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原文传递轮毂电机电动汽车再生制动与摩擦制动的协调控制研究

论文题名：	轮毂电机电动汽车再生制动与摩擦制动的协调控制研究
关键词：	电动汽车;轮毂电机;再生制动系统;摩擦制动系统;协调控制
摘要：	电动汽车具有行驶时零排放的突出优点，因此受到了全世界汽车科技工作者的青睐。然而，受限于当前电池技术瓶颈，电动汽车仍然具有“初始成本高”与“续驶里程短”两大不足。与集中驱动式电动汽车相比，分布式驱动的轮毂电机电动汽车具有更高的驱动效率，且具备更加优越的制动能量回收潜力。因此，在当前动力电池技术在短期内难以取得实质性突破的现状下，轮毂电机电动汽车具有更好的续驶性能提升潜力。由于无法单独满足整车制动性能要求，在特定制动工况下，再生制动系统必须与传统的摩擦制动系统协同工作。为了在保证整车制动性能不受影响的情况下，进一步延长轮毂电机电动汽车的续驶里程，研究轮毂电机电动汽车再生制动与摩擦制动的协调控制策略具有十分重要的理论意义和工程价值。　　本文在所提出的变压充电再生制动控制策略、最优滑模控制改进算法和双环预测控制算法的基础上，分别研究了在紧急/非紧急制动工况下轮毂电机电动汽车再生制动与摩擦制动的协调控制策略。主要研究工作如下：　　首先，建立了关于轮毂电机电动汽车的纵向动力学模型。分别构建了基于单轮旋转和双轮旋转的车辆纵向动力学模型；前者主要由车身纵向动力学模型和单轮旋转模型组成，用于研究轮毂电机电动汽车在紧急制动工况下的理想滑移率跟踪控制机理；后者则更加详细地考虑了前、后车轮之间的载荷转移、空气阻力、滚动阻力、坡度阻力等的影响，用于探究非紧急制动工况下面向制动能量回收最优的再生制动力与摩擦制动力协调分配策略；此外，还依次建立了包含轮胎模型、轮毂电机模型、液压制动系统模型和制动器模型的关键子系统模型。　　其次，研究了轮毂电机电动汽车的变压充电再生制动控制策略。所提出的控制方案基于电池管理系统（Battery Management System,BMS）能够在实现充电电池可选控制功能的同时优先给电压较低的单体动力电池进行充电，避免功率控制电路能量损耗的情况下实现再生制动力矩控制和制动能量回收。结合基于最小二乘法拟合构建的轮毂电机变压充电控制的等效模型，分别设计了满足理想再生制动力矩需求与轮毂电机回馈功率最大的充电电压求取的控制算法，并通过数值仿真检验了采用此二算法后的轮毂电机汽车再生制动力矩和制动能量回收效率的控制效果。　　第三，提出了紧急制动工况下复合制动系统的防抱死控制策略。建立了兼顾考虑制动能量回收效率最大的单轮防抱死系统的状态方程以及用于追踪理想滑移率的防抱死性能评价指标；根据车辆纵向动力学方程对路面附着系数进行了预估，采用卡尔曼（Kalman）观测控制方法设计了实时车速预估器；分析了现有最优滑模控制算法无法用于防抱死控制器设计的原因，提出一种通过构造虚拟阻尼量以及无穷小量来建立黎卡提（Riccati）方程的最优滑模控制改进算法，并据此设计了防抱死控制系统；仿真分析验证了所提出的防抱死控制算法在高附着路面、低附着路面和变附着路面制动工况下实施的有效性。　　然后，设计了非紧急制动工况下复合制动系统的协调控制策略。一方面，提出了一种由地面制动力预测控制环，前/后轴制动力分配单元和车轮制动力矩预测控制环组成的双环预测控制系统，地面制动力预测控制环将部分状态变量进行满足最小相位系统的微分变形，并在性能评价指标中引入无穷小量以满足最优控制的设计条件，能够根据驾驶员制动意图准确地预测出理想地面总制动力值；车轮制动力矩预测控制环采用全信息最优滑模控制算法求取各车轴的理想制动力矩。另一方面，结合变压充电再生制动控制策略，提出了一种再生-液压制动力矩协调控制策略，并据此对双环预测控制系统计算得到的车轮理想总制动力矩期望值进行关于再生-液压制动力矩的二次分配，并针对多种制动工况验证了所提控制策略的有效性。　　最后，进行了轮毂电机电动汽车复合制动系统的相关实验研究。搭建了再生-液压复合制动系统实验台架；在不同轮毂电机转速以及充电电压的情况下，通过台架研究了所用轮毂电机的变压充电工作特性，实验结果验证了变压充电控制理论的可行性以及所拟合充电电压求取公式的准确性；设计了包括控制器硬件电路和控制策略在内的防抱死控制器，模拟紧急制动工况以验证防抱死控制的有效性。
作者：	王骏骋
专业：	车辆工程
导师：	何仁
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文