電動汽車振動能量回收懸架及其特性優化

許廣燦,徐俊,李士盈,曹秉剛,惠越

(1.西安交通大學機械工程學院,710049,西安;2.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室,710049,西安)

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電動汽車振動能量回收懸架及其特性優化

許廣燦1,2,徐俊1,2,李士盈1,2,曹秉剛1,2,惠越1,2

(1.西安交通大學機械工程學院,710049,西安;2.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室,710049,西安)

針對汽車懸架振動能量耗散、懸架阻尼特性較差的問題,提出了一種滾珠絲杠式振動能量回收懸架,實現了懸架振動能量回收。通過局部優化方法得到了變阻尼系數的懸架阻尼特性,提升了懸架性能。建立了饋能懸架的理論及仿真模型,仿真結果表明:采用路面隨機高程激勵,在不同路面等級下平均饋能功率為40～200 W。搭建了饋能懸架振動實驗臺,實驗結果表明:采用電機拖動,在不同振動速度下瞬時饋能功率達到120 W。構造了懸架性能目標函數,通過控制負載阻值,用實驗數據擬合得到了變阻尼系數的懸架特性。滾珠絲杠式饋能懸架不僅可以實現懸架振動能量的回收,而且可以控制負載阻值來優化懸架特性。

振動能量回收;被動懸架;饋能懸架;振動實驗臺;電動汽車

汽車懸架用于緩沖行駛過程中路面傳遞給車身的沖擊,滿足駕乘人員對行駛平順性的要求[1]。被動懸架以阻尼器摩擦的形式將這部分振動能量轉化成熱能耗散掉來減振,主動和半主動懸架需要外部能量輸入來改善懸架阻尼特性[2]。目前電動汽車的發展備受關注,有限的續駛里程成為其快速推廣的瓶頸[3]。饋能懸架既可以回收振動能量,延長電動汽車的續駛里程,又可以優化懸架阻尼特性,提升駕乘舒適性,因此具有很好的發展前景。

近年來,以懸架阻尼特性為優化目標的饋能懸架成為了研究熱點。Jolly等采用液壓機構作為饋能作動器,用于車輛減振以及振動能量回收[4]。Okada等將直線電機作為饋能作動器,調節電機的負載阻抗來改善懸架阻尼特性[5-6]。Kawamoto等采用滾珠絲杠和旋轉電機結合作為饋能作動器,用改進的天棚控制算法實現了懸架主動控制[7]。吉林大學劉松山等設計了雙離合器饋能懸架,對饋能懸架的阻尼特性進行了詳細的研究[8-9]。上海交通大學喻凡等將滾珠絲杠和直流電機集成為一體作為饋能懸架作動器,進行懸架阻尼特性的優化和部分振動能量的回收[10-11]。

對于電動汽車,饋能懸架可以利用電動汽車的電池系統,不用額外增加儲能設備。因此,以能量回收為目標的電動汽車饋能懸架更具有研究和發展的價值。本文采用滾珠絲杠和電機構成饋能作動器,以電動汽車為研究對象,對饋能懸架系統進行系統分析,搭建了饋能懸架實驗臺;針對電動汽車實際運行工況,提出了饋能懸架特性的局部優化方法。

1 懸架理論模型及被動懸架能耗

1.1 路面隨機高程重構

懸架激勵模型的準確性對懸架性能的分析具有重要影響,路面隨機高程的時域模型更便于研究懸架控制策略[12]。采用重構時域路面模型的方法[13],將不同等級路面高程的隨機波動采用高斯白噪聲ω(t)代替,擬合出隨機路面不平度的時域模型[14]。隨機路面高程輸入為

(1)

式中:xg是路面隨機高程;n00是下截止空間頻率;n0是參考空間頻率;G0是路面不平度。

由式(1)可知,路面高程和車輛行駛速度v0、路面不平度G0以及輸入的高斯白噪聲有關。在仿真中,需要對帶限白噪聲的采樣時間和噪聲強度進行合理設置。

1.2 車輛懸架理論模型

懸架理論模型包括被動懸架和饋能懸架,均采用二自由度(2DOF)模型進行分析[15]。忽略運動中的摩擦,將輪胎等效為剛度為k2的彈簧,建立懸架2DOF振動模型,如圖1所示。饋能懸架與被動懸架的振動模型區別在于:饋能懸架起到減振作用的是饋能懸架作動器,不是被動懸架的阻尼器,如圖1中虛線框所示。

圖1 懸架2DOF振動模型

建立被動懸架和饋能懸架理論模型的運動學方程為

(2)

(3)

被動懸架阻尼器平均耗能功率為

(4)

對于饋能懸架,忽略滾珠絲杠副和饋能電機等部件的損耗,得到饋能懸架的平均饋能功率為

(5)

1.3 被動懸架耗能

參考某款電動汽車的參數:1/4車身部分質量ms=313.5 kg;車輪部分質量mu=32.5 kg;懸架阻尼器阻尼系數cs=1 989 N·s·m-1;懸架彈簧剛度系數k1=17 550 N·m-1;輪胎部分等效剛度系數k2=149 500 N·m-1。懸架各個性能指標采用其均方根值來衡量[16],車輛在不同等級路面行駛時的被動懸架的耗能和懸架性能,見表1。

表1 車輛在不同等級路面行駛時的被動懸架性能

實驗結果表明:路面等級越差,則被動懸架阻尼力越大,被動懸架耗能越高。以B級路面為例,1/4車輛被動懸架阻尼器平均耗能功率為54.13W,其整車懸架平均耗能功率約為261.52W。

2 饋能懸架作動器及饋能分析

電動汽車滾珠絲杠式饋能懸架系統如圖2所示。車輛簧載質量和非簧載質量的相對運動通過滾珠絲杠轉化為旋轉運動,帶動饋能電機發電,并通過能量回收電路完成振動能量的回收。滾珠絲杠和饋能電機的引入增加了車輛的簧載質量。在車輛振動時,由于旋轉產生的慣性力,作為軸向力的一部分作用到饋能懸架作動器上。饋能電機作為發電機運轉,產生的電磁轉矩表現為制動性質的轉矩,作為軸向力的另一部分,用于車輛的減振。

圖2 電動汽車滾珠絲杠式饋能懸架能量回收系統

2.1 饋能懸架作動器模型及負載分析

饋能懸架作動器由滾珠絲杠副和饋能電機構成,是饋能懸架的關鍵機構。饋能懸架作動器模型假設:①滾珠絲杠軸和電機轉子軸是剛性的;②忽略各個連接部件之間的間隙;③忽略運動中的摩擦。建立饋能懸架作動器的動力學模型,如圖3所示。

圖3 饋能作動器動力學模型

路面隨機高程激勵造成饋能懸架振動,經過滾珠絲杠傳動,有

(6)

根據力矩平衡方程得到懸架作動器的轉矩為

(7)

式中:ke是電磁轉矩常數;Jm是饋能電機等效轉動慣量;Jb是滾珠絲杠等效轉動慣量;i是饋能電機的感應電流。

饋能懸架作動器上的軸向力為

(8)

由式(8)可知,軸向力包括:①饋能電機發電時電磁力矩轉化而來的軸向力Fe;②旋轉部分慣性質量產生的慣性力矩轉化而來的軸向力Fi。在懸架振動過程中,起到懸架減振作用的是Fe,不包含慣性力。

當饋能懸架作動器負載為電阻時,結合電機感應電動勢u=keω和i=u/R,R為負載電阻,將式(6)代入式(8)中,即可推導得到懸架阻尼力為

(9)

此時,饋能懸架負載端功率為

(10)

由式(9)、式(10)可知,在饋能懸架機械結構確定時,懸架的阻尼系數和饋能功率均只和負載端電阻值有關,故當負載為電阻時,懸架的控制對象為負載阻值。

當負載為電動汽車電池組時,設其輸出端電流為I,端電壓為Ub,則懸架的阻尼力為

(11)

通過對比被動懸架阻尼力得到

(12)

由式(12)可知,在饋能懸架機械結構確定時,懸架的阻尼系數和電池電流以及懸架行程速度有關。根據不同的懸架振動速度,調整電池端電流I可以實現不同行駛工況下阻尼力的控制。

此時I=(Ub-keω)/r,其中r是負載電路和電池內阻的等效阻抗,饋能懸架的饋能功率為

(13)

由式(11)～(13)可知,當負載為電動汽車電池組時,調節電池端的電流值,會同時影響懸架的阻尼系數和饋能功率,故懸架的控制對象為電池組電流。

2.2 饋能懸架系統仿真

建立饋能懸架負載形式為電阻時的模型。饋能懸架模型與被動懸架的不同參數為:饋能懸架車身質量msr=325.8 kg;滾珠絲杠導程l=16 mm;作動器引入慣性質量部分的轉動慣量J=0.729 6×10-4kg·m2;饋能電機電磁轉矩常數ke=0.59;負載電阻R=27 Ω。車輛在不同等級路面行駛時的饋能懸架性能,見表2。

表2 車輛在不同等級路面行駛時的饋能懸架性能

對比表1、表2中的兩種懸架性能,相同的阻尼系數的情況下,饋能懸架的輪胎動載荷遠小于被動懸架,導致輪胎抓地力不足。饋能懸架的理論饋能功率小于被動懸架的理論耗能功率。由表2可見,B級路面1/4車輛饋能懸架平均饋能功率為43.5W,整車饋能功率為174W,這部分回饋能量可以有效延長電動汽車的續駛里程。

根據式(9)～(10)可知,當懸架負載為電阻時,改變負載電阻可以調節懸架性能。對不同負載端電阻進行仿真,得到饋能懸架性能見表3。

表3 負載電阻對饋能懸架性能的影響

由表3可見,車身加速度隨負載電阻的增加而減小,平均饋能功率隨之增大。對于電動汽車的駕乘人員,希望盡可能多地回收振動能量來延長電動汽車續駛里程,同時保持車身加速度較小,但仿真結果表明,車身加速度和平均饋能功率二者不能同時達到最優。

3 饋能懸架實驗驗證及其特性優化

3.1 饋能懸架振動實驗臺及實驗驗證

滾珠絲杠式饋能懸架振動實驗臺如圖4所示。兩部分中的饋能電機型號一致。圖4a為懸架振動實驗臺,圖4b為圖4a中的橢圓形虛線框部分,用來驗證負載阻值對能量回收和懸架阻尼力的影響。

懸架振動實驗臺主要包括4部分:A部分模擬懸架車身質量;B部分模擬懸架車輪質量,并作為滾珠絲杠副和懸架彈簧的安裝平臺;C部分用于傳遞路面高程;D部分作為懸架實驗臺的底座,用于電動推桿的安裝以及實驗臺的整體穩定。電機對拖實驗臺包括驅動電機、饋能電機、扭矩傳感器、整流器、負載功率電阻、ARM控制板以及上位機。ARM控制板用于實時信號采集、監測以及控制電機的PWM占空比。

采用懸架振動實驗臺進行激振實驗,設置電動推桿參數為:輸出位移周期1s,幅值12mm。示波器顯示饋能電機相電壓峰峰值為2V左右,均值為273mV,經過整流濾波電路后,測得負載電阻電壓均值為610mV。由于激勵頻率較低、幅值較小,因此回饋的能量有限。

(a)懸架振動實驗臺

(b)電機對拖實驗臺圖4 滾珠絲杠式饋能懸架振動實驗臺

采用電機對拖實驗臺進行負載為電阻時的實驗驗證。實驗中負載電阻為可調功率(0～500W)電阻,負載電阻阻值為10～45Ω,在不同的拖動電機轉速(對應不同的懸架振動速度)下,得到負載電阻的功率以及等效懸架阻尼力隨懸架振動速度的變化曲線,分別如圖5、圖6所示。

圖5 負載功率隨懸架振動速度的變化

由圖5可知,負載電阻越小饋能功率越大,同時隨著懸架振動速度的增加,瞬時饋能功率增大。在不同懸架速度下(對應不同車輛行駛工況),改變負載電阻可使饋能懸架的瞬時饋能功率達到120W。

圖6 等效懸架阻尼力隨懸架振動速度的變化

由圖6可知,等效懸架阻尼力隨著懸架速度的增加而增大,呈線型關系。負載電阻越小,懸架的等效阻尼系數就越大,當負載電阻不變的時候,懸架的阻尼系數也基本不變,相當于被動懸架。

3.2 饋能懸架特性優化

針對電動汽車實際運行工況,在不同的懸架速度、路面等級和電池荷電狀態(stateofcharge,SOC)下,調節負載阻值可以實現駕乘舒適性和饋能功率的局部優化。車身加速度決定了車輛的駕乘舒適性,饋能功率決定了懸架的饋能特性。構造懸架系統目標函數

(14)

(15)

式中:c1=(2πke/l)2;c2=(2π/l)2(Jm+Jb)。

當饋能懸架系統機械結構確定時,參數c1、c2為常數,得到饋能懸架系統目標函數

(16)

根據式(16),目標函數取決于負載端電阻和懸架振動速度。當懸架速度一定時,目標函數由饋能懸架的等效阻尼系數決定,即由負載阻值決定,則有z=z(P,a)→R。構造饋能懸架系統目標函數表達式為

(17)

式中:λ(0<λ<1)表示目標函數關于阻尼特性和饋能特性的權重。根據式(16)、式(17),則有R=g(λ),g表示從λ到R的映射關系。由式(16)、式(17)可知,在實際行駛工況下,不同的權重λ對應饋能懸架在當前行駛工況下的局部最優特性,該性能的實現通過調節負載電阻得到。在不同懸架振動速度下,給定不同權重,采用實驗數據擬合得到懸架的局部優化特性曲線,如圖7所示。

圖7 懸架局部最優特性曲線

由圖7可知,饋能懸架的等效阻尼系數隨著懸架振動速度的增加大致呈遞減規律,具有變阻尼特性。饋能功率受到負載電阻和懸架速度的雙重影響,呈現遞增規律。在懸架振動速度較低的情況下,駕乘舒適性可以得到保證,因此駕乘舒適性權重較小。在速度較高的情況下,懸架振動較為劇烈,應以懸架減震為主,因此駕乘舒適性權重較大。

綜合電動汽車實際工況,目標函數約束條件包括車輛電池組的SOC值和路面不平度等級。路面等級較好以及電池組SOC值較低時,目標函數應偏重于懸架的饋能特性,取0<λ<λ1;路面等級較差以及電池組SOC值較高時,目標函數應偏重于懸架的阻尼特性,取λ2<λ<1;其他行駛工況時,權重介于二者之間,λ1<λ<λ2。

4 結 論

仿真分析了被動懸架耗能、饋能懸架的饋能潛力及其阻尼特性,確定了饋能懸架作動器不同負載形式下的控制對象。仿真結果表明,饋能懸架在不同路面等級下的平均饋能功率為40～200 W,可有效延長電動汽車續駛里程。

搭建了滾珠絲杠式饋能懸架振動實驗臺,開展了不同負載阻值的懸架振動實驗。實驗結果表明:饋能懸架系統在不同振動速度下的瞬時饋能功率達到120 W,改變負載阻值可以實現饋能懸架饋能特性以及懸架阻尼特性的調節。

提出了針對電動汽車實際運行工況下的懸架特性局部優化方法,根據實驗結果擬合了懸架局部最優特性曲線,得到了可變阻尼系數懸架特性,實現了饋能懸架特性的優化。

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(編輯 武紅江)

Energy Regenerative Suspension and Its Performance Optimization for Electric Vehicle

XU Guangcan1,2,XU Jun1,2,LI Shiying1,2,CAO Binggang1,2,HUI Yue1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. State Key Laboratory for Manufacturing System Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A ball-screw energy regenerative suspension (BES) is proposed to solve the problems that the vibration energy of the automobile suspension is dissipated and its damping characteristic is poor. The BES not only realizes the suspension vibration energy recovery, but also obtains suspension damping characteristics with variable damping coefficients through a local optimization method. Hence, the performance of the BES is improved. Theoretical and simulation models of the suspension are established, and simulation results show that based on random road elevation, the average energy recovery power of the BES under different operating conditions is about 40 - 200 W. A vibration test platform of the BES is set up, and test results show that when a motor is used to drive, the instantaneous energy recovery power at different vibration speeds achieves 120 W. An objective function of the suspension performance is given, and test data is fitted to obtain the variable damping coefficient of the BES through changing the load resistance. It is concluded that the BES not only recycles the vibration energy, but also optimizes the suspension performance by controlling the load resistance.

vibration energy recovery; passive suspension; energy regenerative suspension; vibration test platform; electric vehicle

10.7652/xjtuxb201608015

2016-03-26。 作者簡介:許廣燦(1989—),男,碩士生;徐俊(通信作者),男,講師。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51405374);中國博士后科學基金資助項目(2014M560763)。

時間:2016-06-07

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160607.1156.002.html

U463.1

A

0253-987X(2016)08-0090-06