基于NES的电动汽车振动抑制与能量回收理论分析研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ZHENGDAN0226
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电动汽车对能源的利用具有多元化、高效化特点,且在使用过程中可实现零排放或超低排放,成为实现交通可持续发展的最佳选择。电动汽车行业发展势头迅猛,动力电池、电力驱动控制等核心技术的研发与更新也极为迅速,由此导致汽车的结构产生脱胎换骨式的改变,车辆的振动特性亦会出现较大变化。另外,电动汽车发展历程中一直存在电池容量较低,续航里程亟待提升的问题。为使得电动汽车在行使过程中具有更好的乘坐舒适性和续航能力,本课题针对电动汽车建立相应的振动模型,通过在模型中耦合减振器对车身的振动抑制进行了研究,并根据减振装置的振动特性提出一种振动机械能的能量回收方式。首先,针对电动汽车垂向和俯仰振动的线性被动控制问题,建立了电动汽车的二分之一车辆模型,通过在车身结构上耦合单调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)和双TMD吸振装置,建立了装配有线性减振器的六自由度和七自由度的电动汽车振动抑制模型。通过对减振系统中车身的垂向和俯仰振动位移及加速度进行解析计算并对比,结果表明单TMD和双TMD可以对车身的垂向振动和俯仰振动产生抑制效果,且双TMD的优化效果更优。然后,针对电动汽车垂向和俯仰振动的非线性被动控制问题,在车辆振动模型中耦合非线性能量阱(Nonlinear Energy Sink,NES),分别构建了配置有立方刚度NES、立方刚度NES和TMD联合控制、负刚度NES的三种车辆减振模型。通过施加冲击激励和简谐波激励,从振动响应的波形、能量传递特征以及幅频特性上分析各类模型的振动抑制特点。结果表明耦合有NES吸振器的车辆振动模型减振效果更优,其中负刚度NES在较宽的频率范围内幅频特性优于立方刚度NES。同时,对比分析了二分之一车辆模型和四分之一车辆模型的振动特性,实现了车辆减振模型的简化,为进行NES-电动汽车振动系统的动力学分析提供建模支撑。为了进一步探究非线性吸振器对车身产生振动抑制的机理,对NES-电动汽车振动系统的动力学特性进行分析。构建了耦合有负刚度NES的四分之一车辆减振模型,并利用复变量平均法计算此非线性系统的慢变方程。运用鞍结分岔、霍普夫分岔分析确定了非线性减振系统的周期解的分布及其稳定性,计算过程中与负刚度NES减振模型进行同步对比,为NES参数选择提供了参考。最后,根据负刚度NES减振器在车辆减振模型中的响应特点,同时结合电磁感应理论构建了一种基于负刚度NES的能量回收简化模型。通过分析绕组线圈在Halbach永磁体阵列中的运动的受力及感应电流,对振动系统的动力学方程进行了调整。根据调整后方程中阻尼的构成计算分析了振动机械能转化为电能以及能够作为可回收能量的比例。本文的研究结果能够为电动汽车减振系统设计从而抑制车身的振动提高车辆的平顺性,以及从车身的振动机械能中回收电能提供理论支撑。
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