平台,最终通过实验验证了理论模型,并使用更简单的控制方法解决了振动控制系统的稳定性问题.

基于正逆压电效应的高能效振动半主动控制方法

基于同步开关阻尼(Synchronous Switch Damping,SSD)技术的压电振动半主动控制方法主要利用控制电路中的同步开关和等效LC振荡电路,实现压电电压的同步翻转,使得压电驱动力始终和结构振动速度同相位,用较低的能耗高效地抑制结构振动。然而常见的压电驱动元件如压电叠堆、压电纤维复合材料等,其允许工作电压变化范围是不对称的,采用对称翻转的SSD技术难以充分利用压电元件的机电转化性能。提出了一种基于双向压电效应的SSD技术,通过对压电电压上翻时注能、下翻时吸能的操作,最大化控制系统能效,并充分匹配压电元件的机电转化潜能。介绍了所提SSD方法的工作原理,推导了非对称翻转条件下结构的振动衰减模型,实现了非对称翻转SSD控制电路,并通过实验进行了验证。研究结果表明,所提SSD方法可以通过控制注能开关占空比及吸能电路等效负载自适应地调节压电电压的上、下翻转因子,最终实现高能效的结构振动衰减效果。

高速列车制动界面摩擦自激振动抑制及能量收集

针对高速列车制动系统普遍存在摩擦振动噪声问题,尝试安装压电悬臂梁以实现摩擦自激振动的抑制和振动能量的收集。为此,在自行研制的高速列车制动性能模拟试验装置开展试验,并基于该试验装置开展有限元仿真分析,以及建立数值仿真分析模型,讨论压电悬臂梁对制动系统摩擦自激振动及输出电压特性的影响。结果表明,安装合适的压电悬臂梁能够有效减小制动系统复特征值实部,实现制动系统摩擦自激振动的抑制,并将制动系统的高频摩擦自激振动能量转换为电能输出;安装压电悬臂梁有利于减少制动系统频率成份,从而优化其频率特性,但未显著改变制动系统的不稳定振动的频率和振型;合适的压电陶瓷参数对制动系统模态耦合特性以及不稳定振动强度未存在显著影响;输出电压大小与外部激励幅值呈正相关关系,由于高速列车制动系统能够产生高强度的摩擦自激振动,使得压电悬臂梁产生较大的电压输出。

基于三明治阻尼结构的高速列车制动摩擦振动噪声抑制

针对高速列车制动系统在列车低运行速度、强制动盘/片摩擦作用时存在的制动尖叫噪声问题,设计了一种三明治阻尼结构以实现制动尖叫噪声的抑制以及摩擦自激振动能量的收集。在自主研制的高速列车制动性能模拟试验台上开展制动摩擦学试验,并基于该试验装置开展摩擦块磨损及瞬态动力学分析,研究三明治阻尼结构对摩擦块表面磨损、制动界面接触及制动系统动力学行为和输出电压特性的影响。结果表明,三明治阻尼结构能够有效抑制制动摩擦振动噪声并显著影响其产生和演变,且依托自身良好的变形能力将制动摩擦振动能量转换为电能;三明治阻尼结构能够显著减小摩擦块的偏磨角度,改善摩擦块表面摩擦磨损特性和制动界面接触行为,减少制动摩擦热的产生和聚集;三明治阻尼结构良好的弹性变形能力可实现制动盘与摩擦块接触状态的实时调整,进而建立稳定的界面接触关系,使得摩擦块表面均匀磨损且整体处于滑动摩擦状态,最终实现了制动系统摩擦自激振动的有效抑制。

空间太阳能发电卫星的几个理论与关键技术问题

本文较为系统地阐述了发展空间太阳能发电卫星(space solar power satellite, SSPS)的几个问题.首先,论述了发展SSPS对世界人类从根本上解决能源危机,尤其是对我国生存与发展的极端重要性.其次,对聚光与非聚光两大类空间太阳能发电卫星的几个典型设计方案,从功质比(即单位质量所产生的电能)指标、工程实现、可靠性等方面,分析了它们的优缺点.再者,对作者团队2014年提出的SSPS-OMEGA方案的近期研究进展作了较为详细的讨论.最后,就本领域近期进展与未来需注意的几个理论与技术问题,提出了相应的观点.