电磁式馈能悬架技术研究综述

覃有宁，戴建国，王 程，朱建辉，朱敬轩，曹克楠

（1.淮阴工学院 交通工程学院,江苏 淮安 223003；2.华能江苏综合能源服务有限公司,南京 210000）

随着汽车技术的不断革新,以及人们对汽车性能要求的不断提升,传统悬架系统已越来越不能满足人们对车辆更高舒适性和安全性的需求,只能在车辆平顺性和操稳性上进行折中,难以达到理想的控制目标。主动悬架系统可通过控制悬架的阻尼和刚度,使车辆的悬架特性适应于道路状况与行驶状态,相比传统被动悬架,对车辆的操纵稳定性和行驶平顺性具有较大的提升。然而,主动悬架系统需要消耗大量的能量来抑制不平路面造成的冲击,导致额外耗能大,使用成本高,难以满足当今汽车节能化发展的要求。基于上述背景,并结合当前新能源汽车对汽车能源结构的改革,馈能型悬架系统逐渐成为人们关注和研究的热点。馈能悬架将悬架振动过程中的动能进行收集并存储,可有效提升车辆的能效,与主动悬架相结合,能使悬架在满足主动控制的同时,减少主动悬架带来的能量负担,满足汽车的节能要求,进而提升车辆的综合性能［1］。

馈能悬架按照能量回收方法的不同可分为：压电式、液压式、电磁式3种。1980年Bose公司的创始人Bose 博士［2］对所有的悬架系统硬件及性能进行了长达5年的测试与研究,发现电磁式悬架系统相较于使用各种阻尼器、弹簧或者液压减振器的悬架系统性能更佳,研究结果充分证明了电磁式悬架系统相较于其他悬架在主动控制和被动馈能等方面的性能优势。电磁式馈能悬架技术是指将车轮行驶过程中产生的振动能量通过电机转化为电能存储并加以利用,从而减少能源消耗的悬架技术,随着电磁技术与新材料技术的不断革新,电磁式馈能悬架技术的优异性日益凸显。本文将着重对电磁式馈能悬架的发展历程、技术难点以及发展方向展开细致阐述与探究。

1 电磁式馈能悬架技术的发展历程

30 多年前,馈能悬架的研究重点还是以机械式为主,但在1989年,加利福尼亚大学戴维斯分校的Karnopp［3-4］首次提出使用电磁电机作为电磁馈能阻尼器,并作了可行性分析,为电磁式馈能悬架奠定了理论基础。1993 年,Ryba 等［5］对电磁馈能阻尼器的理论进一步完善,提出了一种半主动控制的旋转电磁阻尼器,夯实了电磁式馈能悬架的理论。此后,馈能悬架的研究重心逐步从机械式转移至电磁式。

电磁式馈能悬架可分为旋转电机式、直线电机式以及液电式3种,旋转电机式是先将垂直振动通过机械传动机构转化为旋转运动,再将旋转运动的动能转化为电能,旋转电机的结构更紧凑,具备更高的能量密度［6］；直线电机式是基于电磁感应将垂直振动的能量直接转化为电能,其结构简捷,占用空间较小；液电式由于液压传动的特殊性,可与直线电机和旋转电机结合,依靠液压传动的液电式馈能悬架能量转化效率更高。

1.1 旋转电机式馈能悬架

1995年,Beno等与美国军方合作,提出了一种齿轮齿条式馈能悬架结构,将齿轮齿条与旋转电机结合,通过仿真与台架试验,得出该悬架能有效提高汽车的行驶稳定性和行驶速度,但在馈能方面有所不足。1996 年,Suda 和他的团队［7］研究出了齿轮齿条式的馈能悬架系统,提出了悬架能量再生混合控制的概念,通过实验检验馈能阻尼器的特性,得到该悬架系统比常规主动控制具有更低的能耗和更高的隔振性能。

2004年,Suda［8-10］又提出滚珠丝杠式的电磁作动器,他们将这种电磁作动器应用到载重卡车驾驶室上,回收卡车底盘的振动能量,供给驾驶室作动器抑制驾驶室的振动。2005年,喻凡等［11-13］提出一种滚珠丝杠式的电磁作动器（见图1）,试制出电机作动器的功能样机,对电磁特性和被动响应特性进行测试分析,验证了该电磁作动器的可行性和有效性。黄昆等［14］设计了滚珠丝杠式电磁馈能悬架,运用功能系数优化法对悬架的动力学性能及其馈能效果进行协调性优化,优化后的电磁式馈能悬架不仅具备理想的馈能效果,还改善了悬架的动力学性能,为未来新能源汽车悬架系统的电气化提供了设计依据。王庆年等［15］对滚珠丝杠式馈能减振器结构进行了重新设计,使用丝杠将悬架的往复直线运动速度经过换向和增速之后变成电机的单向旋转运动,减小了安装空间,还通过仿真分析得出该悬架满足实际使用要求,并且能够高效地回收悬架振动能量。

图1 滚珠丝杠式馈能悬架结构

夏长高等［16］于2007年建立曲柄连杆式馈能悬架参数化模型,通过仿真研究多杆悬架结构参数与车轮定位参数、轮距等影响关系,建立曲柄连杆悬架优化模型并进行悬架参数优化设计,结果表明此方法对曲柄连杆馈能悬架的开发与应用有极大的帮助。

Sabzehgar等［17］提出了一种新型能量再生悬浮机制,通过代数螺杆将平移振动转换为往复旋转运动,驱动永磁同步发电机,最终将旋转机器产生的能量转换为电池充电。实验结果证明了再生阻尼器的可行性,为悬浮系统的能量回收提供了新思路。Liu 等［18］和Liang 等［19］提出了一种滚珠丝杠与旋转电机结合的馈能悬架（见图2）,该悬架还使用了两个单向离合器,将悬架往复振动转换为旋转运动,使悬架具备更高效的馈能效率,通过实验得到,当车速为40 km∕h 时,该悬架可获得13.3 W的平均功率。Wang等［20］将旋转电机式馈能悬架应用在铰接式半挂车上,悬架使用双侧臂齿轮间接驱动旋转电机馈能,对该系统进行模型仿真分析,得出该悬架能保持舒适的驾驶员乘坐指数的同时,还能在B、C、D和E级道路上,以120 km∕h的速度获得0.33,1.33,5.24,21.3 W的平均功率。

图2 Zuo团队设计的悬架结构图

机械传动机构与旋转电机结合的电磁式馈能悬架能量利用与回收的效率高,并且结构紧凑、可靠性好。但也加大了悬架的质量和占用空间,滚珠丝杆式、齿轮齿条式或曲柄连杆式在将往复振动转换为旋转振动时会频繁地改变电机旋转方向,导致传动过程中存在“惯性损失”,不仅不利于悬架的主动控制与馈能,还会对电机造成损害,在遇到过大的路面冲击时,由于机械结构的紧密啮合,容易使传动机构造成的损坏,影响悬架系统的整体寿命。

1.2 直线电机式馈能悬架

在Karnopp 提出电磁式馈能悬架理论的时候就已经考虑到可使用直线电机设计悬架,实现主动调节悬架阻尼。直线电机最大的优势是不需要机械传动结构,可直接通过电磁感应将垂直振动的动能转化为电能,这使得直线电机式馈能悬架结构简单,具备较好的应用前景。

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1995年,Okada等提出了一种以直流电机为作动器的电磁式馈能悬架,该悬架通过改变负载阻抗以调节阻尼力,并使用双向电压充电电路进行馈能,但该系统在低速运动时,馈能电压会存在死区,导致作动器不能向蓄电池充电,且无法提供作动力。1998 年,Suda 等［21-23］提出了一种自供电式主动减振控制系统,该系统使用两个直流直线电机,一个用作馈能,当阻尼器被短接时,其作为普通被动阻尼器使用,一个使用储存的能量对汽车进行主动控制。他们将这种自供电式主动减振控制系统安装在重载卡车上,对卡车振动能量进行馈能,并抑制驾驶室的振动,验证了该系统无需外界供能也可以有效改善驾驶室的乘坐舒适性。2003 年,Nakano 等［24］提出自供电式主动隔振控制系统,利用一个直线式直流电机作动器来实现主动抑制振动功能和馈能功能,其原理是将电机电枢高速运动时的再生能量用于电枢低速运动时驱动电机。

2005 年,德国Bose 公司研制出一套电磁主动悬架系统（见图3）,采用直线电机,利用汽车悬架往复运动直接馈能,并在车上安装悬架,进行实车试验,研究结果证明,悬挂系统可显著改善车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性,回收功率可达25 W,系统能耗只有车载空调能耗的1∕3,但是,因为制造成本过高,以及直线电机所占空间过大等问题,没有实现产品化应用。

图3 Bose电磁主动悬架系统

2007 年,Hyniova等［25］提出了一种直线电机式馈能悬架,对标准H∞控制器进行了修改来调控悬架的馈能与减振,该悬架系统降低了工作时的能量消耗,对该悬架进行了实验和模拟,测试结果显示该悬架有较好的减振与馈能效果。随后,Gysen［26-27］在麦弗逊式悬架结构的基础上,将直线电机与弹簧集成化设计,通过将被动弹簧及阻尼器平行布置构成了一种直接传动无刷永磁管状作动器,提出了如图4 所示的直线电机式馈能悬架。该悬架系统除了能提供主动力外,还能将悬架部分振动能量回收,可通过设计不同的控制器来提高汽车的舒适性和操控性,还建立了1∕4电磁主动悬架模型,仿真验证了该悬架的性能。

图4 Gysen电磁式馈能悬架结构

2016 年,陈仁文等［28-29］提出了一种基于Halbach 永磁阵列的直线式电磁式馈能悬架阻尼器,将电涡流发生结构与电磁式馈能装置同轴复合,验证了永磁体阵列的错位率能够扩展阻尼器调节范围,并且优化永磁体阵列能有效提高电磁式馈能悬架的馈能效率。2022 年,Hasani 等［30］提出了一种采用优化换能器的电磁式馈能悬架,设计了电磁馈能优化模型,以提高其馈能效率,研制了样机并进行了试验,结果表明,当振动频率为22.4 Hz,加速度幅值为100 mg时,悬架可以获得2.2 V的开路电压,当连接到线圈组件上的电阻为200 W 时,悬架的馈能效率可以满足许多传感器以及无线通信模块的需求,并至少保证其间歇工作。

目前所提出的直线电机式馈能悬架由于结构简单,能灵活地与传统悬架结合,还可利用电磁结构对汽车进行半主动控制,更适配于当前汽车。但直线式的馈能方式,电机动子运动方向不断变化,导致转化效率过低,惯性功率损耗过大,生产成本较高,且永磁体阵列的磁场密度容易受外界环境的影响,导致设计要求变高,因此,直线电机式馈能悬架要实际应用还有一定的距离。

1.3 液电式馈能悬架

传统液压悬架具备优秀的减振效果,直至现在仍是应用于汽车的主流悬架,由此,有学者提出液压减振器与直线电机或旋转电机结合,组成液电式馈能悬架,通过液压传动带动馈能电机实现馈能效果,还可以调节减振器中液压油的流动速率改变系统的阻尼特性,提高电磁式馈能悬架的主动控制效果。

寇发荣等［31-33］提出了一种基于EHA的车辆半主动馈能悬架结构,该悬架可以有效实现超级电容在系统充放电过程中的协调切换控制,进而达到EHA主动悬架系统自供能目的。通过建立模型和仿真分析,验证了液电式馈能悬架的可用价值和发展前景。美国Levant Power 公司研制了一种液电馈能悬架系统“GenShock”,其结构见图5,主要由电子控制单元,旋转电机和液压马达组成,活塞在减振筒中伸缩推动液压油来带动液压马达工作,液压马达驱动发电机产生电能,然后把电能存储在电池中实现动能向电能的转换,降低了减振筒内部活塞伸缩过程中热量散失情况。

图5 GenShock液电式馈能悬架结构

徐林［34］提出了一种液电式馈能悬架方案,采用4 个单向阀将液压缸振动产生的高压油液整流为单向流动,再由液压马达驱动旋转电机馈能,进行了仿真分析,得出方案不仅能够馈能,还能通过调节负载电阻大小实现阻尼力的主动控制。Li等［35］设计的液压式电磁馈能悬架,平均馈能功率为114.1 W,最高馈能效率为38.81%,且该悬架能同时减缓振动和回收能量,具有较高的研究价值。陈龙等［36］提出了一种由弹篝、减振器、直线电机并联的混合液电式悬架结构,为改善直线电机馈能死区现象,设计DC∕DC 升压电路,建立动力学模型,进行对比仿真分析,还对该并联悬架进行了实验测试,实验台架如图6 所示,验证了该悬架系统能有效协调车辆的馈能和减振。Muhammad 等［46］提出了一种混合馈能减振器设计方案,并试制了样机,在1.67 Hz 激励频率下能回收65 W 能量,且在20 mm直径杆和8 cc∕rev电机排量下获得了最大馈能效率14.65%。秦博男等［37］设计了一种新型的液电式互联馈能悬架系统,通过模型仿真,测试了从5 Ω 到25 Ω 电阻对应的等效阻尼系数,验证了液电式互联馈能悬架具备非对称性和可调节性的阻尼特性,可以适用于大部分汽车。

图6 江苏大学汪若尘团队研究的悬架试验图

根据比较,不论是与旋转电机还是直线电机结合的液电式馈能悬架可以为整车提供令人满意的能量转换性能,还可承受更大的冲击载荷,更适用于卡车、货车等重型车辆,有很好的可控性和耐用性,可以有效控制悬架的位移和阻尼,显著提高车辆的动态性能,但高压流体在管道中传递损耗过高,导致液电式馈能悬架的馈能效率还处于较低水平,因此,设计合理的高压油传递回路或在结构上提出更好的设计方案,才能使得液电式馈能悬架在重型车辆上具备较好的应用价值。

2 电磁式馈能悬架技术难点与发展方向

2.1 电磁式馈能悬架技术存在的技术难点

通过对电磁式馈能悬架发展历程的总结,可以发现现阶段的电磁式馈能悬架技术要实现产业化还有很多问题亟待解决。

2.1.1 悬架馈能与主动控制之间的矛盾

汽车悬架的主要作用是抑制和消除振动,保障乘员舒适性,而悬架的馈能则是以振动为输入,车身的振动越激烈馈能效率越好。这就形成了悬架在馈能与主动控制之间的矛盾,意味着在后续的研究中应该在悬架调控阻尼与收集能量之间更好地权衡。黄大山［38］提出了两个旋转电机和齿轮齿条运动方式转换机构的结构型式构成的电磁式馈能作动器,采用力发生器进行主动控制,同时用馈能装置回收能量,但悬架在进行主动控制时增加了能耗,影响馈能效率。寇发荣等［39］提出了一种电磁复合式馈能悬架结构型式,复合悬架模式实时切换控制策略和可实现能量双向流动的可变电压源系统,通过仿真验证了悬架在有效改善悬架动态性能的同时还可实现振动能量回收。虽然目前学者们提出了多种矛盾解决方案,但都没有在根本上解决这一问题,悬架减振和馈能的矛盾依旧客观存在,不过这些解决方案能为后续研究提供一些参考。

2.1.2 低馈能电压的存储

电磁式馈能悬架的馈能电压受路面粗糙度的影响,当车辆行驶在较为平坦的路面时,悬架的振动幅度不大,导致馈能电机产生的馈能电压较小,储能装置对电能的储存有电压阈值,需要超过阈值,储能装置才能进行充电储能,因此,必须将馈能电压进行升压或降低储能装置的阈值。现在的道路多数是较为平坦的公路,馈能电压会长时处于较低的状态,如果能将较低的馈能电压储存,电磁式馈能悬架的馈能效率将得到很大的提升。Shi等［40］提出了一种并联切换超级电容技术和升压-降压DC-DC 变换器相结合的馈能电路,通过建模仿真得出该方法有效扩大了馈能电压的阈值区间,且当保持升压降压比小于3 时,馈能效率最高可以达到94%。

2.1.3 馈能效率较低

电磁式馈能悬架实现产品化的前提是必须具备可观的馈能效率。目前,学者们通过各种优化方案研制出的电磁式馈能悬架的馈能效率普遍较低,回收的能量总体还不足以满足系统的能耗,而根据研究,馈能悬架是具备自供能且有富余能量进行存储的潜力的。现有研究成果离所预计的馈能效率还有很大差距,因此提高馈能效率是电磁式馈能悬架能进一步发展的重要技术难点。Casavola等［41］提出了一种多目标H∞状态反馈控制设计方法,该方法能够显著提高馈能悬架的馈能效率,同时将平顺性、操纵性和悬架行程等常规控制目标保持在可接受的范围；Adly 等［42］提出一种混合神经群优化的主动电磁悬架系统的设计方案,在试验中,通过连续Hopfield 神经网络加以控制,并通过粒子群优化（POS）进化方式确定最优维数,该方法对电磁悬架系统性能的提升具有极高的意义。Mansour 等对装有混合电磁阻尼器的混合电磁悬架系统采用遗传算法进行优化设计,通过对常规、非优化混合、优化混合、舒适性混合悬架系统进行仿真分析,得出优化后的混合电磁式馈能悬架相较于其他方案具有更高平顺性、路面保持质量以及馈能效率,为提高电磁式馈能悬架的馈能效率开辟了新途径。

2.1.4 悬架整体技术有待提高

电磁式馈能悬架的电磁作动器、馈能电路、储存单元以及控制策略都还要进一步完善。目前研究的电磁作动器的机构均较为复杂,且质量大,占用空间也大,不利于后续的实车试验,车企奥迪、学者寇发荣等［43］和陈世安等［44］都针对这一问题提出了自己的设计方案,但都远未满足当前悬架集成化、轻量化的需求；馈能电路的设计目前还处在理论层面上,且未能很好地匹配悬架的控制策略,而深入探讨馈能电路,是解决电磁式馈能悬架馈能电压低和消除馈能电机死区现象的重要方向,纽约大学石溪分校Peng 采用了buck-boost 变换器控制电磁减振器中发电机端电压的变化,借助等效电阻优化馈能电路,但未能进行后续的系统设计与试验研究；储存单元普遍用的还是蓄电池,蓄电池对于储存电压的要求很苛刻,而电磁式馈能悬架的馈能电压又是由振动能量大小所决定的,这就导致了大部分的转化电能没能得到储存而浪费。Kim 等［45］提出的带有升压斩波器的馈能控制电路,有效地调节超级电容充电端电压,但效果还有待进一步验证；控制策略还处于初级阶段,提出的多模式切换控制、递阶控制以及综合主流控制方法的复合控制等控制策略实际的测试效果都不太显著,还没有达到电磁式智能控制要求,没有有效解决悬架所处的非平稳随机激励环境,许多可控的非线性振动环节都没能考虑。目前大部分学者对电磁式馈能悬架的研究还只是停留在理论研究上,少部分能做到针对自己研究提出的电磁式馈能悬架结构进行优化与测试,而能完成作动器结构设计、馈能电路、储能单元以及控制策略的整体配置的极少,能对电磁式馈能悬架的整体配置和软硬件适配,将整套系统在实车上试验测试的寥寥无几,因此,电磁式馈能悬架的整体技术还需进一步提升。

2.2 电磁式馈能悬架技术的发展方向

随着科学技术的发展,汽车技术在不断革新,电控元器件、导磁材料、通电回路、储能装置以及新型供电电源等技术不断创新,使得电磁式馈能悬架进一步发展,性能也得到很大改善,电磁式馈能悬架将会逐步实现产品化。

要想实现汽车上实际应用电磁式馈能悬架,首要解决的技术难点是协调悬架馈能与主动控制之间的矛盾,设计相应的悬架控制策略,在悬架馈能和主动控制之间权衡,提高悬架综合性能；其次是研发有效的升压型馈能电路或改进超级电容的储能阈值,以解决目前低馈能电压的存储问题,提升悬架的馈能灵敏度；最后还要解决目前馈能效率的较低水平问题,电磁式馈能悬架应能在实现自供能的前提下,还能对富余能量进行存储,提高馈能效率可从降低能量在传动中的损耗,开发更高性能的导磁材料,优化馈能电路、解决低馈能电压下电能存储问题、使用更高效的储能装置等方面着手。提升电磁式馈能悬架装置的能量回馈效率,并保证高效的能量存储是当前该领域亟须解决的主要难点。

电磁式馈能悬架整体结构设计要向集成化、轻量化发展,集成化设计悬架结构来缩小装置占用空间,使用轻量化的材料来减轻悬架整体质量,从而提升悬架整体技术工艺。电磁式馈能悬架还要满足汽车智能化发展的需求,研究基于人工智能的电磁悬架控制系统,且控制策略和控制单元的软硬件建设要与整车的控制系统匹配,能在舒适与节能之间选择最佳的控制目标,此外,还需要研制适配的嵌入式智能传感器,用于监测悬架行程位置、所受压力、悬架阻尼变化等,这样不仅可加强悬架的自检功能,在悬架出现故障时可提示驾驶员进行检查维修,还对提高悬架的控制准确性和可靠性有重要的意义。

在全球大力发展新能源汽车,逐步取代燃油车的背景下,电磁式馈能悬架在未来的新能源汽车上有很大的应用潜力,电磁式馈能悬架所收集的能量除了为主动控制提供能量外,还可用于增加新能源汽车的续航和其他负载提供电力,实现真正的自供自给悬架系统,在电磁式馈能悬架实验中,应推进悬架在具有代表性的车型、路况及车速条件下开展更广泛、更全面的实车试验研究,测试更为准确的实车试验数据,为馈能装置进一步优化提供依据。还要对悬架的耐久性进行测试,以保证悬架能一直保持馈能效率与控制性能。另外,汽车可回收的能量不应局限于悬架振动能量,汽车的制动能量和轮胎形变能量都有很好的发电潜力,可综合考虑,如集成于轮毂电机进行复合回收,电磁式馈能悬架的实际应用需要能够兼顾振动控制效果与能量回收效率,这将是未来悬架的主攻方向以及发展趋势。

3 结论

本文细致阐述电磁式馈能悬架结构与性能的发展历程,并分析当前存在的技术难点,提出了对应的研究解决方向。电磁式馈能悬架结构紧凑、响应速度快、能兼顾振动控制与被动馈能,并能适应汽车技术电动化、智能化的发展趋势,已成为悬架技术的重要研究方向。然而,电磁式馈能悬架技术仍存在馈能与主动控制的矛盾协调难度大、能量存储不易、馈能效率不高、整体技术有待深入等问题,这些技术难点的解决是电磁式馈能悬架得以持续发展和进一步提升的关键。本文可为快速了解该领域及技术研究提供重要参考价值。