电动汽车振动能量回收综述

李长玉 林子涵

摘 要：电动汽车的能量回收在电动汽车出现后不久就被人们所重视，随着各种技术的发展，电动汽车能量回收技术也变得越来越成熟。本文主要研究了电动汽车振动能量回收方式。将部分已经进行的研究进行了归纳，分析了各种回收方式的优劣以及目前面临的问题和解决的建议，并对于电动汽车能量回收的未来发展进行展望。

关键词：电动汽车 振动能量 回收

Abstract：The energy recovery of electric vehicles has been valued soon after the emergence of electric vehicles. With the development of various technologies， the energy recovery technology of electric vehicles has become more and more mature. This article mainly studies the vibration energy recovery methods of electric vehicles. Part of the research that has been carried out is summarized， the advantages and disadvantages of various recycling methods， the current problems and solutions are analyzed， and the future development of the energy recycling of electric vehicles is prospected.

Key words：electric vehicle， vibration energy， recovery

1 引言

隨着时代的发展，能源问题愈来愈严峻，人们越来越重视能源的利用率，因此众多学者对电动汽车的能量可回收性进行了研究，电动汽车能量回收由所在部位的不同分类可分为制动能量回收、电池热能回收、振动能量回收三种。

电动汽车能量回收有着巨大的潜力，研究表明汽车能量损失相当巨大，如果燃料供应以100%计算，除去排气33%，冷却29%剩余的机械功率38%，机械功率中摩擦损失33%（传动损失5%，滚动阻力损失11.5%，制动器损失5%，发动机11.5%），空气阻力损失5%，最后用于移动汽车的能源只占21.5%[1]。由此可见能量回收能够为汽车能源的节省带来巨大的收益。

2 电动汽车振动能量回收的方式

2.1 机械式

最初研究者是将馈能装置直接安装到减震装置中，通过减震产生的液体流动或空气流动产生能量回馈，结构简单，但容易磨损，效率不高。梁新成等人设计了一套液压式能量回收系统，分别进行了仿真和实验，降低了悬架减震时的热能散失，将振动能量的10%转化为电能[2-3]。

2.2 电磁式

随着电机技术的发展，电磁式馈能悬架的潜力被人们所发掘。特别在20世纪80年代取得了突破性的进展。电机馈能的电机分为直线电机与旋转电机Gysen等人在电磁式馈能悬架方面做出了巨大贡献，他们设计了一种直线电机减震器如图1[3-4]。

直接驱动直线电机式：电机直接驱动式馈能具有传动效率高，能够直接应用于当前的减震系统。Bose公司将直线电机应用于车辆悬架，该系统消耗了汽车空调所用能量的三分之一。直接驱动电机有质量较大，磁场强度不均匀，容易产生高温等问题，技术有待提高。滚珠丝杆式：滚珠丝杆结构回收效率相对较高，因为旋转运动由电动机直接转化为电能。对于涡流阻尼器，其振动控制性能略优于其他商用阻尼器。许广灿等人对一种滚珠丝杆式馈能悬架进行了研究，结果表明悬架在不同路况下能量回收量达到了20w到200w，并且可以通过改变负载阻值对悬架阻尼进行调节，瞬时回馈能量达到了120w，实验结果如图2。

Wai C K等人则是设计了一种新型混合阻尼器的涡流阻尼元件[5]。黄昆，张勇超等人也对滚珠丝杆式亏能悬架进行了研究[7]。齿轮齿条式：齿轮齿条具有传动效率高，稳定性好的优势但体积大，成本高的劣势也很明显。杨和利等人针对这些缺点进行了研究。最后发电机转子的转动惯量减小71%，体积减小约40%，节省励磁功率20～30W[6]。Amati N等人对齿轮齿条式和麦弗逊式悬架转向系统进行了分析和优化。自力磁流变式：磁流变阻尼器以其机械简单、动态范围大、功率要求低、受力能力大、鲁棒性在结构减振方面具有广阔的应用前景[7]。Kim I H等人提出了一种由磁流变阻尼器和电磁感应（EMI）装置组成的自供电智能阻尼系统，将智能阻尼系统的性能与等效被动阻尼系统的性能进行了比较。随着研究的深入，该方式将会有巨大前景。行星齿轮式：行星齿轮式电磁馈能阻尼器常用于重型车辆。ECASS 系统在美军的“枪骑兵”战车上使用过如图3所示。它具有结构紧凑，防护性极好等优点。考虑到电机功率的限制，此系统只能用于20t以下的车辆[8]。

2.3 压电式

压电式材料是利用压电材料受挤压或变形后产生电位差的生电效应，将车辆振动能量转化为电能进行回馈。部分学者对于压电材料的应用进行了研究。单小彪等人设计了一种压电式电磁能量收割机，在压电回收装置上增加了一个悬浮电磁元件。压电技术进行能量回收需要借助整流器进行整流，再储存至储能装置中，与此同时悬架还会产生衰减车身振动所需要的阻尼来提高乘客在车内的乘坐舒适性。压电式能量回收装置由于压电材料价格较高且种不同材料耐久度不同，因此受到了一定限制[9-10]。

3 目前面对的问题

综合对比几类回收方式电磁式馈能悬架更具有研究。馈能时悬架振动属于直线运动而且频率很高因此实现电机回收较难，并且不同路面回收得到的能量差距很大，在合理控制馈能装置进行馈能的同时还要考虑阻尼特性等因素影响[11]。

3.1 馈能与减振之间的矛盾

悬架首要目的是减震，而馈能的条件是振动面对这种问题悬架只能选择使用两种模式，即馈能悬架在馈能回收与主动控制两种模式中来回切换。但依然存在两个问题：首先是难以实现连续的变阻尼空置使减震效果大打折扣。其次电动机与发电机难以实现高频快速转换。主动悬架耗能高半主动悬架控制能力弱，为了节约能源，只能制定一些策略来达到再生能源和消耗能源之间的平衡，我们必须明显地降低振动控制性能，但这明显是不可取的[12-13]。

3.2 电机死区

一般情况下直流电动机的转速与电枢电压成正比，但当电压很低的时候，电机很难启动。电机的死区电壓电枢电压从零开始到电机启动电压之间的区间产生的电机失效现象即为电机死区现象。如果车辆行驶路面平顺那么很有可能悬架的振动不能够启动电机导致电机死区现象的发生。可以通过增大电动机转速或降低发电机的最低工作转速的方法进行改善[14]。

3.3 将较低的馈能电压进行储存

目前应用到的电磁式悬架能量回收大部分都属于电磁悬挂系统，而并非实际的以馈能为目的的馈能悬架，因此所回收的能量只是振动能量的冰山一角，同时当下的馈能悬架技术并不成熟因此在道路平顺的情况下电压太低很难做到高效回收。寇发荣等人设计的 Boost 升压斩波电路就是一种优化方式，这也表明电机技术的发展也将会对馈能悬架的发展起到巨大的推动作用[15]。

3.4 馈能效率不高

由于以上所述原因不考虑目前技术是否成熟的前提下，所投入的成本也很难以其经济效应平衡，这是制约馈能悬架实用于大部分车辆的主要因素，如何提高馈能悬架馈能效率依然是需要攻克的难题。

4 结论

馈能悬架的可行性早已被人们证实，也有很多学者对它进行了相应的研究，但不论如何从控制技术或是电机技术进行优化馈能悬架所存在的馈能与减震之间的矛盾以及电机死区问题始终存在，或许通过对于馈能悬架不断优化能够提高其经济性但想要解决上述问题或许需要一些彻底的创新。

参考文献：

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