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汽车悬架的振动俘能器和能量管理电路的设计与研究
| 论文题名： | 汽车悬架的振动俘能器和能量管理电路的设计与研究 |
| 关键词： | 汽车悬架;振动俘能器;能量管理;能量转化效率;最大功率点跟踪 |
| 摘要： | 汽车作为主要的环境污染源之一，随着汽车工业的发展和人们对环保的逐渐重视，越来越多的学者开始关注汽车上可再生能源的回收问题。与此同时，随着汽车智能化和车载微电子技术的飞速发展，传统电池由于环境污染、能量密度低、需要定期更换等各种缺点已经不再适应发展的需要。因此，如何将汽车上的可再生能源进行回收并转化为可利用的电能成为了一个热点问题。汽车悬架处可回收的振动能量高达几十瓦甚至数百瓦，能量回收潜力大，并且振动能量回收效率高，因此本文依据电磁感应原理，针对汽车悬架设计了一种非线性电磁式振动俘能器，并根据振动俘能器的输出特性设计了两种能量管理电路。 本文以汽车悬架处的振动能量收集为背景，设计了一个包含振动俘能器和能量管理电路两部分的振动俘能系统，对振动俘能器和能量管理电路的输出特性进行了详细的研究。论文的研究内容包括四个部分： (1)针对汽车悬架设计了一种非线性电磁式振动俘能器，建立了含有该俘能器的1/4车辆力学模型。为了进行对比研究，同时引入了线性振动俘能器和含有线性振动俘能器的1/4车辆力学模型，对两种振动俘能器的输出电压和输出功率进行了对比研究，同时对比研究了两种振动俘能器的能量回收效率。 (2)对非线性振动俘能器进行了结构优化，研究了弹簧刚度、杠杆放大系数、线圈参数、磁间距等结构参数对振动俘能器输出特性的影响，得到了振动俘能器输出最大功率的最佳结构参数。然后，研究了道路等级、车速、负载电阻等外部参数对振动俘能器输出特性的影响。最后，研究了振动俘能器的引入是否对汽车的乘坐舒适性造成了影响。 (3)根据振动俘能器的输出特性和机电等效模型，依据阻抗匹配原理设计了一种自供电能量管理电路。对能量管理电路的各个模块进行了具体分析，并研究了车速和道路等级等参数对能量管理电路的输出电压、输出功率和能量转化效率的影响。最后进行了实验测试，验证了电磁式振动俘能系统的可行性和有效性。 (4)为了进一步提高振动俘能系统的输出功率和能量转化效率，采用最大功率点跟踪（MPPT）技术中的扰动观察算法设计了一种能量管理电路。理论分析了扰动观察法中的采样时间和扰动占空比这两个重要参数的取值范围，运用Matlab/Simulink对提出的扰动观察算法进行了仿真验证，研究了不同的参数选择对能量管理电路输出功率和能量转化效率的影响。 |
| 作者： | 王新方 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 姚明辉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津工业大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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