電動汽車振動能量回收綜述

李長玉 林子涵

摘 要：電動汽車的能量回收在電動汽車出現(xiàn)后不久就被人們所重視，隨著各種技術的發(fā)展，電動汽車能量回收技術也變得越來越成熟。本文主要研究了電動汽車振動能量回收方式。將部分已經進行的研究進行了歸納，分析了各種回收方式的優(yōu)劣以及目前面臨的問題和解決的建議，并對于電動汽車能量回收的未來發(fā)展進行展望。

關鍵詞：電動汽車 振動能量 回收

Abstract：The energy recovery of electric vehicles has been valued soon after the emergence of electric vehicles. With the development of various technologies， the energy recovery technology of electric vehicles has become more and more mature. This article mainly studies the vibration energy recovery methods of electric vehicles. Part of the research that has been carried out is summarized， the advantages and disadvantages of various recycling methods， the current problems and solutions are analyzed， and the future development of the energy recycling of electric vehicles is prospected.

Key words：electric vehicle， vibration energy， recovery

1 引言

隨著時代的發(fā)展，能源問題愈來愈嚴峻，人們越來越重視能源的利用率，因此眾多學者對電動汽車的能量可回收性進行了研究，電動汽車能量回收由所在部位的不同分類可分為制動能量回收、電池熱能回收、振動能量回收三種。

電動汽車能量回收有著巨大的潛力，研究表明汽車能量損失相當巨大，如果燃料供應以100%計算，除去排氣33%，冷卻29%剩余的機械功率38%，機械功率中摩擦損失33%（傳動損失5%，滾動阻力損失11.5%，制動器損失5%，發(fā)動機11.5%），空氣阻力損失5%，最后用于移動汽車的能源只占21.5%[1]。由此可見能量回收能夠為汽車能源的節(jié)省帶來巨大的收益。

2 電動汽車振動能量回收的方式

2.1 機械式

最初研究者是將饋能裝置直接安裝到減震裝置中，通過減震產生的液體流動或空氣流動產生能量回饋，結構簡單，但容易磨損，效率不高。梁新成等人設計了一套液壓式能量回收系統(tǒng)，分別進行了仿真和實驗，降低了懸架減震時的熱能散失，將振動能量的10%轉化為電能[2-3]。

2.2 電磁式

隨著電機技術的發(fā)展，電磁式饋能懸架的潛力被人們所發(fā)掘。特別在20世紀80年代取得了突破性的進展。電機饋能的電機分為直線電機與旋轉電機Gysen等人在電磁式饋能懸架方面做出了巨大貢獻，他們設計了一種直線電機減震器如圖1[3-4]。

直接驅動直線電機式：電機直接驅動式饋能具有傳動效率高，能夠直接應用于當前的減震系統(tǒng)。Bose公司將直線電機應用于車輛懸架，該系統(tǒng)消耗了汽車空調所用能量的三分之一。直接驅動電機有質量較大，磁場強度不均勻，容易產生高溫等問題，技術有待提高。滾珠絲桿式：滾珠絲桿結構回收效率相對較高，因為旋轉運動由電動機直接轉化為電能。對于渦流阻尼器，其振動控制性能略優(yōu)于其他商用阻尼器。許廣燦等人對一種滾珠絲桿式饋能懸架進行了研究，結果表明懸架在不同路況下能量回收量達到了20w到200w，并且可以通過改變負載阻值對懸架阻尼進行調節(jié)，瞬時回饋能量達到了120w，實驗結果如圖2。

Wai C K等人則是設計了一種新型混合阻尼器的渦流阻尼元件[5]。黃昆，張勇超等人也對滾珠絲桿式虧能懸架進行了研究[7]。齒輪齒條式：齒輪齒條具有傳動效率高，穩(wěn)定性好的優(yōu)勢但體積大，成本高的劣勢也很明顯。楊和利等人針對這些缺點進行了研究。最后發(fā)電機轉子的轉動慣量減小71%，體積減小約40%，節(jié)省勵磁功率20～30W[6]。Amati N等人對齒輪齒條式和麥弗遜式懸架轉向系統(tǒng)進行了分析和優(yōu)化。自力磁流變式：磁流變阻尼器以其機械簡單、動態(tài)范圍大、功率要求低、受力能力大、魯棒性在結構減振方面具有廣闊的應用前景[7]。Kim I H等人提出了一種由磁流變阻尼器和電磁感應（EMI）裝置組成的自供電智能阻尼系統(tǒng)，將智能阻尼系統(tǒng)的性能與等效被動阻尼系統(tǒng)的性能進行了比較。隨著研究的深入，該方式將會有巨大前景。行星齒輪式：行星齒輪式電磁饋能阻尼器常用于重型車輛。ECASS 系統(tǒng)在美軍的“槍騎兵”戰(zhàn)車上使用過如圖3所示。它具有結構緊湊，防護性極好等優(yōu)點。考慮到電機功率的限制，此系統(tǒng)只能用于20t以下的車輛[8]。

2.3 壓電式

壓電式材料是利用壓電材料受擠壓或變形后產生電位差的生電效應，將車輛振動能量轉化為電能進行回饋。部分學者對于壓電材料的應用進行了研究。單小彪等人設計了一種壓電式電磁能量收割機，在壓電回收裝置上增加了一個懸浮電磁元件。壓電技術進行能量回收需要借助整流器進行整流，再儲存至儲能裝置中，與此同時懸架還會產生衰減車身振動所需要的阻尼來提高乘客在車內的乘坐舒適性。壓電式能量回收裝置由于壓電材料價格較高且種不同材料耐久度不同，因此受到了一定限制[9-10]。

3 目前面對的問題

綜合對比幾類回收方式電磁式饋能懸架更具有研究。饋能時懸架振動屬于直線運動而且頻率很高因此實現(xiàn)電機回收較難，并且不同路面回收得到的能量差距很大，在合理控制饋能裝置進行饋能的同時還要考慮阻尼特性等因素影響[11]。

3.1 饋能與減振之間的矛盾

懸架首要目的是減震，而饋能的條件是振動面對這種問題懸架只能選擇使用兩種模式，即饋能懸架在饋能回收與主動控制兩種模式中來回切換。但依然存在兩個問題：首先是難以實現(xiàn)連續(xù)的變阻尼空置使減震效果大打折扣。其次電動機與發(fā)電機難以實現(xiàn)高頻快速轉換。主動懸架耗能高半主動懸架控制能力弱，為了節(jié)約能源，只能制定一些策略來達到再生能源和消耗能源之間的平衡，我們必須明顯地降低振動控制性能，但這明顯是不可取的[12-13]。

3.2 電機死區(qū)

一般情況下直流電動機的轉速與電樞電壓成正比，但當電壓很低的時候，電機很難啟動。電機的死區(qū)電壓電樞電壓從零開始到電機啟動電壓之間的區(qū)間產生的電機失效現(xiàn)象即為電機死區(qū)現(xiàn)象。如果車輛行駛路面平順那么很有可能懸架的振動不能夠啟動電機導致電機死區(qū)現(xiàn)象的發(fā)生。可以通過增大電動機轉速或降低發(fā)電機的最低工作轉速的方法進行改善[14]。

3.3 將較低的饋能電壓進行儲存

目前應用到的電磁式懸架能量回收大部分都屬于電磁懸掛系統(tǒng)，而并非實際的以饋能為目的的饋能懸架，因此所回收的能量只是振動能量的冰山一角，同時當下的饋能懸架技術并不成熟因此在道路平順的情況下電壓太低很難做到高效回收。寇發(fā)榮等人設計的 Boost 升壓斬波電路就是一種優(yōu)化方式，這也表明電機技術的發(fā)展也將會對饋能懸架的發(fā)展起到巨大的推動作用[15]。

3.4 饋能效率不高

由于以上所述原因不考慮目前技術是否成熟的前提下，所投入的成本也很難以其經濟效應平衡，這是制約饋能懸架實用于大部分車輛的主要因素，如何提高饋能懸架饋能效率依然是需要攻克的難題。

4 結論

饋能懸架的可行性早已被人們證實，也有很多學者對它進行了相應的研究，但不論如何從控制技術或是電機技術進行優(yōu)化饋能懸架所存在的饋能與減震之間的矛盾以及電機死區(qū)問題始終存在，或許通過對于饋能懸架不斷優(yōu)化能夠提高其經濟性但想要解決上述問題或許需要一些徹底的創(chuàng)新。

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