電磁式饋能懸架技術研究綜述

覃有寧，戴建國，王 程，朱建輝，朱敬軒，曹克楠

（1.淮陰工學院 交通工程學院,江蘇 淮安 223003；2.華能江蘇綜合能源服務有限公司,南京 210000）

隨著汽車技術的不斷革新,以及人們對汽車性能要求的不斷提升,傳統懸架系統已越來越不能滿足人們對車輛更高舒適性和安全性的需求,只能在車輛平順性和操穩性上進行折中,難以達到理想的控制目標。主動懸架系統可通過控制懸架的阻尼和剛度,使車輛的懸架特性適應于道路狀況與行駛狀態,相比傳統被動懸架,對車輛的操縱穩定性和行駛平順性具有較大的提升。然而,主動懸架系統需要消耗大量的能量來抑制不平路面造成的沖擊,導致額外耗能大,使用成本高,難以滿足當今汽車節能化發展的要求。基于上述背景,并結合當前新能源汽車對汽車能源結構的改革,饋能型懸架系統逐漸成為人們關注和研究的熱點。饋能懸架將懸架振動過程中的動能進行收集并存儲,可有效提升車輛的能效,與主動懸架相結合,能使懸架在滿足主動控制的同時,減少主動懸架帶來的能量負擔,滿足汽車的節能要求,進而提升車輛的綜合性能［1］。

饋能懸架按照能量回收方法的不同可分為：壓電式、液壓式、電磁式3種。1980年Bose公司的創始人Bose 博士［2］對所有的懸架系統硬件及性能進行了長達5年的測試與研究,發現電磁式懸架系統相較于使用各種阻尼器、彈簧或者液壓減振器的懸架系統性能更佳,研究結果充分證明了電磁式懸架系統相較于其他懸架在主動控制和被動饋能等方面的性能優勢。電磁式饋能懸架技術是指將車輪行駛過程中產生的振動能量通過電機轉化為電能存儲并加以利用,從而減少能源消耗的懸架技術,隨著電磁技術與新材料技術的不斷革新,電磁式饋能懸架技術的優異性日益凸顯。本文將著重對電磁式饋能懸架的發展歷程、技術難點以及發展方向展開細致闡述與探究。

1 電磁式饋能懸架技術的發展歷程

30 多年前,饋能懸架的研究重點還是以機械式為主,但在1989年,加利福尼亞大學戴維斯分校的Karnopp［3-4］首次提出使用電磁電機作為電磁饋能阻尼器,并作了可行性分析,為電磁式饋能懸架奠定了理論基礎。1993 年,Ryba 等［5］對電磁饋能阻尼器的理論進一步完善,提出了一種半主動控制的旋轉電磁阻尼器,夯實了電磁式饋能懸架的理論。此后,饋能懸架的研究重心逐步從機械式轉移至電磁式。

電磁式饋能懸架可分為旋轉電機式、直線電機式以及液電式3種,旋轉電機式是先將垂直振動通過機械傳動機構轉化為旋轉運動,再將旋轉運動的動能轉化為電能,旋轉電機的結構更緊湊,具備更高的能量密度［6］；直線電機式是基于電磁感應將垂直振動的能量直接轉化為電能,其結構簡捷,占用空間較小；液電式由于液壓傳動的特殊性,可與直線電機和旋轉電機結合,依靠液壓傳動的液電式饋能懸架能量轉化效率更高。

1.1 旋轉電機式饋能懸架

1995年,Beno等與美國軍方合作,提出了一種齒輪齒條式饋能懸架結構,將齒輪齒條與旋轉電機結合,通過仿真與臺架試驗,得出該懸架能有效提高汽車的行駛穩定性和行駛速度,但在饋能方面有所不足。1996 年,Suda 和他的團隊［7］研究出了齒輪齒條式的饋能懸架系統,提出了懸架能量再生混合控制的概念,通過實驗檢驗饋能阻尼器的特性,得到該懸架系統比常規主動控制具有更低的能耗和更高的隔振性能。

2004年,Suda［8-10］又提出滾珠絲杠式的電磁作動器,他們將這種電磁作動器應用到載重卡車駕駛室上,回收卡車底盤的振動能量,供給駕駛室作動器抑制駕駛室的振動。2005年,喻凡等［11-13］提出一種滾珠絲杠式的電磁作動器（見圖1）,試制出電機作動器的功能樣機,對電磁特性和被動響應特性進行測試分析,驗證了該電磁作動器的可行性和有效性。黃昆等［14］設計了滾珠絲杠式電磁饋能懸架,運用功能系數優化法對懸架的動力學性能及其饋能效果進行協調性優化,優化后的電磁式饋能懸架不僅具備理想的饋能效果,還改善了懸架的動力學性能,為未來新能源汽車懸架系統的電氣化提供了設計依據。王慶年等［15］對滾珠絲杠式饋能減振器結構進行了重新設計,使用絲杠將懸架的往復直線運動速度經過換向和增速之后變成電機的單向旋轉運動,減小了安裝空間,還通過仿真分析得出該懸架滿足實際使用要求,并且能夠高效地回收懸架振動能量。

圖1 滾珠絲杠式饋能懸架結構

夏長高等［16］于2007年建立曲柄連桿式饋能懸架參數化模型,通過仿真研究多桿懸架結構參數與車輪定位參數、輪距等影響關系,建立曲柄連桿懸架優化模型并進行懸架參數優化設計,結果表明此方法對曲柄連桿饋能懸架的開發與應用有極大的幫助。

Sabzehgar等［17］提出了一種新型能量再生懸浮機制,通過代數螺桿將平移振動轉換為往復旋轉運動,驅動永磁同步發電機,最終將旋轉機器產生的能量轉換為電池充電。實驗結果證明了再生阻尼器的可行性,為懸浮系統的能量回收提供了新思路。Liu 等［18］和Liang 等［19］提出了一種滾珠絲杠與旋轉電機結合的饋能懸架（見圖2）,該懸架還使用了兩個單向離合器,將懸架往復振動轉換為旋轉運動,使懸架具備更高效的饋能效率,通過實驗得到,當車速為40 km∕h 時,該懸架可獲得13.3 W的平均功率。Wang等［20］將旋轉電機式饋能懸架應用在鉸接式半掛車上,懸架使用雙側臂齒輪間接驅動旋轉電機饋能,對該系統進行模型仿真分析,得出該懸架能保持舒適的駕駛員乘坐指數的同時,還能在B、C、D和E級道路上,以120 km∕h的速度獲得0.33,1.33,5.24,21.3 W的平均功率。

圖2 Zuo團隊設計的懸架結構圖

機械傳動機構與旋轉電機結合的電磁式饋能懸架能量利用與回收的效率高,并且結構緊湊、可靠性好。但也加大了懸架的質量和占用空間,滾珠絲桿式、齒輪齒條式或曲柄連桿式在將往復振動轉換為旋轉振動時會頻繁地改變電機旋轉方向,導致傳動過程中存在“慣性損失”,不僅不利于懸架的主動控制與饋能,還會對電機造成損害,在遇到過大的路面沖擊時,由于機械結構的緊密嚙合,容易使傳動機構造成的損壞,影響懸架系統的整體壽命。

1.2 直線電機式饋能懸架

在Karnopp 提出電磁式饋能懸架理論的時候就已經考慮到可使用直線電機設計懸架,實現主動調節懸架阻尼。直線電機最大的優勢是不需要機械傳動結構,可直接通過電磁感應將垂直振動的動能轉化為電能,這使得直線電機式饋能懸架結構簡單,具備較好的應用前景。

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1995年,Okada等提出了一種以直流電機為作動器的電磁式饋能懸架,該懸架通過改變負載阻抗以調節阻尼力,并使用雙向電壓充電電路進行饋能,但該系統在低速運動時,饋能電壓會存在死區,導致作動器不能向蓄電池充電,且無法提供作動力。1998 年,Suda 等［21-23］提出了一種自供電式主動減振控制系統,該系統使用兩個直流直線電機,一個用作饋能,當阻尼器被短接時,其作為普通被動阻尼器使用,一個使用儲存的能量對汽車進行主動控制。他們將這種自供電式主動減振控制系統安裝在重載卡車上,對卡車振動能量進行饋能,并抑制駕駛室的振動,驗證了該系統無需外界供能也可以有效改善駕駛室的乘坐舒適性。2003 年,Nakano 等［24］提出自供電式主動隔振控制系統,利用一個直線式直流電機作動器來實現主動抑制振動功能和饋能功能,其原理是將電機電樞高速運動時的再生能量用于電樞低速運動時驅動電機。

2005 年,德國Bose 公司研制出一套電磁主動懸架系統（見圖3）,采用直線電機,利用汽車懸架往復運動直接饋能,并在車上安裝懸架,進行實車試驗,研究結果證明,懸掛系統可顯著改善車輛的乘坐舒適性和操縱穩定性,回收功率可達25 W,系統能耗只有車載空調能耗的1∕3,但是,因為制造成本過高,以及直線電機所占空間過大等問題,沒有實現產品化應用。

圖3 Bose電磁主動懸架系統

2007 年,Hyniova等［25］提出了一種直線電機式饋能懸架,對標準H∞控制器進行了修改來調控懸架的饋能與減振,該懸架系統降低了工作時的能量消耗,對該懸架進行了實驗和模擬,測試結果顯示該懸架有較好的減振與饋能效果。隨后,Gysen［26-27］在麥弗遜式懸架結構的基礎上,將直線電機與彈簧集成化設計,通過將被動彈簧及阻尼器平行布置構成了一種直接傳動無刷永磁管狀作動器,提出了如圖4 所示的直線電機式饋能懸架。該懸架系統除了能提供主動力外,還能將懸架部分振動能量回收,可通過設計不同的控制器來提高汽車的舒適性和操控性,還建立了1∕4電磁主動懸架模型,仿真驗證了該懸架的性能。

圖4 Gysen電磁式饋能懸架結構

2016 年,陳仁文等［28-29］提出了一種基于Halbach 永磁陣列的直線式電磁式饋能懸架阻尼器,將電渦流發生結構與電磁式饋能裝置同軸復合,驗證了永磁體陣列的錯位率能夠擴展阻尼器調節范圍,并且優化永磁體陣列能有效提高電磁式饋能懸架的饋能效率。2022 年,Hasani 等［30］提出了一種采用優化換能器的電磁式饋能懸架,設計了電磁饋能優化模型,以提高其饋能效率,研制了樣機并進行了試驗,結果表明,當振動頻率為22.4 Hz,加速度幅值為100 mg時,懸架可以獲得2.2 V的開路電壓,當連接到線圈組件上的電阻為200 W 時,懸架的饋能效率可以滿足許多傳感器以及無線通信模塊的需求,并至少保證其間歇工作。

目前所提出的直線電機式饋能懸架由于結構簡單,能靈活地與傳統懸架結合,還可利用電磁結構對汽車進行半主動控制,更適配于當前汽車。但直線式的饋能方式,電機動子運動方向不斷變化,導致轉化效率過低,慣性功率損耗過大,生產成本較高,且永磁體陣列的磁場密度容易受外界環境的影響,導致設計要求變高,因此,直線電機式饋能懸架要實際應用還有一定的距離。

1.3 液電式饋能懸架

傳統液壓懸架具備優秀的減振效果,直至現在仍是應用于汽車的主流懸架,由此,有學者提出液壓減振器與直線電機或旋轉電機結合,組成液電式饋能懸架,通過液壓傳動帶動饋能電機實現饋能效果,還可以調節減振器中液壓油的流動速率改變系統的阻尼特性,提高電磁式饋能懸架的主動控制效果。

寇發榮等［31-33］提出了一種基于EHA的車輛半主動饋能懸架結構,該懸架可以有效實現超級電容在系統充放電過程中的協調切換控制,進而達到EHA主動懸架系統自供能目的。通過建立模型和仿真分析,驗證了液電式饋能懸架的可用價值和發展前景。美國Levant Power 公司研制了一種液電饋能懸架系統“GenShock”,其結構見圖5,主要由電子控制單元,旋轉電機和液壓馬達組成,活塞在減振筒中伸縮推動液壓油來帶動液壓馬達工作,液壓馬達驅動發電機產生電能,然后把電能存儲在電池中實現動能向電能的轉換,降低了減振筒內部活塞伸縮過程中熱量散失情況。

圖5 GenShock液電式饋能懸架結構

徐林［34］提出了一種液電式饋能懸架方案,采用4 個單向閥將液壓缸振動產生的高壓油液整流為單向流動,再由液壓馬達驅動旋轉電機饋能,進行了仿真分析,得出方案不僅能夠饋能,還能通過調節負載電阻大小實現阻尼力的主動控制。Li等［35］設計的液壓式電磁饋能懸架,平均饋能功率為114.1 W,最高饋能效率為38.81%,且該懸架能同時減緩振動和回收能量,具有較高的研究價值。陳龍等［36］提出了一種由彈篝、減振器、直線電機并聯的混合液電式懸架結構,為改善直線電機饋能死區現象,設計DC∕DC 升壓電路,建立動力學模型,進行對比仿真分析,還對該并聯懸架進行了實驗測試,實驗臺架如圖6 所示,驗證了該懸架系統能有效協調車輛的饋能和減振。Muhammad 等［46］提出了一種混合饋能減振器設計方案,并試制了樣機,在1.67 Hz 激勵頻率下能回收65 W 能量,且在20 mm直徑桿和8 cc∕rev電機排量下獲得了最大饋能效率14.65%。秦博男等［37］設計了一種新型的液電式互聯饋能懸架系統,通過模型仿真,測試了從5 Ω 到25 Ω 電阻對應的等效阻尼系數,驗證了液電式互聯饋能懸架具備非對稱性和可調節性的阻尼特性,可以適用于大部分汽車。

圖6 江蘇大學汪若塵團隊研究的懸架試驗圖

根據比較,不論是與旋轉電機還是直線電機結合的液電式饋能懸架可以為整車提供令人滿意的能量轉換性能,還可承受更大的沖擊載荷,更適用于卡車、貨車等重型車輛,有很好的可控性和耐用性,可以有效控制懸架的位移和阻尼,顯著提高車輛的動態性能,但高壓流體在管道中傳遞損耗過高,導致液電式饋能懸架的饋能效率還處于較低水平,因此,設計合理的高壓油傳遞回路或在結構上提出更好的設計方案,才能使得液電式饋能懸架在重型車輛上具備較好的應用價值。

2 電磁式饋能懸架技術難點與發展方向

2.1 電磁式饋能懸架技術存在的技術難點

通過對電磁式饋能懸架發展歷程的總結,可以發現現階段的電磁式饋能懸架技術要實現產業化還有很多問題亟待解決。

2.1.1 懸架饋能與主動控制之間的矛盾

汽車懸架的主要作用是抑制和消除振動,保障乘員舒適性,而懸架的饋能則是以振動為輸入,車身的振動越激烈饋能效率越好。這就形成了懸架在饋能與主動控制之間的矛盾,意味著在后續的研究中應該在懸架調控阻尼與收集能量之間更好地權衡。黃大山［38］提出了兩個旋轉電機和齒輪齒條運動方式轉換機構的結構型式構成的電磁式饋能作動器,采用力發生器進行主動控制,同時用饋能裝置回收能量,但懸架在進行主動控制時增加了能耗,影響饋能效率。寇發榮等［39］提出了一種電磁復合式饋能懸架結構型式,復合懸架模式實時切換控制策略和可實現能量雙向流動的可變電壓源系統,通過仿真驗證了懸架在有效改善懸架動態性能的同時還可實現振動能量回收。雖然目前學者們提出了多種矛盾解決方案,但都沒有在根本上解決這一問題,懸架減振和饋能的矛盾依舊客觀存在,不過這些解決方案能為后續研究提供一些參考。

2.1.2 低饋能電壓的存儲

電磁式饋能懸架的饋能電壓受路面粗糙度的影響,當車輛行駛在較為平坦的路面時,懸架的振動幅度不大,導致饋能電機產生的饋能電壓較小,儲能裝置對電能的儲存有電壓閾值,需要超過閾值,儲能裝置才能進行充電儲能,因此,必須將饋能電壓進行升壓或降低儲能裝置的閾值。現在的道路多數是較為平坦的公路,饋能電壓會長時處于較低的狀態,如果能將較低的饋能電壓儲存,電磁式饋能懸架的饋能效率將得到很大的提升。Shi等［40］提出了一種并聯切換超級電容技術和升壓-降壓DC-DC 變換器相結合的饋能電路,通過建模仿真得出該方法有效擴大了饋能電壓的閾值區間,且當保持升壓降壓比小于3 時,饋能效率最高可以達到94%。

2.1.3 饋能效率較低

電磁式饋能懸架實現產品化的前提是必須具備可觀的饋能效率。目前,學者們通過各種優化方案研制出的電磁式饋能懸架的饋能效率普遍較低,回收的能量總體還不足以滿足系統的能耗,而根據研究,饋能懸架是具備自供能且有富余能量進行存儲的潛力的。現有研究成果離所預計的饋能效率還有很大差距,因此提高饋能效率是電磁式饋能懸架能進一步發展的重要技術難點。Casavola等［41］提出了一種多目標H∞狀態反饋控制設計方法,該方法能夠顯著提高饋能懸架的饋能效率,同時將平順性、操縱性和懸架行程等常規控制目標保持在可接受的范圍；Adly 等［42］提出一種混合神經群優化的主動電磁懸架系統的設計方案,在試驗中,通過連續Hopfield 神經網絡加以控制,并通過粒子群優化（POS）進化方式確定最優維數,該方法對電磁懸架系統性能的提升具有極高的意義。Mansour 等對裝有混合電磁阻尼器的混合電磁懸架系統采用遺傳算法進行優化設計,通過對常規、非優化混合、優化混合、舒適性混合懸架系統進行仿真分析,得出優化后的混合電磁式饋能懸架相較于其他方案具有更高平順性、路面保持質量以及饋能效率,為提高電磁式饋能懸架的饋能效率開辟了新途徑。

2.1.4 懸架整體技術有待提高

電磁式饋能懸架的電磁作動器、饋能電路、儲存單元以及控制策略都還要進一步完善。目前研究的電磁作動器的機構均較為復雜,且質量大,占用空間也大,不利于后續的實車試驗,車企奧迪、學者寇發榮等［43］和陳世安等［44］都針對這一問題提出了自己的設計方案,但都遠未滿足當前懸架集成化、輕量化的需求；饋能電路的設計目前還處在理論層面上,且未能很好地匹配懸架的控制策略,而深入探討饋能電路,是解決電磁式饋能懸架饋能電壓低和消除饋能電機死區現象的重要方向,紐約大學石溪分校Peng 采用了buck-boost 變換器控制電磁減振器中發電機端電壓的變化,借助等效電阻優化饋能電路,但未能進行后續的系統設計與試驗研究；儲存單元普遍用的還是蓄電池,蓄電池對于儲存電壓的要求很苛刻,而電磁式饋能懸架的饋能電壓又是由振動能量大小所決定的,這就導致了大部分的轉化電能沒能得到儲存而浪費。Kim 等［45］提出的帶有升壓斬波器的饋能控制電路,有效地調節超級電容充電端電壓,但效果還有待進一步驗證；控制策略還處于初級階段,提出的多模式切換控制、遞階控制以及綜合主流控制方法的復合控制等控制策略實際的測試效果都不太顯著,還沒有達到電磁式智能控制要求,沒有有效解決懸架所處的非平穩隨機激勵環境,許多可控的非線性振動環節都沒能考慮。目前大部分學者對電磁式饋能懸架的研究還只是停留在理論研究上,少部分能做到針對自己研究提出的電磁式饋能懸架結構進行優化與測試,而能完成作動器結構設計、饋能電路、儲能單元以及控制策略的整體配置的極少,能對電磁式饋能懸架的整體配置和軟硬件適配,將整套系統在實車上試驗測試的寥寥無幾,因此,電磁式饋能懸架的整體技術還需進一步提升。

2.2 電磁式饋能懸架技術的發展方向

隨著科學技術的發展,汽車技術在不斷革新,電控元器件、導磁材料、通電回路、儲能裝置以及新型供電電源等技術不斷創新,使得電磁式饋能懸架進一步發展,性能也得到很大改善,電磁式饋能懸架將會逐步實現產品化。

要想實現汽車上實際應用電磁式饋能懸架,首要解決的技術難點是協調懸架饋能與主動控制之間的矛盾,設計相應的懸架控制策略,在懸架饋能和主動控制之間權衡,提高懸架綜合性能；其次是研發有效的升壓型饋能電路或改進超級電容的儲能閾值,以解決目前低饋能電壓的存儲問題,提升懸架的饋能靈敏度；最后還要解決目前饋能效率的較低水平問題,電磁式饋能懸架應能在實現自供能的前提下,還能對富余能量進行存儲,提高饋能效率可從降低能量在傳動中的損耗,開發更高性能的導磁材料,優化饋能電路、解決低饋能電壓下電能存儲問題、使用更高效的儲能裝置等方面著手。提升電磁式饋能懸架裝置的能量回饋效率,并保證高效的能量存儲是當前該領域亟須解決的主要難點。

電磁式饋能懸架整體結構設計要向集成化、輕量化發展,集成化設計懸架結構來縮小裝置占用空間,使用輕量化的材料來減輕懸架整體質量,從而提升懸架整體技術工藝。電磁式饋能懸架還要滿足汽車智能化發展的需求,研究基于人工智能的電磁懸架控制系統,且控制策略和控制單元的軟硬件建設要與整車的控制系統匹配,能在舒適與節能之間選擇最佳的控制目標,此外,還需要研制適配的嵌入式智能傳感器,用于監測懸架行程位置、所受壓力、懸架阻尼變化等,這樣不僅可加強懸架的自檢功能,在懸架出現故障時可提示駕駛員進行檢查維修,還對提高懸架的控制準確性和可靠性有重要的意義。

在全球大力發展新能源汽車,逐步取代燃油車的背景下,電磁式饋能懸架在未來的新能源汽車上有很大的應用潛力,電磁式饋能懸架所收集的能量除了為主動控制提供能量外,還可用于增加新能源汽車的續航和其他負載提供電力,實現真正的自供自給懸架系統,在電磁式饋能懸架實驗中,應推進懸架在具有代表性的車型、路況及車速條件下開展更廣泛、更全面的實車試驗研究,測試更為準確的實車試驗數據,為饋能裝置進一步優化提供依據。還要對懸架的耐久性進行測試,以保證懸架能一直保持饋能效率與控制性能。另外,汽車可回收的能量不應局限于懸架振動能量,汽車的制動能量和輪胎形變能量都有很好的發電潛力,可綜合考慮,如集成于輪轂電機進行復合回收,電磁式饋能懸架的實際應用需要能夠兼顧振動控制效果與能量回收效率,這將是未來懸架的主攻方向以及發展趨勢。

3 結論

本文細致闡述電磁式饋能懸架結構與性能的發展歷程,并分析當前存在的技術難點,提出了對應的研究解決方向。電磁式饋能懸架結構緊湊、響應速度快、能兼顧振動控制與被動饋能,并能適應汽車技術電動化、智能化的發展趨勢,已成為懸架技術的重要研究方向。然而,電磁式饋能懸架技術仍存在饋能與主動控制的矛盾協調難度大、能量存儲不易、饋能效率不高、整體技術有待深入等問題,這些技術難點的解決是電磁式饋能懸架得以持續發展和進一步提升的關鍵。本文可為快速了解該領域及技術研究提供重要參考價值。