汽車(chē)振動(dòng)能量回收懸架

1、汽車(chē)振動(dòng)能量回收懸架近年來(lái)，節(jié)能已經(jīng)成為一個(gè)非常重要的問(wèn)題。限制能量耗散的一種可用方法是回收那部分耗散的能量。實(shí)現(xiàn)能量回收的一種最有效的方法是將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存在蓄電池里的有用電能，,然后將這部分能量用于驅(qū)動(dòng)傳感器或主動(dòng)系統(tǒng)或輔助電氣負(fù)載。這篇文章提出了道路車(chē)輛懸架系統(tǒng)能量收集裝置的應(yīng)用。該系統(tǒng)包括一個(gè)共振質(zhì)量阻尼器，一個(gè)線性永磁交流發(fā)電機(jī)和功率因數(shù)可控整流器（電磁振動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)）。在研究的第一階段，道路誘發(fā)懸架簧下質(zhì)量振動(dòng)的能量回收裝置的性能還在探討中?？紤]到物理約束的應(yīng)用（懸架幾何、電磁振動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)質(zhì)量,等等），也為了優(yōu)化能量回收，對(duì)該裝置的參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。電磁振動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)在本節(jié)中用

2、圖形描述電磁振動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的基本理論。振動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)（VDG）一般包括一個(gè)大的振動(dòng)質(zhì)量（M），通過(guò)彈簧連接（k）到一個(gè)剛性的外殼上。隨著外殼的振動(dòng)，振動(dòng)質(zhì)量質(zhì)量和外殼之間也產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。移動(dòng)質(zhì)量產(chǎn)生的機(jī)械動(dòng)能（m）大規(guī)模的轉(zhuǎn)化為磁鐵相對(duì)于線圈轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電能。這可以得到一個(gè)移動(dòng)的磁鐵或移動(dòng)的線圈結(jié)構(gòu)。在實(shí)踐中，為了避免電連接質(zhì)量，一個(gè)移動(dòng)的磁鐵配置的制造更為簡(jiǎn)單。在任何情況下,電壓線圈中感應(yīng)由于不同的磁鏈,與合成電流造成部分反對(duì)磁鐵和線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，VDG的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)系統(tǒng)質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)圖來(lái)描述，如圖2所示。圖2:VDG方案質(zhì)量為相對(duì)殼體運(yùn)動(dòng)的基本方程： （1）其中是質(zhì)量和外殼之間的相

3、對(duì)位移（即在磁鐵和線圈之間），是相對(duì)殼體的振動(dòng)，是一種考慮電磁阻尼的等效阻尼系數(shù)（轉(zhuǎn)換成電能的機(jī)械阻尼質(zhì)量）和由于空氣阻力和物質(zhì)損失產(chǎn)生的寄生阻尼。可以看出，VDG是一個(gè)慣性發(fā)生器，即它只需要被錨定在一個(gè)移動(dòng)體產(chǎn)生電力和阻尼器（），它代表了能量提取機(jī)制。為了與一個(gè)預(yù)定的應(yīng)用環(huán)境的自然頻率同步（即對(duì)殼體的振動(dòng)頻率），這種發(fā)電機(jī)是在共振條件和最佳的能量條件下提取操作應(yīng)設(shè)計(jì)。事實(shí)上，假設(shè)發(fā)電機(jī)由諧波勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)，平均功率耗散（）在阻尼器上（即通過(guò)傳導(dǎo)機(jī)制提取的能量）(3、4、5): （2）其中是阻尼比，和是VDG的固有頻率。因此，當(dāng)裝置在頻率（即）運(yùn)行時(shí)，最大功率耗散在發(fā)電機(jī)上，在這種情況下： (3)方

4、程（3）表明了能量耗散功率在增加：線性的質(zhì)量；固有頻率的立方；振幅的平方；當(dāng)阻尼比趨近于0；這只會(huì)發(fā)生如果運(yùn)動(dòng)源能夠提供無(wú)窮的動(dòng)力，相對(duì)位移不受限制、無(wú)寄生阻尼存在的系統(tǒng)。實(shí)際上，這些條件是不可實(shí)現(xiàn)的。特別是，減小阻尼比增加的質(zhì)量位移。因此，阻尼比必須足夠高，以防止質(zhì)量位移極超過(guò)極限；如果慣性質(zhì)量的位移是有限的，方程（3）變成了： （4）阻尼比最大耗散功率： （5）發(fā)電機(jī)阻尼因子可能會(huì)進(jìn)一步受到有害的寄生阻尼。事實(shí)上，可以通過(guò)包括寄生阻尼比的計(jì)算來(lái)獲得通過(guò)傳導(dǎo)機(jī)制提取的最大功率： （6）當(dāng)時(shí)，最大功率傳遞到電氣領(lǐng)域，即當(dāng)電氣領(lǐng)域的阻尼上升到等于機(jī)械損失時(shí)，在這種情況下，方程（6）變?yōu)椋?（7）

5、圖3 EVDG方案由于阻尼電磁轉(zhuǎn)導(dǎo)可作為估計(jì)（5）: (8)其中為發(fā)電機(jī)線圈的匝數(shù)，為線圈的長(zhǎng)度，為電阻和線圈的電感（見(jiàn)圖3），為磁通密度。在下面，提出了以前暴露對(duì)汽車(chē)主動(dòng)懸架標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。考慮一個(gè)簡(jiǎn)化的車(chē)輛模型（四分之一汽車(chē)模型），對(duì)諧振式電磁振動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的物理限制的說(shuō)明和設(shè)備的預(yù)期性能進(jìn)行估計(jì)。 圖4:各種路面不平度的PDS(11) 圖5: 乘用車(chē)的振幅實(shí)驗(yàn)FRF 應(yīng)用概述本文提出的電磁振動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)應(yīng)用于一種車(chē)輛懸架。正如大家所熟知的，由于路面不平度,振動(dòng)從地面?zhèn)鬏數(shù)杰?chē)輛中心(非簧載質(zhì)量)和底盤(pán)(簧上質(zhì)量)。典型的道路提供寬帶隨機(jī)激勵(lì)，其特征是位移功率譜密度（PSD）呈現(xiàn)出振幅隨空間

6、頻率n降低，（參見(jiàn)圖4,11), 而由于車(chē)輛底盤(pán)的上下，俯仰和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的范圍和共振峰10-15Hz與輪胎的垂直運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)（ 10 ，見(jiàn)圖5），轎車(chē)普遍存在的共振峰在1到 2.5Hz之間。理論上，EVDG可以連接到汽車(chē)底盤(pán)或非簧載質(zhì)量它的固有頻率可以汽車(chē)的簧載質(zhì)量或非簧載質(zhì)量同步。雖然最合適的同步頻率似乎是由路面引起振動(dòng)的振幅高頻率低的簧載質(zhì)量的固有頻率，在實(shí)踐中，振動(dòng)通過(guò)汽車(chē)懸架傳遞給底盤(pán)。因此,EGVD必須固定在非簧載質(zhì)量，在這里，只有輕微的共振峰值與底盤(pán)固有頻率可以觀察到的（參見(jiàn)圖5）。這些因素導(dǎo)致與一個(gè)非簧載質(zhì)量相連的EVDG的固有頻率同步。因此，EVDG的振動(dòng)質(zhì)量m不能超過(guò)3kg,以避

7、免給汽車(chē)操作穩(wěn)定性帶來(lái)的負(fù)面影響。此外為了避免干擾彈簧和簧下質(zhì)量，EVDG的最大振蕩必須限制在一定范圍之內(nèi)，特別是，最大振蕩被限制在的懸架最大撓度的三分之一。 從這個(gè)假設(shè)出發(fā),為了優(yōu)化能量回收裝置的參數(shù)和評(píng)估其性能，建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的車(chē)輛模型。車(chē)輛和路面不平度模型為了評(píng)估從路面振動(dòng)回收能量，我們建立了四分之一汽車(chē)模型(12,如圖6所示)。該系統(tǒng)簡(jiǎn)化為2自由度集中參數(shù)模型，其代表一種車(chē)輛的四個(gè)車(chē)輪。該模型包括簧載質(zhì)量,輪胎簧下質(zhì)量。兩個(gè)物體之間通過(guò)彈簧阻尼單元分別代表懸架和輪胎剛度和阻尼的地面連接。 圖6:四分之一汽車(chē)車(chē)輛模型 圖7:四分之一汽車(chē)車(chē)輛模型+ EGDV該汽車(chē)四分之一模型的參數(shù)已從以往

8、的研究中獲得（ 13 ）。圖8顯示了簧上/簧下質(zhì)量的產(chǎn)生的垂直加速度和路面施加的垂直加速度之間的頻響函數(shù)（FRF）。數(shù)值結(jié)果（圖8.1b）與四分之一檢測(cè)車(chē)輛在試驗(yàn)臺(tái)上的測(cè)量值（如圖8.1a）進(jìn)行了比較。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，八個(gè)加速度計(jì)被放置在四個(gè)汽車(chē)輪轂對(duì)應(yīng)的懸架和車(chē)身之間。特別的，也測(cè)量了被施加的位移，頻響函數(shù)表示了測(cè)試車(chē)輛的左前角，如圖8所示?？梢钥吹揭粋€(gè)很好的四分之一汽車(chē)模型和實(shí)驗(yàn)測(cè)量之間關(guān)系。圖8：四分之一汽車(chē)模型的頻響函數(shù)：（a）實(shí)驗(yàn) （b）數(shù)值為了激勵(lì)EGVD的四分之一汽車(chē)系統(tǒng)，用隨機(jī)信號(hào)代表典型路面(14)。道路剖面W可以使用下面的位移功率譜密度（PSD）生成函數(shù)： （9）其中表示空間

9、頻率（周/m），表示參考空間頻率；是一個(gè)合適描述路面不平度的嚴(yán)重性的常數(shù)。ISO建議和 (14)。ISO根據(jù)道路表面情況將其分為五類。道路和分類推薦的參數(shù)在表1。而對(duì)于很好,平均和很差的道路剖面的最低限在圖4中描述。根據(jù)ISO分類,一些道路輪廓生成了0Hz到30 Hz的頻率。實(shí)際上，空間頻率由給出，其中表示振動(dòng)頻率，表示車(chē)速，逆快速傅里葉變換可用于確定在時(shí)域里的路面高度(15)。表1:不同類型的路面粗糙度系數(shù)范圍當(dāng)EGDV被運(yùn)用的四分之一汽車(chē)車(chē)輛模型的運(yùn)動(dòng)方程可以寫(xiě)成： （10）其中表示懸架/輪胎剛度，表示懸架/輪胎阻尼；表示簧載質(zhì)量/非簧載質(zhì)量的垂直位移。正如所看到的，EGDV固定在非簧載質(zhì)量。注意，如果應(yīng)用下面的坐標(biāo)變換，方程