CN113427962A - 一种带能量回收装置的车辆悬挂系统控制方法 - Google Patents

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Abstract

发明公开了一种带能量回收装置的车辆悬挂系统控制方法，带能量回收装置的车辆悬挂系统包括磁流变阻尼器、弹性悬挂元件、馈能装置、电能无线传输装置、储电单元、车辆振动状态传感器组和控制单元，磁流变阻尼器、弹性悬挂元件和馈能装置并联连接于车体和车轮之间，馈能装置为齿条齿轮机构，电能无线传输装置的发射端通过自激谐振电路连接发射天线，接收端接收无线电能由储电单元存储，车辆振动状态传感器组与控制单元，控制单元通过控制方法控制磁流变阻尼器的电流，控制方法为依据以下公式控制磁流变阻尼器的电流使磁流变阻尼器产生阻尼力达到车体垂直加速度最小。本发明提高对磁流变阻尼器控制的准确性，提升车辆振动控制效果。

Description

一种带能量回收装置的车辆悬挂系统控制方法
技术领域
本发明涉及一种车辆悬挂系统的控制方法，特别是一种带能量回收装置的车辆悬挂系统控制方法。
背景技术
目前电动汽车的能量回收多以制动能量回收为主，而对作为重要能量耗散源的悬挂系统的能量回收研究相对较少，亟待研究在保证车辆乘坐舒适性前提下的全程振动能量回收技术。申请号为201510413403.3的中国专利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。其中振动能量回收装置包括压电片，其利用压电片的弯曲变形产生电流。申请号为201810408935.1的中国专利公开了一种复合式馈能型减振器，其采用磁流变阻尼器并装配有减振弹簧以连接车轮作为减震机构，以电磁作动器作为机械传动结构，再通过减速器连接电机将机械能转化为电能并直接回收存储与超级电容中。目前对于磁流变阻尼器的控制普遍采用天棚控制策略，而在上述技术方案中，发电机发电产生电流使其自身阻尼随振动强度的不同而产生变化，使用天棚控制策略控制磁流变阻尼器效果一般。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种带能量回收装置的车辆悬挂系统控制方法的控制方法，提高对磁流变阻尼器控制的准确性，抑制车辆振动加速度，以提升车辆振动控制效果。
本发明技术方案如下：一种带能量回收装置的车辆悬挂系统控制方法，所述带能量回收装置的车辆悬挂系统包括磁流变阻尼器、弹性悬挂元件、馈能装置、电能无线传输装置、储电单元、车辆振动状态传感器组和控制单元，所述磁流变阻尼器、所述弹性悬挂元件和所述馈能装置并联连接于车体和车轮之间，所述馈能装置包括发电机、减速机、齿轮、齿条和导向筒，所述发电机、减速机和导向筒与车体连接，所述齿条底端与车轮连接，所述齿条由所述导向筒导向，所述发电机转轴通过所述减速机与所述齿轮连接，所述齿轮与所述齿条啮合，所述电能无线传输装置包括无线发射端和无线接收端，所述无线发射端包括发射天线和自激谐振电路，所述发电机通过所述自激谐振电路连接所述发射天线，所述自激谐振电路中设置一电容器与所述发射天线并联连接，所述无线接收端通过接收天线接收所述无线发射端发射的无线电能并由所述储电单元存储，所述车辆振动状态传感器组与所述控制单元，所述控制单元通过控制方法控制所述磁流变阻尼器的电流，所述控制方法为依据以下公式控制所述磁流变阻尼器的电流使所述磁流变阻尼器产生阻尼力达到车体垂直加速度最小，
Figure BDA0003151620200000021
其中，x1为车体与车轮的绝对位移，x2为车体垂直速度，
Figure BDA0003151620200000022
为车体垂直加速度，x3为车轮与路面的绝对位移，x4为车轮垂直速度，mi为悬挂系统惯性质量，m为1/4车体重量，mu为单个车轮重量，kt为车轮弹性系数，k为悬挂系统弹性系数，c为悬挂系统摩擦系数，us为磁流变阻尼器阻尼力。
进一步地，所述发电机为三相交流发电机，所述三相交流发电机的三相交流电输出端分别通过自激谐振电路连接发射天线，三个所述发射天线布置于同一平面的圆周三等分位置。
进一步地，所述接收天线设有一个以平行于三个所述发射天线并小于10cm的垂直距离设置。
进一步地，所述无线接收端包括接收天线和自动调节电压模块，所述接收天线通过所述自动调节电压模块与所述储电单元连接。
进一步地，所述自动调节电压模块包括变压器，所述接收天线通过整流桥连接所述变压器初级线圈，所述初级线圈串联至三极管的集电极，所述变压器的次级线圈作为输出连接光耦检测输出电压且连接稳压芯片后输出至所述储电单元，所述输出电压变小时由所述光耦使所述三极管导通。
进一步地，包括控制电源，所述储电单元为所述控制单元和所述控制电源输入电能，所述控制电源输出至所述磁流变阻尼器。
本发明与现有技术相比的优点在于：
自激谐振电路谐振时完全呈现阻抗特性，电阻值理论上为无穷大，因此，发电机的电流接近于零，发电机自身的电磁阻尼力接近于0，从结构上弥补了馈能装置因路面随机变化引起的电磁阻尼力大小很难精确控制的技术缺陷。采用磁流变阻尼器与馈能装置并联的复合式悬挂系统结构，能将馈能装置输出的变频变幅交流电以最大效率传输储存到超级电容里，不仅实现了悬架系统阻尼力的精确控制，而且可以最大限度的回收悬架系统振动能量，本发明控制方法解决了悬挂系统惯性力对振动控制的影响，保证了车辆的乘坐舒适性。
附图说明
图1为带能量回收装置的车辆悬挂系统结构示意图。
图2为馈能装置结构示意图。
图3为无线发射端结构示意图。
图4为自激谐振电路示意图。
图5为无线接收端结构示意图。
图6为自动调节电压模块电路示意图。
图7为无线发射端和无线接收端电压变化图。
图8为基于带能量回收装置的车辆悬挂系统的车辆单轮能量回收模型。
图9为天棚控制算法得到的车体垂直振动加速度。
图10为本发明方法得到的车体垂直振动加速度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
本实施例涉及的带能量回收装置的车辆悬挂系统控制方法，其带能量回收装置的车辆悬挂系统结构如图1所示，包括磁流变阻尼器1、弹性悬挂元件2、馈能装置3、电能无线传输装置4、储电单元5、车辆振动状态传感器组6、控制单元7和控制电源8，其中磁流变阻尼器1、弹性悬挂元件2和馈能装置3并联连接于车体9和车轮10之间。控制电源8输出电流至磁流变阻尼器1以调整其阻尼力，与弹性悬挂元件2共同实现对车辆的减震，弹性悬挂元件2采用现有技术的弹簧减震器作为主要构建。请结合图2所示，馈能装置3包括发电机301、减速机302、齿轮303、齿条304和导向筒305，发电机301为三相交流发电机，发电机301的输入转轴与减速机302连接，减速机302的输入轴与齿轮303连接。齿轮303连接齿轮轴承转接头306置于齿轮罩307内，发电机301、减速机302以及齿轮罩307都固定在车体9上，与车体9连接的还有导向筒305，导向筒305上端通过连接球头308与车体9连接，齿条304与齿轮303啮合设置在导向筒305内，齿条304的下端通过连接球头与车轮10连接，齿条304的上端连接齿条导向阀309，车轮10上下振动时，由齿条导向阀309与导向筒305配合引导齿条304在导向筒305内上下移动，从而驱动与之啮合的齿轮303转动，进而带动减速机3033及发电机301工作。
电能无线传输装置4包括无线发射端和无线接收端，请结合图3及图4所示，无线发射端结构为三相交流发电机的三相交流电输出端分别通过自激谐振电路连接发射天线，具体是发电机U相接头与发电机N端接头连接第一自激谐振电路401，然后连接第一发射天线402，发电机V相接头与发电机N端接头连接第二自激谐振电路403，然后连接第二发射天线404，发电机W相接头与发电机N端接头连接第三自激谐振电路405，然后连接第三发射天线406。第一自激谐振电路401、第二自激谐振电路403和第三自激谐振电路405均采用图4所示的自激谐振电路，其输入端为交流电；经第一整流桥11后转变为直流电；第一整流桥11的输出接至电压放大器12电源端，电压放大器12的反相输入端通过第一电阻13接地，电压放大器12的输出端通过第二电阻14连接至反相输入端以及通过第三电阻15连接至同相输入端，电压放大器12的输出端通过第一电容16接地，第一电容16与发射天线并联构成并联LC振荡电路，实现自激振荡，通过发射天线辐射出电磁波能量。第一发射天线402、第二发射天线404和第三发射天线404处于同一平面布置，各发射天线间间隔120°。
请结合图5和图6所示，无线接收端包括接收天线407和自动调节电压模块408，接收天线407平行于第一发射天线402、第二发射天线404和第三发射天线406并相距10cm，接收天线407接收交流电输入自动调节电压模块408，自适应调节后的电压连接到储电单元5，本实施例中储电单元5为超级电容。超级电容的输出用于供给控制单元7用电以及作为控制电源8的输入。
自动调节电压模块408包括第二整流桥17、变压器18、三极管19、二极管20、第二电容21、直流电源22、光耦23、电感24、第三电容25、第四电容26、可控精密稳压源TL431芯片27、第四电阻28和第五电阻29。第二整流桥17输出至变压器18初级线圈，变压器18初级线圈连接至三极管19的集电极，三极管19的发射极接地，变压器18次级线圈与二极管20和电感24串联，第二电容21与变压器18次级线圈、二极管20并联，第三电容25与变压器18次级线圈、二极管20、电感24并联。光耦23发射极正极连接至二极管20和电感24之间，光耦23发射极负极连接至可控精密稳压源TL431芯片27的3号引脚，光耦23接收端的C极连接直流电源22，光耦23接收端的E极连接三极管19的基极，可控精密稳压源TL431芯片27的3号引脚连接第四电容26的一端，第四电容26的另一端与可控精密稳压源TL431芯片27的1号引脚连接，可控精密稳压源TL431芯片27的1号引脚还通过第四电阻28连接至电感24和第三电容25之间以及通过第五电阻29接地。该自动调节电压模块408的工作过程是这样的，接收天线407接收发射天线402、404和406的电磁波能量，经第二整流桥17变为律动直流电，经变压器18、二极管20变为低纹波直流电，第二电容21、第三电容25为稳压作用，电感24为通直流电阻交流电作用，光耦23监控输出电压的变化，可控精密稳压源TL431芯片27起到输出稳压作用，当输出电压变小时光耦23导通，直流电压加载到三极管19基极，三极管19导通，变压器18初级线圈导通，更多的能量传到变压器18次级线圈，整个电路输出电压变大，同理，当输出电压变大时光耦23截止，较少的能量传到变压器18次级线圈，整个电路输出电压变小。
传统的无线电能发射端采用逆变电路或功率放大电路产生定频率定幅值功率源，其通过调节并联的电感或电容值产生谐振。而本发明的馈能装置3输出变频率变幅值的正弦电压，因此采用传统的能量传输装置无法自适应跟随LC谐振频率。电能无线传输装置4的无线发射端电压可自适应跟随LC振荡电路的谐振频率，即产生自激谐振。谐振时完全呈现阻抗特性，电阻值理论上为无穷大，因此，发电机的电流接近于零，发电机自身的电磁阻尼力接近于0，从结构上弥补了馈能装置3因路面随机变化引起的电磁阻尼力大小很难精确控制的技术缺陷。谐振能量通过发射天线402、404和406辐射到接收天线407，经自动调节电压模块408后将电能存储在超级电容中，无线发射端和无线接收端的电压变化如图7所示。
本发明的带能量回收装置的车辆悬挂系统的控制方法是这样的，由车辆振动状态传感器组6检测车辆状态将各检测数据发送给控制单元7，馈能装置3产生的惯性力是影响车体10振动控制的关键，控制单元7以车体振动加速度最小为目标，得到改进后的最优化控制方法。车辆单轮能量回收模型如图8所示，该模型的动力学公式如下：
Figure BDA0003151620200000051
其中，z和zu分别是车体和车轮的绝对位移，
Figure BDA0003151620200000052
为车体垂直速度，
Figure BDA0003151620200000053
为车体垂直加速度，
Figure BDA0003151620200000054
为车轮垂直速度，
Figure BDA0003151620200000055
为车轮垂直加速度，q是道路起伏位移，m为1/4车体重量，mu为单个车轮重量，kt为车轮弹性系数，k为悬挂系统弹性系数，c为悬挂系统摩擦系数，us为磁流变阻尼器阻尼力，uf为馈能装置产生的阻尼力。
经推导后，动力学公式如下：
Figure BDA0003151620200000056
x1＝z-zu为车体与车轮的绝对位移，
Figure BDA0003151620200000061
为车体垂直速度，x3＝zu-q为车轮与路面的绝对位移，
Figure BDA0003151620200000062
为车轮垂直速度，mi为设计的悬挂系统惯性质量。
针对某车辆，车体质量m为312.5kg，单个车轮重量mu为43.5kg，悬挂系统惯性质量mi为59kg，悬挂系统弹性系数k为2×104N/m，车轮弹性系数kt为1.8×105N/m，悬挂系统摩擦系数c为3639.8N·s/m，得到磁流变阻尼力的最优值：
us＝-341.6x1-1604.6x2+2813.5x3+73.8x4
根据上述得到的磁流变阻尼力对磁流变阻尼器1进行控制，得到的车体加速度如图10所示，针对相同车辆，现有技术中天棚控制算法得到的车体加速度如图9所示。试验结果表明采用磁流变阻尼器与馈能装置并联的复合式悬挂系统结构，能将馈能装置输出的变频变幅交流电以最大效率传输储存到超级电容里，不仅实现了悬架系统阻尼力的精确控制，而且可以最大限度的回收悬架系统振动能量。

Claims (6)

1.一种带能量回收装置的车辆悬挂系统控制方法，其特征在于，所述带能量回收装置的车辆悬挂系统包括磁流变阻尼器、弹性悬挂元件、馈能装置、电能无线传输装置、储电单元、车辆振动状态传感器组和控制单元，所述磁流变阻尼器、所述弹性悬挂元件和所述馈能装置并联连接于车体和车轮之间，所述馈能装置包括发电机、减速机、齿轮、齿条和导向筒，所述发电机、减速机和导向筒与车体连接，所述齿条底端与车轮连接，所述齿条由所述导向筒导向，所述发电机转轴通过所述减速机与所述齿轮连接，所述齿轮与所述齿条啮合，所述电能无线传输装置包括无线发射端和无线接收端，所述无线发射端包括发射天线和自激谐振电路，所述发电机通过所述自激谐振电路连接所述发射天线，所述自激谐振电路中设置一电容器与所述发射天线并联连接，所述无线接收端通过接收天线接收所述无线发射端发射的无线电能并由所述储电单元存储，所述车辆振动状态传感器组与所述控制单元，所述控制单元通过控制方法控制所述磁流变阻尼器的电流，所述控制方法为依据以下公式控制所述磁流变阻尼器的电流使所述磁流变阻尼器产生阻尼力达到车体垂直加速度最小，
Figure FDA0003151620190000011
其中，x1为车体与车轮的绝对位移，x2为车体垂直速度，
Figure FDA0003151620190000012
为车体垂直加速度，x3为车轮与路面的绝对位移，x4为车轮垂直速度，mi为悬挂系统惯性质量，m为1/4车体重量，mu为单个车轮重量，kt为车轮弹性系数，k为悬挂系统弹性系数，c为悬挂系统摩擦系数，us为磁流变阻尼器阻尼力。
2.根据权利要求1所述的带能量回收装置的车辆悬挂系统控制方法，其特征在于，所述发电机为三相交流发电机，所述三相交流发电机的三相交流电输出端分别通过自激谐振电路连接发射天线，三个所述发射天线布置于同一平面的圆周三等分位置。
3.根据权利要求1所述的带能量回收装置的车辆悬挂系统控制方法，其特征在于，所述接收天线设有一个以平行于三个所述发射天线并小于10cm的垂直距离设置。
4.根据权利要求1所述的带能量回收装置的车辆悬挂系统控制方法，其特征在于，所述无线接收端包括接收天线和自动调节电压模块，所述接收天线通过所述自动调节电压模块与所述储电单元连接。
5.根据权利要求4所述的带能量回收装置的车辆悬挂系统控制方法，其特征在于，所述自动调节电压模块包括变压器，所述接收天线通过整流桥连接所述变压器初级线圈，所述初级线圈串联至三极管的集电极，所述变压器的次级线圈作为输出连接光耦检测输出电压且连接稳压芯片后输出至所述储电单元，所述输出电压变小时由所述光耦使所述三极管导通。
6.根据权利要求1所述的带能量回收装置的车辆悬挂系统控制方法，其特征在于包括控制电源，所述储电单元为所述控制单元和所述控制电源输入电能，所述控制电源输出至所述磁流变阻尼器。
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