车辆主动悬架的能量需求分析与设计

车辆主动悬架的能量需求分析与设计

0振动能量的回收尽管积极驾驶可以显著提高车辆的整体性能，但高能耗一直是限制其在市场上受欢迎的主要原因之一。其实,振动也是一种能量。当车辆行驶时,由不平路面激励引起的振动能量一直未被重视及利用,通常主要由车辆悬架减振器将其转化为热能耗散掉。如果能对这些有害的振动能量加以回收,并将其转化为车辆直接可利用的能量形式(如电能等),则可减小主动悬架的能耗,使车辆在提高行驶平顺性的同时减少运行成本。因此,如何回收和利用不平路面行驶车辆的振动能,并有效地应用于主动悬架系统是本文的研究目的。近十年来,一些国家,尤其是日本的学者开始研究振动能量回收式悬架,并发表了相关论文。Noritsugu本文将在对主动及被动悬架能耗估算的基础上,就振动能量的回收方法进行探讨。然后,提出一种可实现振动能量回收的新型主动悬架,即馈能式电动主动悬架,并就其结构及工作原理进行介绍。1主框架和被动框架之间的能耗估算1.1主动悬架系统的动力学建模为了方便分析被动悬架及主动悬架对车辆行驶动力学(主要指垂直振动)性能的影响根据牛顿定律,可得被动悬架系统的运动方程如下:由图1可见,主动悬架系统采用一个作动器来取代传统被动悬架中的减振器。作动器通常为液动或气动形式,根据控制信号来产生相应大小的作用力,从而实现根据不同工况下的最佳行驶性能,包括乘坐舒适性、车身姿态及轮胎附着性能。同样,根据牛顿定律可得主动悬架系统的运动方程如下:其中:U—主动悬架控制力这里,采用一个滤波白噪声作为路面输入模型,即:式中:xGUw——均值为零的高斯白噪声;f将式(1)、式(2)分别与式(3)结合,即分别得到被动系统和主动系统在路面不平度激励下的系统空间状态方程。这里以主动悬架系统为例,可得:式中:X(t)——系统状态矢量W(t)—高斯白噪声输入矩阵,W(t)=[w(t)];U(t)—控制输入矩阵。采用最优线性二次控制器LQR设计主动悬架。在车辆悬架设计中,主要的性能指标通常是:①代表乘坐舒适性的车身加速度其中,q当车辆参数值和加权系数值确定后,最优控制反馈增益矩阵K即可由黎卡提方程求出,由此得出t时刻作动器的最优控制力U(t),即:1.2能耗的仿真分析在建立被动悬架与主动悬架模型基础上,就可方便地考察悬架在隔离不平路面激励下系统的能量消耗。被动悬架系统中,假定系统的振动能量均由减振器以热能形式耗散掉,则其能耗P应为阻尼力乘以悬架相对位移,即:对采用LQR方法设计的最优主动悬架,其总能量需求为最优控制力U(t)所作的正功,即:根据表1所列的某轿车的后悬架模型参数及建立的主动与被动系统模型,就可在不同行驶工况下进行车辆行驶性能仿真并考察能耗情况。本文中以表2所列的行驶工况及表3所选择的控制器设计参数为例进行仿真试验,得出仿真结果见表4。由表4可见,当系统在C级路面上以20m/s的车速行驶20s时,被动悬架系统通过减振器耗散了651kJ的振动能量。而主动悬架虽然充分利用所允许的悬架工作空间进行隔振,明显改善了行驶平顺性(车身的垂向振动加速度均方根值较被动悬架减少了近50%),但需要输入的主动控制能量高达645kJ。如果能将不平路面输入的振动机械能有效地利用,主动系统的能耗有可能大幅降低。2蓄能器系统的缺陷由于车辆悬架系统的结构空间限制及由不平路面激励引起的振动特性所限,较为可行的振动能量回收方法是将振动机械能转化为液压势能或是电化学能。实际应用的一些主动悬架系统(如空气悬架和油气悬架),本质上是液压或气动系统,在工作过程中其实已将振动机械能转化为压力势能存储于蓄能器中,需要时则由蓄能器输出能量。然而,这些系统基本上都采用了减振器,阻尼力由阀体节流产生,因此仍有部分振动能量以摩擦的方式耗散掉(其典型的能耗值见上节的计算)。此外,液压系统在工作过程中,不可避免地还伴随其他摩擦和热损失。尽管液压系统有着工作稳定的优点,但其密封性能及元件制造要求精度高,成本昂贵,需增加油源、蓄能器、管路等附加重量。与液气蓄能相比,电化学蓄能方式具有结构简单、操作方便、可靠性好、能量回收利用率高等优点,是一种具有发展前途的方案。此外,大多数电机具有电磁感应力与转速成正比的特性,如工作于发电机模式,则可进行能量回收,且可在回收振动能量的同时产生阻尼力。对于混合动力车或是电动车,可利用原有的车载蓄电池作为蓄能介质,因而额外的附加重量可大大减少。而且,电气系统的响应快、精度高,有利于应用主动悬架的实时控制算法,提高车辆的悬架性能。3馈能式电动主动悬架的工作原理及特点为了能既有效隔离不平路面激励引起的振动,又尽可能多地将振动能量加以回收利用,本文采用电化学蓄能方法,并提出了新型的振动能量可回收式悬架——馈能式电动主动悬架。馈能式电动主动悬架能量流如图2所示,它可通过电机的转动将部分振动能量转化为电能存储在电容或蓄电池等蓄能介质中;然后在需要时由蓄能介质输出电能,用于悬架的主动控制(也可用于车辆其他电气设备的运行)。由于馈能式电动主动悬架充分利用电机电磁感应力与转速成正比的特性,在提供阻尼力抑制不平路面激励引起的车身振动的同时,将振动机械能转化为电能存储于蓄电介质以备再利用,从而最大程度地回收由不平路面激励引起的振动能量,提高了振动能量回收率。该电动主动悬架的结构方案设计可由一个单轮模型(二自由度的1/4车体模型)来说明,具体见图3。它由:簧上质量(或车身)、簧下质量(或车轮)、悬架弹簧、电机作动器、驱动及蓄能电路、微处理器、悬架动挠度传感器、车载电源电路等部分组成,其中:悬架弹簧、电机作动器和悬架动挠度传感器并联安装在车身与车轮间。其工作原理是:将悬架动挠度传感器所得编码信号和电机转子位置传感器所得脉冲信号输入微处理器,经无刷电机换相逻辑、电磁蓄能控制算法和主动悬架控制律处理后,通过驱动及蓄能电路和车载电源电路,实时控制电机作动器的电动、反接制动或再生制动状态,以主动地缓冲和衰减由路面不平激励引起的、由车轮传导至车身的冲击和振动,同时还将再生制动电能回收再利用。作动器的设计采用永磁直流无刷力矩电机并结合滚珠丝杠机构作为馈能式电动主动悬架的执行器。它的特点是:1)可使系统体积减小,推力增大,工作效率增高;2)可实现无刷无接触无间隙运行,系统响应快;3)控制精度高,容易实现精密的位移、速度和加速度控制;4)抗振动冲击,抗污染,适应性强,工作稳定可靠;5)可长时间堵转工作,传动比易于调节;6)运用电磁蓄能原理,根据预先选定的控制律,由控制器实时控制电磁作动器的工作状态(供电、蓄电、短路或断路),并将振动机械能转换为电能,以降低主动悬架的系统能耗。馈能式电动主动悬架将采用复合蓄能装置,即将蓄电池与蓄能电容组合使用。蓄电池的优点是能量密度高、电极电压一般不随充电量不同而改变;但其缺点是功率密度较低、充电速度慢、效率较低、寿命较短、低温性差。而蓄能电容虽然能量密度较低、电极电压随充电量增大而升高,但具有很高的功率密度,能在瞬时提供很大的电流和功率,并具有充放电快(电容量越小,充放电速度越快)、效率高、寿命长、低温性好等优点。将作动器回收所得的电能快速大功率储存于蓄能电容中,然后缓冲释放再生能量于蓄电池,可避免蓄电池以较大的瞬间峰值电流充放电,从而显著提高驱动及蓄能效率,且大大延长蓄电池的使用寿命。通过结合新型的电动悬架作动器及高效蓄能电路,馈能式电动主动悬架可比液气式主动悬架回收更多的振动机械能,从而提高了能量回收率,降低了主动悬架对能量输入的需求。而且,该悬架系统附加重量较液气系统有所减小,响应速度快,执行精度高。此外,未来电动车的能源管理系统(如42V电源)及电动车零部件控制所呈现的电动化趋势可能会更适合电动主动悬架的实施。因此,作为一种新型的主动悬架形式,馈能式电动主动悬架有很好的市场应用潜力。4能量回收和主动悬架系统监测方法的确定所提出的馈能式电动主动悬架可部分回收不平路面激励所带来的振动能量,从而减少能耗,对车辆主动