考虑制动能量回收的分布式驱动电动汽车动力学控制

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进入二十一世纪以来,汽车产业发展迅猛,同时伴随着化石能源危机,世界各国造车新势力以及传统车企都开始向汽车的电动化转型,发展电动汽车成为了新趋势。电动汽车在节能、可控性等方面都有着比传统燃油车明显的优势,因此电动汽车为节能控制和操纵稳定性方面提供了新的可能。分布式驱动电动汽车通过轮毂电机进行驱动,具有可控自由度高、响应迅速、传动效率较高等优点。电动汽车的续航里程问题是目前大家关心的问题之一,传统汽车没有储能装置,通过摩擦制动将车辆动能转化成热能耗散掉,而分布式驱动电动汽车可以通过制动能量回收的方式将制动能量存储起来,增加车辆的行驶里程,因此利用好这一特性并处理好电液复合制动这一核心问题是本文研究的关键。另外车辆稳定性控制方面,传统车辆电子稳定系统(ESP)是继车辆防抱死控制(ABS)之后又一大进步,其通过发动机降扭或者调节每个车轮的制动液压力来控制车轮滑转还可以产生附加横摆力矩保持车辆稳定性,但是该控制方式是以损失车辆动力为代价,并且液压响应相对较慢,不符合驾驶员期望。基于配备Booster的轮毂电机驱动电动汽车实现车辆制动能量回收以及车辆稳定性控制,针对以上问题本文所具体研究如下:第一,设计了基于Booster电子助力制动器的电液复合制动策略,建立电机、电池、液压系统等模型,能够实现常规工况下的车辆制动力分配,通过不同制动强度的仿真验证制动能量回收算法的有效性。第二,建立了车辆动力学的三自由度车辆模型,为车辆速度估计和控制算法的开发提供了理论参考。设计了非线性车辆速度观测器,结合Uni-Tire轮胎模型以三自由度车辆模型为基础,轮胎力作为状态反馈,对车速在常规工况和极限工况下进行较准确的估计。另外开发基于该估计车速的PI控制器设计,实现低附着工况下以轮毂电机作为执行器的防抱死控制,并在低附着单一路面和对接路面进行了仿真验证。第三,采用分层控制的方式,开发用于提升操纵稳定性控制的力矩矢量控制(Torque Vector Contol,TVC),将车辆看成二阶控制系统模型,在仿真环境中通过方向盘角阶跃试验对车辆固有特性进行参数辨识。车辆的上层控制器结合车辆实时状态进行横摆力矩的决策,本文探讨并详细推导了一阶滑模(First-Order-Sliding-Mode,FOSM)控制、二阶滑模控制(Second-Order-Sliding-Mode,SOSM)、二阶自适应滑模(Adaptive-Second-OrderSliding-Mode,ASOSM)控制决策车辆所需横摆力矩,并通过仿真对这三种控制进行有效性和优缺点分析。第四,对低附着转弯工况下的车辆状态进行了详细分析,该特殊工况下的不稳定主要是由于上层控制的决策力矩冲突造成,所以通过合理的设计下层力矩分配控制器用来协调防抱死控制和力矩矢量控制的力矩冲突问题,能够更好的在车辆制动性能和稳定性中间找到平衡点。最后,基于装配有Booster的轮毂驱动试验车辆进行制动能量回收策略和车辆状态观测器的验证,通过Booster特性试验、不同制动强度的制动试验,结果表明,制动能量回收策能够较平顺的进行各种条件下电液制动的切换,专业驾驶员踏板感觉良好,并且通过转毂试验台验证了节能效果。
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