汽车振动能量回收发电悬架研究概述

2011-08-15贾全忠

科学之友 2011年24期

贾全忠

（1. 山东科技大学，山东泰安 271019；2. 潍坊科技学院，山东潍坊 262700）

受石油危机的影响，汽车节能工作受到了世界各国的普遍高度重视，许多国家都把节能作为一项国策，纷纷采取手段，出台政策。吉林大学于长淼采用CARSIM仿真软件对汽车减振器能量耗散情况做过仿真试验，从仿真试验结果可看出，减振器消耗能量占发动机输出能量的比重较大，且路面越不平整、汽车车速越高，减振器消耗能量占发动机输出能量的比重就越大，且路面不平度系数对减振器能耗百分比的影响更直接。可见汽车振动能量较大，具有一定回收的价值。可见减振器能耗是汽车能耗的重要组成部分，只是这部分振动能量一直未被利用。随着能源问题的日益突出，节能是当前汽车设计中的首要问题之一。回收汽车振动能量，越来越具有实际意义。因此，既节能，性能又好的悬架系统，必将成为一个具有实际意义的研究方向。

1 国内外研究现状

自20世纪70年代末，学者们开始从理论上分析研究车辆悬架的振动能量和回收的可行性。加利福尼亚大学戴维斯分校的Karnopp在车辆悬架系统能耗和主动悬架的研究中，理论分析了车辆被动悬架阻尼器的能量损失机理，揭示了悬架系统的能量耗散过程，指出振动能量回收悬架系统可减低整车驱动功率，对电动车辆尤为有利。Velinsky基于四自由度后轴悬架模型，通过测量悬架阻尼器和轮胎之间的相对速度，分析了悬架系统的能量耗散。Segel分析了悬架系统能量耗散对抑制不平路面振动的影响，计算得到某乘用车在颠簸路面上以13.4 m/s的速度行驶时，4个被动阻尼器的能量耗散功率约为200 W。Hsu以GM Impact为例，估算了某车辆在高速道路上以16 m/s的车速行驶时，平均每个车轮可回收能量功率为100 W，相当于车辆驱动功率的5%。喻凡理论计算了汽车主动悬架的耗能情况和回收路面振动能量潜能。Browne对某轿车阻尼器的能量耗散进行了定量测量，结果表明在典型城市道路上，4个阻尼器的能量耗散功率为40～60 W。

自20世纪80年代末，国内外开始对汽车振动能量回收悬架进行进一步研究开发和应用，研究从机械式振动能量回收悬架逐步转移到电磁式振动能量回收悬架。汽车振动能量回收悬架得到了许多学者和企业的关注，已进入物理样机试验应用阶段。在机械式振动能量回收悬架方面，再生泵装置，机械式可变线性传动装置以及再生作动器是较典型的例子，虽然在能量回收性能上，有些只适合某种特殊工况，但是在设计理念上突出了使用回收的能量来抑制振动或维持车身姿态的功能或为其他用电器供电。由于电机能量转换方面的优势，永磁电机被应用在汽车振动能量回收悬架上，振动能量回收发电悬架开始迅速发展起来。振动能量回收悬架在实现途径上主要有液压式振动能量回收和电磁式振动能量回收两种。液压式振动能量回收的原理是通过适当的机械传动结构将车轮和车身的振动能量传递给液压或气压储能装置，以液压能或气压的形式进行存储，在适当的时候释放储能，减小能耗。电磁式振动能量回收的原理是用机械能与电能的转换装置替代传统的减振器，当车轮和车身相对运动时，电机的线圈切割磁力线，向外输出电流，将机械振动能量转化为电能，存储到储能装置中。

液压式振动能量回收悬架的优点是：它可在现有液压或空气悬架上，增加液或气形式的振动能量回收装置，通过调整控制策略，减小能耗。但其缺点是响应频率较低，响应速度较慢，回收的能量应用范围受到限制。电磁式振动能量回收悬架根据能量转化装置结构的不同又分为直线电机式振动能量回收悬架和旋转电机式能量回收悬架。直线电机式传动效率不高，质量较大、磁场强度不足，而旋转电机式则较好地弥补了前者的缺点。旋转电机式的振动能量回收效率明显超过直线电机式。

2 发展趋势

自20世纪70年代起，国内外许多学者就开始了对汽车振动能量回收悬架的研究，但到目前为止，该技术没有商业应用。振动能量回收悬架按能量回收装置分，主要有液压式振动能量回收装置和电磁式振动能量回收装置两种；按其工作方式分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。液压式振动能量回收悬架的响应频率较低，响应速度较慢，能量回收能力有限，而电磁式振动能量回收悬架能量转换方便，且利于存储和再利用，因此正在成为振动能量回收悬架领域的研究热点。国内外学者和企业已围绕有效回收振动能量和保证足够的减振性能等核心问题进行了探索和尝试，获得了一些有价值的成果，并在样机试制和试验验证上取得了较大进展。随着电控系统的日趋成熟以及控制策略的日益完善，电磁式振动能量回收悬架，将会成为具有发展前景的研究方向。