CN103921641B - 一种馈能悬架系统与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种车辆馈能悬架系统与控制方法，馈能悬架由弹簧和直线电机并联组成；馈能回路由桥式整流器和直流变换器串联组成，直流变换器由一个电感、二极管和两个MOS管组成，根据对悬架系统的控制要求计算直线电机需提供的电磁阻尼力<i>F</i>ref，计算悬架振动时，在馈能回路不含直流变换器的情况下直线电机直接经过桥式整流器给储能元件充电时产生的电磁阻尼力<i>F</i>N，比较<i>F</i>ref和<i>F</i>N的大小，控制直流变换器工作在升压、降压模式，使直线电机产生电磁阻尼力；将对直线电机电磁阻尼力的控制转化为对直线电机三相绕组电流的控制，消除了悬架振动过程中由于馈能电压小于储能元件电压阈值而出现的“死区”现象。
Description
技术领域
本发明属于车辆节能减排技术领域，具体涉及车辆的馈能悬架系统与控制方法。
背景技术
车辆的馈能悬架能够将由于路面不平激励引起的振动能量转化为电能储存起来，是汽车节能减排的重要举措。转化的电能储存时，馈能电压大于储能元件端电压时才能在电路中产生正向的电势差，进行充电。但是，通常情况下，汽车以较低车速行驶在良好路面上时，悬架系统的馈能电压较低，当该电压小于储能元件的电压，电路中不产生电流，出现“死区”现象，使悬架系统存在安全隐患。馈能悬架系统的减振性能和馈能性能也是相互矛盾的，要提高系统的减振性能，势必需要消耗更多的能量，悬架振动的抑制也会导致较小振动能量的产生，馈能性能相应受到影响，因此，如何协调馈能悬架系统的减振性能和馈能性能也是馈能悬架系统亟待解决的关键问题。
现有技术方案中，大多从机械结构方面出发，提出了一系列回收悬架振动能量、并将之转化为其他形式能量储存的方案，而针对馈能悬架系统中如何将低的馈能电压进行存储、如何消除死区现象以及如何协调控制馈能悬架系统的减振性能与馈能性能等核心问题却研究的比较少，如何解决上述馈能悬架将振动能量转化为电能过程中所产生的附加问题也成为制约馈能悬架大规模应用的重要因素。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：回收汽车运行过程中悬架系统的振动能量，消除悬架振动能量回收过程中由于馈能电压小于储能元件端电压而产生的“死区”现象，提高馈能效率，同时协调馈能悬架系统的减振性能和馈能性能。
本发明一种馈能悬架系统采用的技术方案是：本发明馈能悬架系统包括馈能悬架、馈能回路、储能元件和ECU，馈能悬架由弹簧和直线电机并联组成；馈能回路由桥式整流器和直流变换器串联组成，馈能回路的三个输入端接口分别与直线电机的三相绕组连接，馈能回路的两个输出端接口与储能元件连接；所述桥式整流器由6个二极管组成，所述直流变换器由一个电感、二极管和两个MOS管组成，第一MOS管的D端与桥式整流器的共阴极输出端连接、S端与二极管的阴极连接，二极管的阳极与桥式整流器的共阳极输出端连接，电感与第二MOS管串联连接且两者并联在二极管的两端；第二MOS管的S端与二极管的阳极连接、D端与电感连接；馈能回路的两个输出端接口分别从第二MOS管的D端和S端引出。
本发明一种馈能悬架系统的控制方法采用的技术方案是有以下步骤：
A、根据对悬架系统的控制要求计算直线电机需提供的电磁阻尼力F ref，满足：F ref≤K i K e v/R；当F ref>K i K e v/R时，则令F ref=K i K e v/R，K i是直线电机的推力系数，K e是直线电机的反电势系数，v是车身与车轮的相对运动速度，R是直线电机的绕组内阻；
B、计算悬架振动时，在馈能回路不含直流变换器的情况下直线电机直接经过桥式整流器给储能元件充电时产生的电磁阻尼力F N=K i（K e v-U C）/R；U C是储能元件的端电压；
C、根据电磁阻尼力F ref和直线电机的绕组实际电流I，产生直流变换器工作在升压模式时第二MOS管的脉冲信号或是工作在降压模式时第一MOS管的脉冲信号，电磁阻尼力F ref对应的绕组电流大小为，根据绕组电流I ref和绕组实际电流I的差值，采用PI控制得到使第一、第二MOS管工作在斩波模式时的导通时间，该信号经过三角波信号的调制得到控制MOS管的脉冲信号；
D、比较电磁阻尼力F ref和F N的大小，若F ref>F N，则控制直流变换器工作在升压模式，ECU4控制第一MOS管工作在导通状态，脉冲信号作用于第二MOS管，控制第二MOS管斩波；若F ref<F N，则控制直流变换器工作在降压模式，ECU4控制第二MOS管工作在断开状态，脉冲信号作用于第一MOS管，控制第一MOS管斩波，使直线电机产生电磁阻尼力F ref。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
（1）采用直线电机回收悬架振动的振动能量，省去了中间的运动转化机构，使馈能悬架系统结构更加紧凑、简单，提高了系统的馈能效率。
（2）储能元件储存回收的悬架能量，不作为馈能悬架的动力源，提高了储能元件的寿命，减小了对储能元件的负荷要求，同时提高了系统的燃油经济性。
（3）消除了悬架振动过程中由于馈能电压小于储能元件电压阈值而出现的“死区”现象，避免了悬架系统因工作“死区”出现的安全隐患。
（4）通过对直流变换器的控制，实现馈能悬架馈能性能和减振性能的协调控制，在回收悬架振动能量的同时，提高了馈能悬架系统的舒适性和安全性。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明一种馈能悬架系统的原理图；
图2是图1中馈能悬架1的结构图；
图3是图1中馈能回路2的拓扑结构图；
图4是图3中直流变换器22工作在Boost模式时的原理图；
图5是图3中直流变换器22工作在Buck模式时的原理图；
图6是本发明一种馈能悬架系统的控制方法的原理框图；
图7是本发明一种馈能悬架系统的控制方法的流程图。
图中：1-馈能悬架；2-馈能回路；3-储能元件；4-ECU；11-弹簧；12-直线电机；21-桥式整流器；22-直流变换器；211二极管；221-第一MOS管；222-电感；223-第二MOS管；224-二极管。
具体实施方式
如图1所示，本发明馈能悬架系统包括馈能悬架1、馈能回路2、储能元件3和ECU4。馈能悬架1实现对悬架振动能量的回收，并转化为电能通过馈能回路2储存到储能元件3中；储能元件3可以是超级电容或是蓄电池，或者是由超级电容和蓄电池组成的复合电源系统；ECU4分别采集馈能悬架1、馈能回路2、储能元件3的信号，并提供给馈能悬架1和馈能回路2控制信号，实现对馈能悬架系统馈能性能和隔振性能的调节。
如图2所示，馈能悬架1由弹簧11和直线电机12并联组成，直线电机12的定子与车身连接，动子与车轮连接。直线电机12在汽车运行过程中将悬架的振动能量转化为电能，同时起到减振作用。储能元件3仅仅起到储存电能的作用，不给直线电机12提供电能，但储存的电能可以作为汽车上其他耗能元件的动力源。
如图3所示，馈能回路2由桥式整流器21和直流变换器22串联组成。馈能回路2的三个输入端接口a、b、c对应普通的桥式整流器21的三个输入端接口，三个输入端接口a、b、c分别与馈能悬架1中的直线电机12的三相绕组连接。馈能回路2的两个输出端接口d、e用于与储能元件3连接。
桥式整流器21由6个二极管211组成，用于将直线电机12感应出的三相交流电转化为直流电。直流变换器22由第一MOS管221、第二MOS管B223、电感222和二极管224组成，其中，第一MOS管221和第二MOS管223均为增强型的N沟道MOS管，第一MOS管221的D端与桥式整流器21的共阴极输出端连接、S端与二极管224的阴极连接，二极管224的阳极与桥式整流器21的共阳极输出端连接，电感222与第二MOS管223串联连接，且两者并联在二极管224的两端；第二MOS管223的S端与二极管224的阳极连接、D端与电感222连接。馈能回路2的两个输出端接口d、e分别从第二MOS管223的D端和S端引出。
直流变换器22可以工作在升压（Boost）和降压（Buck）两种模式。当直流变换器22工作在Boost模式时，此时第一MOS管221闭合，处于导通状态，第二MOS管223斩波，直流变换器22对馈能悬架1输出电压升压，绕组电流随第二MOS管223导通时间的增加而变大，忽略电路中各元件的寄生参数，其工作原理图如图4所示，第一MOS管221此时相当于一根导线；当直流变换器22工作在Buck模式时，此时第二MOS管223关断，处于断开状态，第一MOS管221斩波，直流变换器22对馈能悬架1输出电压降压，绕组电流随第一MOS管221导通时间的增加而增加，其工作原理图如图5所示。
本发明馈能悬架系统的控制是将对直线电机12电磁阻尼力的控制转化为对直线电机12三相绕组电流的控制。ECU4采集馈能悬架系统相应的传感器信号：ECU4采集悬架车身与车轮的相对运动速度v信号、直线电机12绕组电流I信号以及储能元件3的端电压U C信号。直线电机12的推力系数K i、反电势系数K e和绕组内阻R由直线电机12本身的特性决定。馈能悬架系统的控制原理如图6所示，控制方法的具体流程如图7所示，实现步骤为：
步骤1：根据对悬架系统的控制要求计算直线电机12需提供的电磁阻尼力F ref；电磁阻尼力F ref受到车身与车轮的相对运动速度v的约束，也是直线电机12的工作速度v的约束，该电磁阻尼力满足：F ref≤K i K e v/R；当F ref>K i K e v/R时，则令F ref=K i K e v/R。
步骤2：计算悬架振动时，在馈能回路2不含有直流变换器22的情况下，即悬架不经过直流变换器22，直线电机12直接经过桥式整流器21给储能元件3充电时产生的电磁阻尼力F N，该电磁阻尼力F N可以根据ECU4采集到的悬架车身与车轮的相对运动速度v信号和储能元件3的端电压U C信号求得：F N=K i（K e v-U C）/R。
步骤3：根据直线电机12所需提供的电磁阻尼力F ref和ECU4采集到的直线电机12的绕组实际电流I信号，产生直流变换器22工作在Boost模式时第二MOS管223的脉冲信号或是工作在Buck模式时第一MOS管221的脉冲信号。电磁阻尼力F ref对应的绕组电流大小为，根据绕组电流I ref和绕组实际电流I的差值，采用PI控制（参见图6），得到使第一MOS管221或第二MOS管223工作在斩波模式时的导通时间T on，该信号经过三角波信号的调制，得到控制MOS管的脉冲信号。
步骤4：判别直流变换器22工作模式，比较F ref和F N的大小，若F ref>F N，则控制直流变换器22工作在Boost模式，ECU4控制第一MOS管221工作在导通状态，脉冲信号作用于第二MOS管223，控制第二MOS管223斩波；若F ref<F N，则控制直流变换器22工作在Buck模式，ECU4控制第二MOS管223工作在断开状态，脉冲信号作用于第二MOS管221，控制第一MOS管221斩波，使直线电机12产生电磁阻尼力F ref。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种馈能悬架系统，包括馈能悬架（1）、馈能回路（2）、储能元件（3）和ECU（4），馈能悬架（1）由弹簧（11）和直线电机（12）并联组成；馈能回路（2）由桥式整流器（21）和直流变换器（22）串联组成，馈能回路（2）的三个输入端接口分别与直线电机（12）的三相绕组连接，馈能回路（2）的两个输出端接口与储能元件（3）连接，其特征是：所述桥式整流器（21）由6个二极管（211）组成，所述直流变换器（22）由一个电感（222）、二极管（224）和两个MOS管组成，第一MOS管（221）的D端与桥式整流器（21）的共阴极输出端连接、S端与二极管（224）的阴极连接，二极管（224）的阳极与桥式整流器（21）的共阳极输出端连接，电感（222）与第二MOS管（223）串联连接且两者并联在二极管（224）的两端；第二MOS管（223）的S端与二极管（224）的阳极连接、D端与电感（222）连接；馈能回路（2）的两个输出端接口分别从第二MOS管（223）的D端和S端引出。
2.根据权利要求1所述的一种馈能悬架系统，其特征是：储能元件（3）是电容或是蓄电池，或是由电容和蓄电池组成的复合电源系统。
3.根据权利要求1所述的一种馈能悬架系统，其特征是：直线电机（12）的定子与车身连接，动子与车轮连接。
4.一种如权利要求1所述馈能悬架系统的控制方法，其特征是具有以下步骤：
A、根据对悬架系统的控制要求计算直线电机（12）需提供的电磁阻尼力F ref，电磁阻尼力F ref满足：F ref≤K i K e v/R；当F ref>K i K e v/R时，则令F ref=K i K e v/R，K i是直线电机（12）的推力系数，K e是直线电机（12）的反电势系数，v是车身与车轮的相对运动速度，R是直线电机（12）的绕组内阻；
B、计算悬架振动时，在馈能回路（2）不含直流变换器（22）的情况下直线电机（12）直接经过桥式整流器（21）给储能元件（3）充电时产生的电磁阻尼力F N=K i（K e v-U C）/R；U C是储能元件（3）的端电压；
C、根据电磁阻尼力F ref和直线电机（12）的绕组实际电流I，产生直流变换器（22）工作在升压模式时第二MOS管（223）的脉冲信号或是工作在降压模式时第一MOS管（221）的脉冲信号，电磁阻尼力F ref对应的绕组电流大小为，根据绕组电流I ref和绕组实际电流I的差值，采用PI控制得到使第一、第二MOS管（221、223）工作在斩波模式时的导通时间，第一MOS管（221）的脉冲信号和第二MOS管（223）的脉冲信号经过三角波信号的调制得到控制MOS管的脉冲信号；
D、比较电磁阻尼力F ref和F N的大小，若F ref>F N，则控制直流变换器（22）工作在升压模式，ECU（4）控制第一MOS管（221）工作在导通状态，脉冲信号作用于第二MOS管（223），控制第二MOS管（223）斩波；若F ref<F N，则控制直流变换器（22）工作在降压模式，ECU（4）控制第二MOS管（223）工作在断开状态，脉冲信号作用于第一MOS管（221），控制第一MOS管（221）斩波，使直线电机（12）产生电磁阻尼力F ref。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征是：所述升压模式是：第一MOS管（221）闭合，第二MOS管（223）斩波，直流变换器（22）对馈能悬架（1）输出电压升压；所述降压模式是：第二MOS管（223）关断，第一MOS管（221）斩波，直流变换器（22）对馈能悬架（1）输出电压降压。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征是：由ECU（4）采集悬架车身与车轮的相对运动速度v信号、绕组实际电流I信号以及储能元件（3）的端电压U C信号。
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