CN105172507A - 一种用于汽车悬架的自供能磁流变减振器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于汽车悬架的自供能磁流变减振器系统，包括磁流变减振器、振动能量回收装置、能量管理单元以及控制单元；振动能量回收装置可以回收汽车的振动能，所回收的能量以电的形式通过能量管理单元为磁流变减振器和控制单元供电，多余的电能储存在车载电池中；当车辆起步或者车辆振动比较平缓时，能量管理单元利用车载电池的电能为磁流变减振器和控制单元供电；控制单元根据汽车的运行状态和行驶路况实时、连续、无级调节磁流变减振器的阻尼，进而改善汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。该新型减振器系统结构简单、小巧，能耗低、效率高，成本低廉，易于实现。

Description

一种用于汽车悬架的自供能磁流变减振器系统

技术领域

本发明属于汽车减振器技术领域，具体涉及一种用于汽车悬架的自供能磁流变减振器系统的设计。

背景技术

汽车减振器安装在车架和车桥之间，可缓解路面带来的冲击，迅速吸收颠簸时产生的震动，使车辆恢复到正常行驶状态。

传统减振器受减振器结构及其工作环境的限制，难以实现振动能量的回收和减振器性能的实时调节，无法适应车况与路况的变化，因此限制了性能的提高。磁流变减振器活塞内的液体是一种磁性软粒悬浮液，利用活塞杆内电磁线圈的磁场的变化来控制其流变特性，从而产生反应迅速、可控性强的阻尼力，虽然磁流变减振器具有阻尼力可调、结构紧凑等特点，但是需要外部提供能量，另外，该减振器将车辆的振动能以热量的形式耗散掉，这不符合节能的主题。汽车振动能量回收系统所回收的电能具有高压低电流的特点，且电流是瞬时和交变的，由于系统所具有的阻尼效应使得振动能量的回收、转化和储存都存在一定的难度。

为了实现将车辆的振动能以电能的形式回收，并利用所回收的能量驱动和控制减振器，降低车辆能耗，提高车辆的行驶平顺性和操纵稳定性，就需要设计一种用于汽车悬架的自供能磁流变减振器系统。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中磁流变减振器需要耗能的不足以及难以实现能量回收的问题，提出了一种用于汽车悬架的自供能磁流变减振器系统。

本发明的技术方案为：一种用于汽车悬架的自供能磁流变减振器系统，包括车身、车载电池、磁流变减振器、振动能量回收装置、能量管理单元以及控制单元；振动能量回收装置固定连接于车身上并且与能量管理单元连接，磁流变减振器的活塞杆中的可控电磁线圈与控制单元连接，控制单元与能量管理单元相互连接且分别并接于车载电池。

优选地，振动能量回收装置包括上压电片、金属基座和下压电片；金属基座以悬臂梁固定的方式连接于车身；上压电片和下压电片分别覆盖于金属基座的上下表面且分别与能量管理单元连接。

优选地，能量管理单元用于将振动能量回收装置回收的电能先储存在储能电容中，再利用Buck型DC-DC变换器将其转换成合适的电压后，为磁流变减振器的活塞杆中的可控电磁线圈和控制单元供电，以及为车载电池充电。

优选地，控制单元用于接收来自车身垂向振动加速度传感器的信号，经过内置智能控制算法对汽车的运行状态和行驶路况进行识别和预测，并对可控电磁线圈中的电流进行实时、连续、无级控制。

本发明的有益效果是：

(1)可实现汽车振动能量的回收与利用。

(2)控制单元根据车载传感器信号对汽车的运行状态和行驶路况进行识别和预测，实时闭环调节减振器的性能，在各种车况和路况下都有最优的工作条件。

(3)能量管理单元先将所回收的电能储存在储能电容中，再将其转换为合适的电压后才为磁流变减振器和控制单元供电，效率高、功耗低，对系统元器件的损害小，易于实现。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于汽车悬架的自供能磁流变减振器系统结构示意图。

图2为本发明中振动能量回收装置结构示意图。

图3为本发明中能量管理单元电路图。

附图标记说明：1—车身、2—车载电池、3—磁流变减振器、4—振动能量回收装置、5—能量管理单元、6—控制单元、31—可控电磁线圈、41—上压电片、42—金属基座、43—下压电片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

本发明提供了一种用于汽车悬架的自供能磁流变减振器系统，如图1所示，包括车身1、车载电池2、磁流变减振器3、振动能量回收装置4、能量管理单元5以及控制单元6。振动能量回收装置4固定连接于车身1上并且与能量管理单元5连接，磁流变减振器3的活塞杆中的可控电磁线圈31与控制单元6连接，控制单元6与能量管理单元5相互连接且分别并接于车载电池2。

如图2所示，振动能量回收装置4包括上压电片41、金属基座42和下压电片43，金属基座42以悬臂梁固定的方式连接于车身1，上压电片41和下压电片43分别覆盖于金属基座42的上下表面且分别与能量管理单元5连接。悬臂梁式固定在车身1上的金属基座42随车身振动，固定在金属基座42上的上压电片41和下压电片43也随之振动而发生弯曲变形，振动能量回收装置4利用压电片的压电效应将车辆的振动能以电能的形式加以回收。

由于振动能量回收装置4所回收的电能具有高电压低电流的特点，且电流是瞬时和交变的，在电能的收集过程中，压电材料所具有的阻尼效应使得其内部产生电阻，产生的电能未及时输出就被系统自身消耗了；另一方面，所回收的电能的高压、瞬变特点也决定了其不能直接对车载电池充电，因此，能量管理单元5先将所回收的电能储存在储能电容中，当储能电容中的电能储存到一定程度时，再利用Buck型DC-DC变换器将其转换为合适的电压后，为磁流变减振器3的活塞杆中的可控电磁线圈31和控制单元6供电，多余的电能储存在车载电池2中。

当车辆起步或者车辆振动比较平缓时，能量管理单元5利用车载电池2的电能为磁流变减振器3和控制单元6供电，系统可靠性高。在车载电池2无电的情况下，能量管理单元5中的储能电容可以充当电源，保证磁流变减振器系统的正常运行。

如图3所示，该新型减振器的能量管理系统主要由振动能量回收装置X2、车载电池V1、控制系统C0、磁流变减振器活塞杆中的可控电磁线圈L2、桥式整流器D1、555计时器A1以及MOS管、比较器、二极管、三极管、储能电容、滤波电容和其他元器件等组成，其中MOS管Q2、Q3、Q7和Q11是P沟道MOS管，Q1、Q4、Q5、Q6、Q8、Q9和Q10是N沟道MOS管。振动能量回收装置X2将汽车的振动能转化为电能，经过桥式整流器D1、滤波电容C1后得到较稳定的直流电。在振动能量回收的初期，储能电容C1、C4、C5中储存的电能较少。如果车载电池V1的两端电压小于22.13V，MOS管Q9的栅-源电压U_GS＝0，Q9导通，整流滤波后的电能先给储能电容C4充电，储能电容C4的端电压也随之升高；当储能电容C4中的电能储存到一定值时，C4的端电压也上升到一定的数值，电压比较器U3A开始工作，产生高电平控制信号导通MOS管Q1，Q2的G端被拉低，Q2导通，储能电容C4开始给储能电容C5充电，同时，由三极管Q12、调整管Q13、稳压管D3以及电阻R12、R13、R14、R15组成的稳压电路，将储能电容C4、C5的端电压转换为24V，为减振器活塞杆中的可控电磁线圈L2、控制系统C0供电，多余的电能储存在车载电池V1中。如果车载电池V1的两端电压大于22.13V，电压比较器U4B产生高电平控制信号导通MOS管Q6、Q8、Q10，MOS管Q6、Q8导通后，Q7、Q9的G端被拉低，Q7导通，Q9断开，储能电容C4不再充电，同时，MOS管Q7、Q10导通后，储能电容C5经过稳压后与车载电池V1一起为555计时器A1供电，555计时器A1的3脚OUT端输出PWM波，经过Q3、Q4、R9组成的功率放大器放大后提供给MOS管Q5，控制开关管Q5的导通与关闭；由滤波电容C1、MOS管Q5、二极管D2、电感L1、储能电容C5组成的Buck型DC-DC变换器，通过调节MOS管Q5的占空比和开关频率来获得最大功率输出的同时，将整流滤波后的电压转换为24V电压，为减振器活塞杆中的可控电磁线圈L2、控制系统C0供电，多余的电能储存在车载电池V1中。能量的传输路径为：车身1的振动能量→能量回收装置X2的电能→滤波电容C1中的电能→储能电容C4中的电能(当车载电池V1的端电压小于22.13V时)→储能电容C5中的电能→为系统供电或储存在车载电池V1中。

控制单元6根据车身垂向振动加速度传感器的信号，经过内置智能控制算法对汽车的运行状态和行驶路况进行识别和预测，同时对磁流变减振器3活塞杆中的可控电磁线圈31的电流进行实时控制，可控电磁线圈31通电后产生外加磁场，在磁场的作用下，磁流变减振器3中的磁流变液的阻尼特性发生变化，从而产生反应迅速、可控性强的阻尼力。

本发明提供的一种用于汽车悬架的自供能磁流变减振器系统的工作过程如下：

当车身1振动时，金属基座42也随之振动，压电片41、43受力发生弯曲变形，由于压电陶瓷片的压电效应而激发产生电能，进而实现振动能量的回收。利用Buck型DC-DC变换器，能量管理单元5将振动能量回收装置4回收的电能转换成合适的电压后，为磁流变减振器3活塞杆中的可控电磁线圈31和控制单元6供电，多余的电能储存在车载电池2中，能量回收效率高且对系统元器件的伤害小。控制单元6接受来自车身垂向振动加速度传感器的信号，经过内置智能控制算法对汽车的运行状态和行驶路况进行识别和预测，并对可控电磁线圈31中的电流进行实时、连续、无级控制，磁流变减振器3中磁流变液的阻尼特性受电磁线圈31产生的磁场的作用而发生变化，进而实现改善汽车的行驶平顺性和操纵稳定性的目的。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于汽车悬架的自供能磁流变减振器系统，包括车身(1)和车载电池(2)，其特征在于，还包括磁流变减振器(3)、振动能量回收装置(4)、能量管理单元(5)以及控制单元(6)；所述振动能量回收装置(4)固定连接于车身(1)上并且与能量管理单元(5)连接；所述磁流变减振器(3)的活塞杆中的可控电磁线圈(31)与控制单元(6)连接；所述控制单元(6)与能量管理单元(5)相互连接且分别并接于车载电池(2)。

2.根据权利要求1所述的自供能磁流变减振器系统，其特征在于，所述振动能量回收装置(4)包括上压电片(41)、金属基座(42)和下压电片(43)；所述金属基座(42)以悬臂梁固定的方式连接于车身(1)；所述上压电片(41)和下压电片(43)分别覆盖于金属基座(42)的上下表面且分别与能量管理单元(5)连接。

3.根据权利要求1所述的自供能磁流变减振器系统，其特征在于，所述能量管理单元(5)用于将振动能量回收装置(4)回收的电能先储存在储能电容中，再利用Buck型DC-DC变换器将其转换成合适的电压后，为磁流变减振器(3)的活塞杆中的可控电磁线圈(31)和控制单元(6)供电，以及为车载电池(2)充电。

4.根据权利要求1所述的自供能磁流变减振器系统，其特征在于，所述控制单元(6)用于接收来自车身垂向振动加速度传感器的信号，经过内置智能控制算法对汽车的运行状态和行驶路况进行识别和预测，并对可控电磁线圈(31)中的电流进行实时、连续、无级控制。