黄大山， 张进秋， 刘义乐， 滕 涛

(装甲兵工程学院装备试用与培训大队，北京 100072)

复合式馈能悬挂能量回收特性分析

黄大山， 张进秋， 刘义乐， 滕 涛

(装甲兵工程学院装备试用与培训大队，北京 100072)

针对馈能悬挂作动器因频繁工况切换而导致能量回收效率低及回收特性量化标准不统一等问题，设计了可使主动控制与能量回收全过程并存的复合式馈能悬挂作动器，采用功率流方法分析了悬挂系统在被动馈能和主动控制2种工作模式下的能力流动和转换过程，并在此基础上建立了能力回收特性评价准则，最后通过设计相应的模型对其进行了仿真分析。仿真结果表明：复合式馈能悬挂自供能能力较强，所建立的馈能能力评价准则能够量化分析悬挂系统的能量回收特性。

悬挂系统；能量回收特性；功率流

车辆悬挂系统运用弹性元件和阻尼元件来缓和或衰减路面起伏传递给车体的冲击，从而降低车体振动。传统的被动悬挂系统已无法满足现代车辆对行驶平顺性和操纵稳定性的要求，而主动悬挂系统虽能使车辆获得更好的行驶特性，但实施振动控制需要消耗大量的能量。馈能悬挂引入能量回收装置，能够将原悬挂系统中被转换成热能而耗散的能量回收利用，从而降低主动悬挂的能量消耗，其已成为解决主动悬挂系统实车运用问题的新方向[1-2]。Karnopp[3]研究了车辆悬挂系统的能量消耗过程，并分析了悬挂系统的能量需求。Nakano等[4]通过研究证明：在一定条件下，主动控制所需能量可由悬挂系统所回收的能量完全提供。Bose公司[5]研制了基于直线电机式电磁作动器的馈能悬挂系统。于长淼等[6-7]通过仿真分析指出：减振器耗散的能量具有很大的回收价值。宋鹏云等[8]设计了基于直线电机式作动器的馈能悬挂系统，并给出了系统实现能量平衡条件。通过上述研究可以看出：国内外对悬挂系统能量回收特性的分析方法各不相同，有的仅考虑悬挂系统内部的馈能效率[4,8]，有的则把悬挂馈能功率与整车功率进行比较计算[7]，悬挂系统能量回收特性分析还缺少统一的量化标准。此外，当前馈能悬挂通过一个作动器的工况切换来实现主动控制或能量回收，这种结构的能量回收效率低，且影响作动器的使用寿命。本文设计了一种复合式馈能悬挂系统，采用功率流方法分析其能量转换过程，并给出了相应的能量回收特性评价准则及计算公式，为车辆馈能悬挂能量回收特性分析提供了理论依据。

1 复合式馈能悬挂模型

当前馈能悬挂系统采用电磁作动器取代被动悬挂系统中的减振器，电磁作动器既为主动控制装置，又为能量回收装置，其依据特定的控制策略在2种工况间切换，这种设计结构需要在振动控制和馈能效率之间进行折中，实际回收的能量有限[9-10]。本文设计了一种新型馈能悬挂系统，其采用作动器和馈能器进行主动控制和能量回收，并通过运动方式转换装置——滚珠丝杠或齿轮齿条——相连构成馈能式电磁作动器，如图1所示，这样的设计能够实现主动控制和能量回收的全过程并存且保证各自效果。

图1 新型馈能式电磁作动器

1.1 二自由度模型

由于二自由度“1/4车辆”模型包含了悬挂系统的主要运动特征，因此，本文以此模型为研究对象进行模型假设[11]：1) 车辆左、右两侧完全对称；2) 车辆前、后部分之间相互影响很小；3) 轮胎的垂向动力学特性可简单地等效为一个忽略阻尼的弹簧。新型馈能悬挂系统的“1/4车辆”等效模型结构如图2所示，其中：ms为悬置质量；mt为非悬置质量；ks为悬挂系统的等效刚度；kt为车轮的等效刚度；cmmn为作动器的机械阻尼系数；Fan为作动器输出的电磁力；cmgn为馈能器的机械阻尼系数；cegn为馈能器的电磁阻尼系数；xs为悬置质量的绝对位移；xt为非悬置质量的绝对位移；xr为路面激励。

图2 新型馈能悬挂系统的“1/4车辆”等效模型结构

根据牛顿动力学定律，可建立复合式馈能悬挂系统的运动微分方程：

(1)

馈能器产生的感应电压Eg和感应电流I1g分别为

(2)

(3)

式中：Rlg为馈能器负载电阻。

馈能悬挂主动控制时，则有

Fan=φmi，

(4)

式中：φm为作动器电动势常数[9,12-13]；i为驱动电流。

悬挂系统被动馈能时，则有

(5)

作动器产生的感应电压Em和感应电流I1m分别为

(6)

(7)

式中：Rlm为作动器负载电阻。

1.2 主动控制算法设计

(8)

其中f为路面激励瞬时频率，忽略路面激励位移与速度之间的相位差。

Y=CX+DU，

(9)

式中：

车辆悬挂性能评价指标主要有3种，分别为代表乘坐舒适性的车体加速度、代表操纵稳定性的车轮动行程和代表行驶安全性的悬挂动挠度。本文采用线性二次型最优控制算法，将上述3项性能指标的加权平方及在时域T内的积分值作为目标性能指标[9]，其表达式为

q3(xt-xr)2]dt，

(10)

式中：q1、q2、q3分别为车身加速度、车轮动行程和悬挂动挠度的加权系数。

将式(9)代入式(10)，性能指标可转化为

(11)

式中：

Q=CTQ0C；R=DTQ0D；N=CTQ0D。

由式(11)可求得作动器的最优控制力

U=-KX=-R-1(BTP+NT)X,

(12)

式中：K为最优状态反馈增益矩阵；P由Riccati方程[14]

PA+ATP-(PB+N)R-1(BTP+NT)+Q=0

解出。

2 能量回收特性量化分析

2.1 功率流分析

复合式馈能悬挂系统有被动馈能和主动控制2种工作模式，其在不同工作模式下具有不同的能量流动和转换过程。

2.1.1 被动馈能工作模式

悬挂系统被动馈能模式功率流如图3所示，可见：悬挂系统馈能器和作动器的地位与工作方式相同——作为被动阻尼器使用，用于回收振动能量；电磁悬挂系统吸收发动机输出的能量，一部分被馈能器与作动器的被动阻尼耗散，另一部分由相应的电磁阻尼吸收，再经过内阻耗散后由电磁悬挂输出，作为回收的能量。被动馈能时悬挂系统吸收功率可表示为

Ppri=Ppre+Ppdm，

(13)

被动馈能时悬挂系统输出功率可表示为

Ppro=Ppre-Ppdi，

(14)

图3 被动控制模式功率流

2.1.2 主动控制工作模式

从能量流动方向角度来分析，复合式馈能悬挂系统的主动控制有全主动控制和折中主动控制2种工作状态,其悬挂系统主动馈能模式功率流如图4所示。

当悬挂系统作动器输出的控制力占主导地位时,为全主动控制，此时悬挂系统能够达到预期的控制状态,如图4(a)所示，此时电磁悬挂系统吸收发动机和电源输出的能量，在经过作动器内阻耗散之后,由作动器电磁阻尼吸收产生主动控制力，并有3个流向：1)被馈能器与作动器的被动阻尼耗散；2)由馈能器的电磁阻尼吸收，在经过内阻耗散部分能量之后,由电磁悬挂输出，作为回收的能量；3)直接由电磁悬挂输出，用来改变车辆状态，达到振动控制的目的。

当悬挂系统路面激励输入占主导地位时，为折中主动控制，此时悬挂系统主动控制只能起到缓解或衰减车辆振动的作用，不能达到所有预期的控制状态,如图4(b)所示，此时不消耗电源能量，与新型馈能悬挂系统被动馈能工作模式的功率流过程相似，只是馈能器电磁阻尼吸收的能量被其负载电阻消耗，不能回收。

图4 主动控制模式功率流

主动控制时悬挂系统控制需求功率可表示为

(15)

主动控制时悬挂系统能量回收功率可表示为

Pro=Preg-Pdig，

(16)

2.2 能量回收特性评价准则

为统一悬挂系统能量回收特性的量化计算标准，根据车辆悬挂系统工作模式以及上述功率流分析结果，给出如下悬挂系统馈能能力评价准则。

1) 馈能潜力

(17)

2) 馈能效用比

(18)

3) 自供能系数

(19)

4) 平均馈能功率

3 能量回收特性仿真分析

为研究复合式馈能悬挂能量回收特性，本文设计了主动悬挂(主动控制模式)和被动悬挂(被动馈能模式)2个馈能悬挂系统，其模型参数如表1所示。

表1 馈能悬挂系统模型参数

图5 D级路面不同车速下悬挂系统馈能能力比较

图6 不同工作模式下车速比较

图7 不同等级路面20 m/s车速下悬挂 系统馈能能力比较

图8 H级路面20 m/s车速下的振动响应特性

4 结论

本文设计了一种复合式馈能悬挂系统，引入与作动器并联的馈能器回收振动能量，可以实现悬挂系统振动控制和能量回收的全过程并存，并保证各自效果。采用功率流方法分析了悬挂系统能量的转换方式及流动过程，给出了各部分功率的量化计算公式，并建立4个悬挂系统能量回收特性评价准则，规范统一了悬挂系统能量回收特性量化分析计算的标准。

悬挂系统馈能效用比、自供能系数和平均馈能功率与系统自身和对其施加的主动控制算法有关，若要提高悬挂系统馈能效用比、自供能特性及平均馈能功率，还需要设计有效的主动控制算法。本文仿真分析表明了各评价指标随不同条件变化的一般规律，由于没有考虑车辆悬挂动行程、乘坐舒适性等因素的影响，使得在某些情况下如(车轮共振频率附近)的仿真数值过高，下一步还需要进行深入的研究。

[1] 喻凡, 张勇超. 馈能型车辆主动悬架技术[J]. 农业机械学报, 2010, 41(1): 1-6.

[2] 宋鹏云, 张克跃, 张继业. 能量回馈式主动悬挂的鲁棒控制器设计[J]. 西南交通大学学报, 2011, 46(4): 572-578.

[3] Karnopp D. Power Requirements for Traversing Uneven Roadways [J]. Vehicle System Dynamics, 1978, 7(3): 135-152.

[4] Nakano K, Suda Y, Nakadai S, et al. Self-powered Active Control Applied to a Truck Cab Suspension[J]. JSAE Review, 1999, 20(4): 511-516.

[5] Willie J. Easy Ride: Bose Corp. Uses Speaker Technology to Give Cars Adaptive Suspensions [J]. IEEE Spectrum, 2005, 42(5): 12-14.

[6] 于长淼, 王伟华, 王庆年. 馈能悬架阻尼特性及其影响因素[J]. 吉林大学学报:工学版, 2010, 40(6): 1482-1486.

[7] 于长淼, 王伟华, 王庆年. 混合动力车辆馈能式悬架的节能潜力[J]. 吉林大学学报:工学版, 2009, 39(4): 841-845.

[8] 宋鹏云, 张继业, 陈彦秋, 等. 基于能量分析的馈能式主动控制系统设计[J]. 动力学与控制学报, 2013, 11(1): 82-88.

[9] 黄昆, 张勇超, 喻凡, 等. 电动式主动馈能悬架综合性能的协调性优化[J]. 上海交通大学学报, 2009,43(2): 226-230.

[10] David S B, Bobrovsky B Z. Actively Controlled Vehicle Suspension with Energy Regeneration Capabilities [J]. Vehicle System Dynamics, 2011, 49(6): 833-854.

[11] 陈冬云, 杨礼康, 蔡明龙. 限定舒适性的馈能主动悬架系统可回馈能量分析[J]. 机电工程, 2014, 31(3): 289-294.

[12] 邱国平, 邱明. 永磁直流电机实用设计及应用技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009: 52-55.

[13] 黄昆, 喻凡, 张勇超. 基于能量流动分析的电磁式馈能型主动悬架控制[J]. 上海交通大学学报, 2011,45(7): 1068-1073.

[14] 欧进萍.结构振动控制[M].北京:科学出版社,2003:61-66.

(责任编辑:尚菲菲)

Analysis of Energy Recovery Features of Complex Energy-regenerative Suspension System

HUANG Da-shan, ZHANG Jin-qiu, LIU Yi-le, TENG Tao

(Brigade of Equipment Trial and Training, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

A Complex Energy-regenerative Suspension (CES) system is designed to solve the problem of low energy-recovery efficiency caused by the frequent alternation of operating modes in the current energy-regenerative suspension system, and the energy recovery and active control of CES could be implemented simultaneously. The power flow method is employed to solve the problem of uncertain method and lacking of the uniform standard on quantification and analyze the energy transformation mode and flow process of suspension system. The flowing and transforming processes of power with the corresponding computational formula of CES are provided. Four evaluation criteria of energy recovery features are established to evaluate the suspension system in terms of relative energy-regenerative ability and absolute energy-regenerative ability. The simulation results show that the self-sustaining of power supply of CES can be realized, and the established evaluation criteria are capable of analyzing energy recovery features.

suspension system; energy recovery features; power flow

1672-1497(2015)02-0040-07

2015-01-30

军队科研计划项目

黄大山(1988-)，男，博士研究生。

U463.33

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.008