课题研究背景和意义

2015年，《中国制造2025》将“节能与新能源汽车”列为其十大重点领域之一，并规划了节能与新能源汽车产业发展的10年战略目标和重点发展方向。虽然这意味着我国的汽车产业正处于一个前所未有的飞速发展时期，但是同时如何有效的节能减排也成为我们不得不重视并急需研究和解决的重大课题。石油资源短缺和环境污染问题对车辆的高效节能、环境友好等设计提出了更高的要求。传统车辆在城市道路与高速公路混合循环工况下所消耗的能量中仅18%~25%用于车辆行驶，即用于克服地面和空气阻力，除了发动机热损耗和制动能量损耗外，悬架动能损耗也是一个重要的能量损失。

车辆在行驶过程中，来自不平路面的激励，以及转弯、加速、制动等操纵都会造成车辆振动。悬架系统的作用就是抵抗由上述车辆振动引起的垂向力，对车身和轮胎的振动进行限制，它属于车辆系统的重要组成部分。在传统被动悬架系统中，液压减振器与悬架弹簧共同作用，保证车辆的平顺性、操纵稳定性和行驶安全性；然而由于其阻尼特性不可控，难以满足不同行驶工况对阻尼特性的不同要求。传统液压减振器大多将车辆振动机械能先转化为油液液压能，进而通过减振器的外缸筒将热量散失到外界环境中。因此，如果能对汽车悬架的振动能量加以进行回收利用，就更具有实际意义，对于汽车悬架的性能整体上会有一定提高，所以汽车悬架振动能量回收已经成为一个非常有价值的研究课题。

本设计课题基于节能背景和汽车悬架的未来发展趋势，结合汽车悬架振动能量回收作为手段，对机械能量回收式智能悬架减振器的能量回收充电系统进行新型方案设计和仿真研究，能量回收式悬架可将由路面不平引起的簧载质量和非簧载质量之间的相对直线运动转变成方向不变的旋转运动，带动发电机发电，同时对减振器提供适当的阻尼力。通过设计合理地充电电路，使得原本以热能形式耗散浪费的能量可以转化成电能储存并利用，提高汽车的燃油利用率。

2.国内外研究现状

1996年，日本学者Suda等人对车辆可控悬架的能耗问题进行了分析，提出了一种新型的馈能悬架结构，并针对该结构提出了一种回收悬架振动能量的方法，其主要由半主动控制部分和振动能量回收部分组成，其中半主动控制部分采用的控制算法为天棚控制策略，而振动能量回收部分则由两个直流电机以及整流器等部件组成，振动能量回收由一个能量回收电机负责，而悬架的半主动控制由另外一台电机负责，作为该半主动悬架的作动器。
2003年Nakano和Suda等人提出了一种新型的半主动悬架结构，该悬架可以实现能量自供，也就是利用回收的悬架振动能量再供给悬架半主动控制。其电路结构只使用了一个直流电机来实现了半主动控制和能量回收的功能。分析了该半主动悬架自供能的可行性，据此设计了该悬架的控制策略。并通过仿真分析验证了该悬架结构与半主动控制策略的可行性。
2004年，Bose公司提出了一种新型的主动悬架，整车采用了4个直线电机取代了传统的4个被动悬架，当车轮收到路面激励进行振动时，电机的控制单元会与车身的控制单元进行信息互通，此时直线电机进行振动能量回收，将能量储存在车载储能器中；当需要对车身进行主动控制时，则将直线电机作为主动悬架作动器，从而使得车辆具有良好的平顺性和操作稳定性。
国内学者对馈能式可控悬架的能量回收系统进行了详尽的研究，并利用仿真进行验证，部分学者试制了悬架的原理样机，进行了相应的台架试验。
2008年，吉林大学于长淼等人研究了直流伺服电机馈能悬架理论，利用齿轮齿条机构将悬架的垂直运动转换为了电机的旋转运动，进而带动直流无刷电机旋转，来进行能量回收。另外为了提高馈能效率避免电机高频正反转，他们又在该作动器中加入了超越离合器机构并进行了仿真分析，具有良好的使用性能。
2011年，重庆大学的学者周龙亭，提出了一种磁流变作动器，设计了相对应的能量管理电路，包括回收电路、控制电路、储存电路等。该电路不仅能将低频、低电压的信号转换为稳定的直流电压进行输出，而且可以把能量储存到充电电池或者超级电容中。周龙亭等人针对该结构对能量管理电路性能进行了仿真分析，并且进行了相关的能量管理电路实验。
2012年，江苏大学的胡春花主要是针对复合式电源系统进行了性能的分析、建模和参数辨识。采用了蓄电池与超级电容相结合的方式进行能量储存，主要进行了动力电池的性能分析、估算、建模以及参数辨识。通过对动力电池性能的测试和电池模型的建立，设计了复合电源能量管理策略。
2014年，北京理工大学的王佳等人对电池管理系统进行了研究，主要对某个采集执行器故障后的处理问题和数据传输中的时滞问题进行了研究，利用模糊控制理论方法，分析研究了保证系统具有良好的纠错能力和稳定性的方法。
2016年，吉林大学李潇雄进行了动力电池主动式并联能量管理系统的研究。首先确定并搭建了电池的单体模型，然后在脉冲试验数据的基础上设计了电池模型参数辨识电路，随后提出了一种采用开路电压法与安时积分法相结合的SOC估算算法，最终提出了一种动力电池主动式并联能量管理系统，设计了控制策略并且进行了仿真分析。
2016年，西安科技大学寇发荣等人设计了包含LQG最优控制和能量管理策略的EHA馈能式半主动悬架能量管理控制器，利用AMEsim与Simulink建立了联合仿真模型，分别对该悬架的阻尼特性，悬架动态性能和馈能效率进行了仿真分析，针对该系统，采用超级电容与蓄电池相结合的复合式能量储存方式，设计了能量回收电路设计。
根据以上研究资料的综述可以总结出当前研究中存在的问题。首先，早期对馈能悬架的研究选择了较为落后的能量回收方式，只是定性地考虑能够回收能量，而没有定量地考虑能够回收多少能量；其次，虽然有一部分学者提出了用于回收能量的馈能电路，但是多数没有深入地探讨电路，电路的设计只存在于理论层面；再者，未能协调好馈能悬架的馈能性能与动力学性能之间的矛盾关系，即所设计的馈能悬架系统提升了馈能性能就会恶化车辆动力学性能，而提升了车辆动力学性能就会恶化馈能性能；最后，未能给回收的能量选择合适的馈能介质，能量回收效率较低。
针对上述馈能悬架研究中存在的问题，本研究将以装配有直线电机的混合馈能悬架为研究对象，借助直线电机将悬架的振动能量转化为电能；设计基于DC/DC变换器的馈能电路，深入分析电路的各关键参数；进行dSPACE硬件在环试验，通过试验的方式验证控制策略的可行性；采用蓄电池作为能量的最终存储介质，使回馈的电能得到稳定地存储。