汽车振动能量回收悬架

汽车振动能量回收悬架

近年来，节能已经成为一个非常重要的问题。限制能量耗散的一种可用方法是回收那

局部耗散的能量。实现能量回收的一种最有效的方法是将机械振动转化为储存在蓄电池里

的有用电能，，然后将这局部能量用于驱动传感器或主动系统或辅助电气负载。

这篇文章提出了道路车辆悬架系统能量收集装置的应用。该系统包括一个共振质量阻

尼器，一个线性永磁交流发电机和功率因数可控整流器（电磁振动驱动发电机）。

在研究的第一阶段，道路诱发悬架簧下质量振动的能量回收装置的性能还在探讨中。

考虑到物理约束的应用（悬架几何、电磁振动驱动发电机质量，等等），也为了优化能量回

收，对该装置的参数进行了调整。

电磁振动驱动发电机

在本节中用图形描述电磁振动驱动发电机的根本理论。

振动驱动发电机（VDG）一般包括一个大的振动质量（M）,通过弹簧连接（k）到一

个刚性的外壳上。随着外壳的振动，振动质量质量和外壳之间也产生相对运动。移动质量

产生的机械动能（m）大规模的转化为磁铁相对于线橙转动产生的电能。这可以得到一个

移动的磁铁或移动的线圈结构。在实践中，为了防止电连接质量，一个移动的磁铁配置的

制造更为简单。在任何情况下，电压线圈中感应由于不同的磁链，与合成电流造成局部反对磁

铁和线圈之间的相对运动。因此，VDG的运动可以通过系统质量.弹簧系统图来描述，如

图2所示。

图2:VDG方案

质量为机相对壳体运动的根本方程：

，nz+cz+kz=-nixl（1）

其中z是质量和外壳之间的相对位移（即在磁铁和线圈之间），七是相对壳体的振动，

C是一种考虑电磁阻尼的等效阻尼系数（转换成电能的机械阻尼质量）和由于空气阻力和

物质损失产生的寄生阻尼。

可以看出，VDG是一个惯性发生器，即它只需要被锚定在一个移动体产生电力和阻尼

器（c）,它代表了能量提取机制。

为了与一个预定的应用环境的自然频率同步［即疝壳体的振动频率），这种发电机是在

共振条件和最正确的能量条件下提取操作应设计。事实_L,假设发电机由谐波励磁驱动

A,=X,sin（^r）,平均功率耗散（PJ在阻尼器上（即通过传导机制提取的能量）（⑶、⑷、

[5])：

其中二二是阻尼比，/和4是VDG的固有频率。因此,当装置

在频率a（即外=1）运行时，最大功率耗散在发电机上，在这种情况下:

f⑶

方程（3）说明了能量耗散功率在增加:

线性的质量〃7；

固有频率久的立方;

振幅X,的平方;

当阻尼比G趋近于0；

这只会发生如果运动源能够提供无穷的动力，相对位移不受限制、无寄生阻尼存在的

系统。实际上，这些条件是不可实现的。特别是，减小阻尼比增加的质量位移。因此，阻

尼比必须足够高，以防止质量位移极超过极限Zg、；如果惯性质量的位移是有限的,方程

（3）变成了:

7

巴=；〃皿凶（max)(4)

X,

阻尼比最大耗散功率:

1-。一硝

2例Tnax

发电机阻尼因子可能会进一步受到有害的寄生阻尼的。事实上，可以通过包括寄生阻尼比

0的计算来获得通过传导机制提取的最大功率:

p=（/⑹

e4（"《）2

当时，最大功率传递到电气领域，即当电气领域的阻尼（4）上升到等于机械损

失（,p）时，在这种情况下，方程（6）变为：

P="区成（7）

,电

图3EVDG方案

由于阻尼电磁转导4可作为估计（［5］）:

”3匚（8）

R<+Lj①

其中N为发电机线圈的匝数，/为线圈的长度，（，（为电阻和线圈的电感（见图3）,

8为磁通密度。

在下面，提出了以前暴露对汽车主动悬架标准的应用。考虑一个简化的车辆模型（四

分之一汽车模型），对谐振式电磁振动驱动发电机设计的物理限制的说明和设备的预期性能

进行估计。

图4:各种路面不平度的PDS（［11D图5:乘用车的振幅实验FRF

应用概述

本文提出的电磁振动驱动发电机应用于一种车辆悬架。正如大家所熟知的，由于路面

不平度，振动从地面传输到车辆中心（非簧载质量）和底盘（簧上质量）。典型的道路提供宽带随

机鼓励，其特征是位移功率普密度（PSD）呈现出振幅随空间频率n降低，（参见图4,［11］）,

而由于车辆底盘的上下，俯仰和滚转运动的范围和共振峰10-15HZ与轮胎的垂直运动相关

联（f10］,见图5）,轿车普遍存在的共振峰在1至I」2.5Hz之间。理论上，EVDG可以连接

到汽车底盘或非簧载质量它的固有频率可以汽车的簧载质量或非簧载质量同步。虽然最适

宜的同步频率似乎是由路面引起振动的振幅高频率低的费载质量的固有频率，在实践中，

振动通过汽车悬架传递给底盘。因此,EGVD必须固定在非簧载质量，在这里，只有轻微的

共振峰值与底盘固有频率可以观察到的（参见图5）。这些因素导致与一个非簧载质量相

连的EVDG的固有频率同步。因此，EVDG的振动质量m不能超过3kg,以防止给汽车操作

稳定性带来的负面影响。此外为了防止干扰弹簧和簧下质量，EVDG的最大振荡必须限制

在一定范围之内，特别是，最大振荡被限制在的悬架最大挠度的三分之一。

从这个假设出发，为了优化能量回收装置的参数和评估其性能，建立了一个简单的车辆

模型。

车辆和路面不平度模型

为了评估从路面振动回收能量，我们建立了四分之一汽车模型([12],如图6所示)。该系

统简化为2自由度集中参数模型，其代表一种车辆的四个车轮。该模型包括簧载质量〃轮

胎簧下质量町o两个物体之间通过弹簧阻尼单元分别代表悬架和轮胎刚度和阻尼的地面连

接。

图6:四分之一汽车车辆模型图7:四分之一汽车车辆模型+EGDV

该汽车四分之一模型的参数已从以往的研究中认得([13])o图8显示了簧上/黄卜质

量的产生的垂直加速度和路面施加的垂直加速度之间的频响函数(FRF)o数值结果[图8.

1b)与四分之一检测车辆在试验台上的测量值(如图8.1a)进行了比拟。在实验测试中，

八个加速度计被放置在四个汽车轮毂对应的悬架和车身之间。特别的，也测量了被施加的

位移，频响函数表示了测试车辆的左前角，如图8所示。可以看到一个很好的四分之一汽

车模型和实验测量之间关系.

图8：四分之一汽车模型的频响函数：(a)实验(b)数值

为了鼓励EGVD的四分之一汽车系统，用随机信号代表典型路面([14])。道路剖面W

可以使用下面的位移功率谱密度(PSD)生成函数G(〃)：

G(〃)=G(〃。)田J⑼

%)L{cyclTes/m)]

其中〃表示空间频率(周/m),7%表示参考空间频率；/是一个适宜描述路面不平度的

严重性的常数。ISO建议〃o=0.1和/=2([14])。ISO根据道路外表情况将其分为五类。道路

和分类推荐的参数在表1。而对于很好，平均和很差的道路剖面的最低限在图4中描述。根

据ISO分类,一些道路轮廓生成了()Hz到30Hz的频率。实际上，空间频率〃由给出，

其中/表示振动频率，口表示车速，逆快速傅里叶变换可用于确定在时域里的路面高度([15])。

表1:不同类型的路面粗糙度系数范围

当EGDV被运用的四分之一汽车车辆模型的运动方程可以写成:

〃4吊+G(尤-X)+%—匕)二0

，msxa+c(x(l-\)+k(xa-xt)=0(10)

mtxt-cs(xs-xt)-ks(xs-xt)-c(xa-xl)-k(xa-xt)+ct(xt-d))+ks(xl-(o)=0

其中《表示悬架/轮胎刚度，q/q表示悬架/轮胎阻尼；儿/为表示簧载质量/非簧载

质量的垂直位移。

正如所看到的，EGDV固定在非簧载质量。

注意，如果应用下面的坐标变换