覃有寧，戴建國，王 程，朱建輝，朱敬軒，曹克楠

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

隨著汽車技術(shù)的不斷革新,以及人們對(duì)汽車性能要求的不斷提升,傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)已越來越不能滿足人們對(duì)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(wěn)性上進(jìn)行折中,難以達(dá)到理想的控制目標(biāo)。主動(dòng)懸架系統(tǒng)可通過控制懸架的阻尼和剛度,使車輛的懸架特性適應(yīng)于道路狀況與行駛狀態(tài),相比傳統(tǒng)被動(dòng)懸架,對(duì)車輛的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性具有較大的提升。然而,主動(dòng)懸架系統(tǒng)需要消耗大量的能量來抑制不平路面造成的沖擊,導(dǎo)致額外耗能大,使用成本高,難以滿足當(dāng)今汽車節(jié)能化發(fā)展的要求。基于上述背景,并結(jié)合當(dāng)前新能源汽車對(duì)汽車能源結(jié)構(gòu)的改革,饋能型懸架系統(tǒng)逐漸成為人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。饋能懸架將懸架振動(dòng)過程中的動(dòng)能進(jìn)行收集并存儲(chǔ),可有效提升車輛的能效,與主動(dòng)懸架相結(jié)合,能使懸架在滿足主動(dòng)控制的同時(shí),減少主動(dòng)懸架帶來的能量負(fù)擔(dān),滿足汽車的節(jié)能要求,進(jìn)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(chuàng)始人Bose 博士［2］對(duì)所有的懸架系統(tǒng)硬件及性能進(jìn)行了長達(dá)5年的測試與研究,發(fā)現(xiàn)電磁式懸架系統(tǒng)相較于使用各種阻尼器、彈簧或者液壓減振器的懸架系統(tǒng)性能更佳,研究結(jié)果充分證明了電磁式懸架系統(tǒng)相較于其他懸架在主動(dòng)控制和被動(dòng)饋能等方面的性能優(yōu)勢。電磁式饋能懸架技術(shù)是指將車輪行駛過程中產(chǎn)生的振動(dòng)能量通過電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)并加以利用,從而減少能源消耗的懸架技術(shù),隨著電磁技術(shù)與新材料技術(shù)的不斷革新,電磁式饋能懸架技術(shù)的優(yōu)異性日益凸顯。本文將著重對(duì)電磁式饋能懸架的發(fā)展歷程、技術(shù)難點(diǎn)以及發(fā)展方向展開細(xì)致闡述與探究。

1 電磁式饋能懸架技術(shù)的發(fā)展歷程

30 多年前,饋能懸架的研究重點(diǎn)還是以機(jī)械式為主,但在1989年,加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的Karnopp［3-4］首次提出使用電磁電機(jī)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(chǔ)。1993 年,Ryba 等［5］對(duì)電磁饋能阻尼器的理論進(jìn)一步完善,提出了一種半主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)電磁阻尼器,夯實(shí)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(jī)械式轉(zhuǎn)移至電磁式。

電磁式饋能懸架可分為旋轉(zhuǎn)電機(jī)式、直線電機(jī)式以及液電式3種,旋轉(zhuǎn)電機(jī)式是先將垂直振動(dòng)通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),再將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)更緊湊,具備更高的能量密度［6］；直線電機(jī)式是基于電磁感應(yīng)將垂直振動(dòng)的能量直接轉(zhuǎn)化為電能,其結(jié)構(gòu)簡捷,占用空間較??；液電式由于液壓傳動(dòng)的特殊性,可與直線電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)合,依靠液壓傳動(dòng)的液電式饋能懸架能量轉(zhuǎn)化效率更高。

1.1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(jié)構(gòu),將齒輪齒條與旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)合,通過仿真與臺(tái)架試驗(yàn),得出該懸架能有效提高汽車的行駛穩(wěn)定性和行駛速度,但在饋能方面有所不足。1996 年,Suda 和他的團(tuán)隊(duì)［7］研究出了齒輪齒條式的饋能懸架系統(tǒng),提出了懸架能量再生混合控制的概念,通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)饋能阻尼器的特性,得到該懸架系統(tǒng)比常規(guī)主動(dòng)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(dòng)器,他們將這種電磁作動(dòng)器應(yīng)用到載重卡車駕駛室上,回收卡車底盤的振動(dòng)能量,供給駕駛室作動(dòng)器抑制駕駛室的振動(dòng)。2005年,喻凡等［11-13］提出一種滾珠絲杠式的電磁作動(dòng)器（見圖1）,試制出電機(jī)作動(dòng)器的功能樣機(jī),對(duì)電磁特性和被動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行測試分析,驗(yàn)證了該電磁作動(dòng)器的可行性和有效性。黃昆等［14］設(shè)計(jì)了滾珠絲杠式電磁饋能懸架,運(yùn)用功能系數(shù)優(yōu)化法對(duì)懸架的動(dòng)力學(xué)性能及其饋能效果進(jìn)行協(xié)調(diào)性優(yōu)化,優(yōu)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(dòng)力學(xué)性能,為未來新能源汽車懸架系統(tǒng)的電氣化提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。王慶年等［15］對(duì)滾珠絲杠式饋能減振器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),使用絲杠將懸架的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)速度經(jīng)過換向和增速之后變成電機(jī)的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),減小了安裝空間,還通過仿真分析得出該懸架滿足實(shí)際使用要求,并且能夠高效地回收懸架振動(dòng)能量。

圖1 滾珠絲杠式饋能懸架結(jié)構(gòu)

夏長高等［16］于2007年建立曲柄連桿式饋能懸架參數(shù)化模型,通過仿真研究多桿懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)與車輪定位參數(shù)、輪距等影響關(guān)系,建立曲柄連桿懸架優(yōu)化模型并進(jìn)行懸架參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果表明此方法對(duì)曲柄連桿饋能懸架的開發(fā)與應(yīng)用有極大的幫助。

Sabzehgar等［17］提出了一種新型能量再生懸浮機(jī)制,通過代數(shù)螺桿將平移振動(dòng)轉(zhuǎn)換為往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī),最終將旋轉(zhuǎn)機(jī)器產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電池充電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了再生阻尼器的可行性,為懸浮系統(tǒng)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(zhuǎn)電機(jī)結(jié)合的饋能懸架（見圖2）,該懸架還使用了兩個(gè)單向離合器,將懸架往復(fù)振動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),使懸架具備更高效的饋能效率,通過實(shí)驗(yàn)得到,當(dāng)車速為40 km∕h 時(shí),該懸架可獲得13.3 W的平均功率。Wang等［20］將旋轉(zhuǎn)電機(jī)式饋能懸架應(yīng)用在鉸接式半掛車上,懸架使用雙側(cè)臂齒輪間接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)饋能,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)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(shù)的同時(shí),還能在B、C、D和E級(jí)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的懸架結(jié)構(gòu)圖

機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)合的電磁式饋能懸架能量利用與回收的效率高,并且結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好。但也加大了懸架的質(zhì)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(fù)振動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)會(huì)頻繁地改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向,導(dǎo)致傳動(dòng)過程中存在“慣性損失”,不僅不利于懸架的主動(dòng)控制與饋能,還會(huì)對(duì)電機(jī)造成損害,在遇到過大的路面沖擊時(shí),由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊密嚙合,容易使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)造成的損壞,影響懸架系統(tǒng)的整體壽命。

1.2 直線電機(jī)式饋能懸架

在Karnopp 提出電磁式饋能懸架理論的時(shí)候就已經(jīng)考慮到可使用直線電機(jī)設(shè)計(jì)懸架,實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)節(jié)懸架阻尼。直線電機(jī)最大的優(yōu)勢是不需要機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu),可直接通過電磁感應(yīng)將垂直振動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,這使得直線電機(jī)式饋能懸架結(jié)構(gòu)簡單,具備較好的應(yīng)用前景。

其實(shí)田志芳早就洗好準(zhǔn)備好?，F(xiàn)在整個(gè)五連都在濃郁的沙棗花甜香里，她的心情慢慢變好，她把茶缸里養(yǎng)的沙棗花取兩串，摘掉葉子，插進(jìn)上衣扣眼里。田志芳想起，五月的老家黃梅，不論老嫗少婦黃花閨女，出門前，都愛把白色梔子花插在領(lǐng)口或頭發(fā)辮子里，那日子，滿街飄香?，F(xiàn)在沙棗林有沙棗花，也很好，一樣滿五連飄香。

1995年,Okada等提出了一種以直流電機(jī)為作動(dòng)器的電磁式饋能懸架,該懸架通過改變負(fù)載阻抗以調(diào)節(jié)阻尼力,并使用雙向電壓充電電路進(jìn)行饋能,但該系統(tǒng)在低速運(yùn)動(dòng)時(shí),饋能電壓會(huì)存在死區(qū),導(dǎo)致作動(dòng)器不能向蓄電池充電,且無法提供作動(dòng)力。1998 年,Suda 等［21-23］提出了一種自供電式主動(dòng)減振控制系統(tǒng),該系統(tǒng)使用兩個(gè)直流直線電機(jī),一個(gè)用作饋能,當(dāng)阻尼器被短接時(shí),其作為普通被動(dòng)阻尼器使用,一個(gè)使用儲(chǔ)存的能量對(duì)汽車進(jìn)行主動(dòng)控制。他們將這種自供電式主動(dòng)減振控制系統(tǒng)安裝在重載卡車上,對(duì)卡車振動(dòng)能量進(jìn)行饋能,并抑制駕駛室的振動(dòng),驗(yàn)證了該系統(tǒng)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(dòng)隔振控制系統(tǒng),利用一個(gè)直線式直流電機(jī)作動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)抑制振動(dòng)功能和饋能功能,其原理是將電機(jī)電樞高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的再生能量用于電樞低速運(yùn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2005 年,德國Bose 公司研制出一套電磁主動(dòng)懸架系統(tǒng)（見圖3）,采用直線電機(jī),利用汽車懸架往復(fù)運(yùn)動(dòng)直接饋能,并在車上安裝懸架,進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn),研究結(jié)果證明,懸掛系統(tǒng)可顯著改善車輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性,回收功率可達(dá)25 W,系統(tǒng)能耗只有車載空調(diào)能耗的1∕3,但是,因?yàn)橹圃斐杀具^高,以及直線電機(jī)所占空間過大等問題,沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化應(yīng)用。

圖3 Bose電磁主動(dòng)懸架系統(tǒng)

2007 年,Hyniova等［25］提出了一種直線電機(jī)式饋能懸架,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)H∞控制器進(jìn)行了修改來調(diào)控懸架的饋能與減振,該懸架系統(tǒng)降低了工作時(shí)的能量消耗,對(duì)該懸架進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬,測試結(jié)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,將直線電機(jī)與彈簧集成化設(shè)計(jì),通過將被動(dòng)彈簧及阻尼器平行布置構(gòu)成了一種直接傳動(dòng)無刷永磁管狀作動(dòng)器,提出了如圖4 所示的直線電機(jī)式饋能懸架。該懸架系統(tǒng)除了能提供主動(dòng)力外,還能將懸架部分振動(dòng)能量回收,可通過設(shè)計(jì)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(dòng)懸架模型,仿真驗(yàn)證了該懸架的性能。

圖4 Gysen電磁式饋能懸架結(jié)構(gòu)

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(fā)生結(jié)構(gòu)與電磁式饋能裝置同軸復(fù)合,驗(yàn)證了永磁體陣列的錯(cuò)位率能夠擴(kuò)展阻尼器調(diào)節(jié)范圍,并且優(yōu)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(yōu)化換能器的電磁式饋能懸架,設(shè)計(jì)了電磁饋能優(yōu)化模型,以提高其饋能效率,研制了樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果表明,當(dāng)振動(dòng)頻率為22.4 Hz,加速度幅值為100 mg時(shí),懸架可以獲得2.2 V的開路電壓,當(dāng)連接到線圈組件上的電阻為200 W 時(shí),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(jī)式饋能懸架由于結(jié)構(gòu)簡單,能靈活地與傳統(tǒng)懸架結(jié)合,還可利用電磁結(jié)構(gòu)對(duì)汽車進(jìn)行半主動(dòng)控制,更適配于當(dāng)前汽車。但直線式的饋能方式,電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向不斷變化,導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率過低,慣性功率損耗過大,生產(chǎn)成本較高,且永磁體陣列的磁場密度容易受外界環(huán)境的影響,導(dǎo)致設(shè)計(jì)要求變高,因此,直線電機(jī)式饋能懸架要實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離。

1.3 液電式饋能懸架

傳統(tǒng)液壓懸架具備優(yōu)秀的減振效果,直至現(xiàn)在仍是應(yīng)用于汽車的主流懸架,由此,有學(xué)者提出液壓減振器與直線電機(jī)或旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)合,組成液電式饋能懸架,通過液壓傳動(dòng)帶動(dòng)饋能電機(jī)實(shí)現(xiàn)饋能效果,還可以調(diào)節(jié)減振器中液壓油的流動(dòng)速率改變系統(tǒng)的阻尼特性,提高電磁式饋能懸架的主動(dòng)控制效果。

寇發(fā)榮等［31-33］提出了一種基于EHA的車輛半主動(dòng)饋能懸架結(jié)構(gòu),該懸架可以有效實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容在系統(tǒng)充放電過程中的協(xié)調(diào)切換控制,進(jìn)而達(dá)到EHA主動(dòng)懸架系統(tǒng)自供能目的。通過建立模型和仿真分析,驗(yàn)證了液電式饋能懸架的可用價(jià)值和發(fā)展前景。美國Levant Power 公司研制了一種液電饋能懸架系統(tǒng)“GenShock”,其結(jié)構(gòu)見圖5,主要由電子控制單元,旋轉(zhuǎn)電機(jī)和液壓馬達(dá)組成,活塞在減振筒中伸縮推動(dòng)液壓油來帶動(dòng)液壓馬達(dá)工作,液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能,然后把電能存儲(chǔ)在電池中實(shí)現(xiàn)動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)換,降低了減振筒內(nèi)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(jié)構(gòu)

徐林［34］提出了一種液電式饋能懸架方案,采用4 個(gè)單向閥將液壓缸振動(dòng)產(chǎn)生的高壓油液整流為單向流動(dòng),再由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)饋能,進(jìn)行了仿真分析,得出方案不僅能夠饋能,還能通過調(diào)節(jié)負(fù)載電阻大小實(shí)現(xiàn)阻尼力的主動(dòng)控制。Li等［35］設(shè)計(jì)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(shí)減緩振動(dòng)和回收能量,具有較高的研究價(jià)值。陳龍等［36］提出了一種由彈篝、減振器、直線電機(jī)并聯(lián)的混合液電式懸架結(jié)構(gòu),為改善直線電機(jī)饋能死區(qū)現(xiàn)象,設(shè)計(jì)DC∕DC 升壓電路,建立動(dòng)力學(xué)模型,進(jìn)行對(duì)比仿真分析,還對(duì)該并聯(lián)懸架進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試,實(shí)驗(yàn)臺(tái)架如圖6 所示,驗(yàn)證了該懸架系統(tǒng)能有效協(xié)調(diào)車輛的饋能和減振。Muhammad 等［46］提出了一種混合饋能減振器設(shè)計(jì)方案,并試制了樣機(jī),在1.67 Hz 激勵(lì)頻率下能回收65 W 能量,且在20 mm直徑桿和8 cc∕rev電機(jī)排量下獲得了最大饋能效率14.65%。秦博男等［37］設(shè)計(jì)了一種新型的液電式互聯(lián)饋能懸架系統(tǒng),通過模型仿真,測試了從5 Ω 到25 Ω 電阻對(duì)應(yīng)的等效阻尼系數(shù),驗(yàn)證了液電式互聯(lián)饋能懸架具備非對(duì)稱性和可調(diào)節(jié)性的阻尼特性,可以適用于大部分汽車。

圖6 江蘇大學(xué)汪若塵團(tuán)隊(duì)研究的懸架試驗(yàn)圖

根據(jù)比較,不論是與旋轉(zhuǎn)電機(jī)還是直線電機(jī)結(jié)合的液電式饋能懸架可以為整車提供令人滿意的能量轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)性能,但高壓流體在管道中傳遞損耗過高,導(dǎo)致液電式饋能懸架的饋能效率還處于較低水平,因此,設(shè)計(jì)合理的高壓油傳遞回路或在結(jié)構(gòu)上提出更好的設(shè)計(jì)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(yīng)用價(jià)值。

2 電磁式饋能懸架技術(shù)難點(diǎn)與發(fā)展方向

2.1 電磁式饋能懸架技術(shù)存在的技術(shù)難點(diǎn)

通過對(duì)電磁式饋能懸架發(fā)展歷程的總結(jié),可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段的電磁式饋能懸架技術(shù)要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有很多問題亟待解決。

2.1.1 懸架饋能與主動(dòng)控制之間的矛盾

汽車懸架的主要作用是抑制和消除振動(dòng),保障乘員舒適性,而懸架的饋能則是以振動(dòng)為輸入,車身的振動(dòng)越激烈饋能效率越好。這就形成了懸架在饋能與主動(dòng)控制之間的矛盾,意味著在后續(xù)的研究中應(yīng)該在懸架調(diào)控阻尼與收集能量之間更好地權(quán)衡。黃大山［38］提出了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和齒輪齒條運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式構(gòu)成的電磁式饋能作動(dòng)器,采用力發(fā)生器進(jìn)行主動(dòng)控制,同時(shí)用饋能裝置回收能量,但懸架在進(jìn)行主動(dòng)控制時(shí)增加了能耗,影響?zhàn)伳苄??？馨l(fā)榮等［39］提出了一種電磁復(fù)合式饋能懸架結(jié)構(gòu)型式,復(fù)合懸架模式實(shí)時(shí)切換控制策略和可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的可變電壓源系統(tǒng),通過仿真驗(yàn)證了懸架在有效改善懸架動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量回收。雖然目前學(xué)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(xù)研究提供一些參考。

2.1.2 低饋能電壓的存儲(chǔ)

電磁式饋能懸架的饋能電壓受路面粗糙度的影響,當(dāng)車輛行駛在較為平坦的路面時(shí),懸架的振動(dòng)幅度不大,導(dǎo)致饋能電機(jī)產(chǎn)生的饋能電壓較小,儲(chǔ)能裝置對(duì)電能的儲(chǔ)存有電壓閾值,需要超過閾值,儲(chǔ)能裝置才能進(jìn)行充電儲(chǔ)能,因此,必須將饋能電壓進(jìn)行升壓或降低儲(chǔ)能裝置的閾值。現(xiàn)在的道路多數(shù)是較為平坦的公路,饋能電壓會(huì)長時(shí)處于較低的狀態(tài),如果能將較低的饋能電壓儲(chǔ)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(lián)切換超級(jí)電容技術(shù)和升壓-降壓DC-DC 變換器相結(jié)合的饋能電路,通過建模仿真得出該方法有效擴(kuò)大了饋能電壓的閾值區(qū)間,且當(dāng)保持升壓降壓比小于3 時(shí),饋能效率最高可以達(dá)到94%。

2.1.3 饋能效率較低

電磁式饋能懸架實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的前提是必須具備可觀的饋能效率。目前,學(xué)者們通過各種優(yōu)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(tǒng)的能耗,而根據(jù)研究,饋能懸架是具備自供能且有富余能量進(jìn)行存儲(chǔ)的潛力的。現(xiàn)有研究成果離所預(yù)計(jì)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(jìn)一步發(fā)展的重要技術(shù)難點(diǎn)。Casavola等［41］提出了一種多目標(biāo)H∞狀態(tài)反饋控制設(shè)計(jì)方法,該方法能夠顯著提高饋能懸架的饋能效率,同時(shí)將平順性、操縱性和懸架行程等常規(guī)控制目標(biāo)保持在可接受的范圍；Adly 等［42］提出一種混合神經(jīng)群優(yōu)化的主動(dòng)電磁懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,在試驗(yàn)中,通過連續(xù)Hopfield 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加以控制,并通過粒子群優(yōu)化（POS）進(jìn)化方式確定最優(yōu)維數(shù),該方法對(duì)電磁懸架系統(tǒng)性能的提升具有極高的意義。Mansour 等對(duì)裝有混合電磁阻尼器的混合電磁懸架系統(tǒng)采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),通過對(duì)常規(guī)、非優(yōu)化混合、優(yōu)化混合、舒適性混合懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,得出優(yōu)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(zhì)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(shù)有待提高

電磁式饋能懸架的電磁作動(dòng)器、饋能電路、儲(chǔ)存單元以及控制策略都還要進(jìn)一步完善。目前研究的電磁作動(dòng)器的機(jī)構(gòu)均較為復(fù)雜,且質(zhì)量大,占用空間也大,不利于后續(xù)的實(shí)車試驗(yàn),車企奧迪、學(xué)者寇發(fā)榮等［43］和陳世安等［44］都針對(duì)這一問題提出了自己的設(shè)計(jì)方案,但都遠(yuǎn)未滿足當(dāng)前懸架集成化、輕量化的需求；饋能電路的設(shè)計(jì)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?zhàn)伳茈娐?是解決電磁式饋能懸架饋能電壓低和消除饋能電機(jī)死區(qū)現(xiàn)象的重要方向,紐約大學(xué)石溪分校Peng 采用了buck-boost 變換器控制電磁減振器中發(fā)電機(jī)端電壓的變化,借助等效電阻優(yōu)化饋能電路,但未能進(jìn)行后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究；儲(chǔ)存單元普遍用的還是蓄電池,蓄電池對(duì)于儲(chǔ)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(dòng)能量大小所決定的,這就導(dǎo)致了大部分的轉(zhuǎn)化電能沒能得到儲(chǔ)存而浪費(fèi)。Kim 等［45］提出的帶有升壓斬波器的饋能控制電路,有效地調(diào)節(jié)超級(jí)電容充電端電壓,但效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證；控制策略還處于初級(jí)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(fù)合控制等控制策略實(shí)際的測試效果都不太顯著,還沒有達(dá)到電磁式智能控制要求,沒有有效解決懸架所處的非平穩(wěn)隨機(jī)激勵(lì)環(huán)境,許多可控的非線性振動(dòng)環(huán)節(jié)都沒能考慮。目前大部分學(xué)者對(duì)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(duì)自己研究提出的電磁式饋能懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與測試,而能完成作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、饋能電路、儲(chǔ)能單元以及控制策略的整體配置的極少,能對(duì)電磁式饋能懸架的整體配置和軟硬件適配,將整套系統(tǒng)在實(shí)車上試驗(yàn)測試的寥寥無幾,因此,電磁式饋能懸架的整體技術(shù)還需進(jìn)一步提升。

2.2 電磁式饋能懸架技術(shù)的發(fā)展方向

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,汽車技術(shù)在不斷革新,電控元器件、導(dǎo)磁材料、通電回路、儲(chǔ)能裝置以及新型供電電源等技術(shù)不斷創(chuàng)新,使得電磁式饋能懸架進(jìn)一步發(fā)展,性能也得到很大改善,電磁式饋能懸架將會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

要想實(shí)現(xiàn)汽車上實(shí)際應(yīng)用電磁式饋能懸架,首要解決的技術(shù)難點(diǎn)是協(xié)調(diào)懸架饋能與主動(dòng)控制之間的矛盾,設(shè)計(jì)相應(yīng)的懸架控制策略,在懸架饋能和主動(dòng)控制之間權(quán)衡,提高懸架綜合性能；其次是研發(fā)有效的升壓型饋能電路或改進(jìn)超級(jí)電容的儲(chǔ)能閾值,以解決目前低饋能電壓的存儲(chǔ)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(yīng)能在實(shí)現(xiàn)自供能的前提下,還能對(duì)富余能量進(jìn)行存儲(chǔ),提高饋能效率可從降低能量在傳動(dòng)中的損耗,開發(fā)更高性能的導(dǎo)磁材料,優(yōu)化饋能電路、解決低饋能電壓下電能存儲(chǔ)問題、使用更高效的儲(chǔ)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(chǔ)是當(dāng)前該領(lǐng)域亟須解決的主要難點(diǎn)。

電磁式饋能懸架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要向集成化、輕量化發(fā)展,集成化設(shè)計(jì)懸架結(jié)構(gòu)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(zhì)量,從而提升懸架整體技術(shù)工藝。電磁式饋能懸架還要滿足汽車智能化發(fā)展的需求,研究基于人工智能的電磁懸架控制系統(tǒng),且控制策略和控制單元的軟硬件建設(shè)要與整車的控制系統(tǒng)匹配,能在舒適與節(jié)能之間選擇最佳的控制目標(biāo),此外,還需要研制適配的嵌入式智能傳感器,用于監(jiān)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(qiáng)懸架的自檢功能,在懸架出現(xiàn)故障時(shí)可提示駕駛員進(jìn)行檢查維修,還對(duì)提高懸架的控制準(zhǔn)確性和可靠性有重要的意義。

在全球大力發(fā)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(yīng)用潛力,電磁式饋能懸架所收集的能量除了為主動(dòng)控制提供能量外,還可用于增加新能源汽車的續(xù)航和其他負(fù)載提供電力,實(shí)現(xiàn)真正的自供自給懸架系統(tǒng),在電磁式饋能懸架實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)推進(jìn)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(shí)車試驗(yàn)研究,測試更為準(zhǔn)確的實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù),為饋能裝置進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。還要對(duì)懸架的耐久性進(jìn)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(yīng)局限于懸架振動(dòng)能量,汽車的制動(dòng)能量和輪胎形變能量都有很好的發(fā)電潛力,可綜合考慮,如集成于輪轂電機(jī)進(jìn)行復(fù)合回收,電磁式饋能懸架的實(shí)際應(yīng)用需要能夠兼顧振動(dòng)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(fā)展趨勢。

3 結(jié)論

本文細(xì)致闡述電磁式饋能懸架結(jié)構(gòu)與性能的發(fā)展歷程,并分析當(dāng)前存在的技術(shù)難點(diǎn),提出了對(duì)應(yīng)的研究解決方向。電磁式饋能懸架結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快、能兼顧振動(dòng)控制與被動(dòng)饋能,并能適應(yīng)汽車技術(shù)電動(dòng)化、智能化的發(fā)展趨勢,已成為懸架技術(shù)的重要研究方向。然而,電磁式饋能懸架技術(shù)仍存在饋能與主動(dòng)控制的矛盾協(xié)調(diào)難度大、能量存儲(chǔ)不易、饋能效率不高、整體技術(shù)有待深入等問題,這些技術(shù)難點(diǎn)的解決是電磁式饋能懸架得以持續(xù)發(fā)展和進(jìn)一步提升的關(guān)鍵。本文可為快速了解該領(lǐng)域及技術(shù)研究提供重要參考價(jià)值。