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原文传递双转子轮毂电机电动汽车驱动模式切换控制研究

论文题名：	双转子轮毂电机电动汽车驱动模式切换控制研究
关键词：	电动汽车;双转子轮毂电机;能量管理;驱动模式切换控制
摘要：	纯电动汽车具有零排放、低噪声等优点，使其成为世界各国政府和汽车企业在大力发展节能与新能源汽车中重点推进的产品类型之一。在车用驱动电机中，轮毂电机结构简单紧凑、传动高效、驱动和制动转矩独立可控，代表着下一代电动汽车发展的重要方向。但现有外转子直接驱动和内转子减速驱动两种类型轮毂电机在实际应用中都存在一定的缺点，适用场合受到限制。双转子电机是十多年前提出的一种可应用于混合动力汽车的电气式动力耦合装置，其机电能量可在多个电端口和机械端口之间自由转换，实现功率分流，具有多种运行模式，可满足电动汽车的多工况运行。因此，开展双转子轮毂电机电动汽车驱动技术及其控制策略研究，扩大传统轮毂电机电动汽车的适用场合，并充分利用电机的高效率运行区域，以降低整车能耗，具有重要的学术探索意义和工程实践价值。　　本文基于所提出的双转子轮毂电机结构方案，研究了电机结构参数的多目标优化方法、驱动模式下整车能量管理策略和模式切换协调控制策略，主要研究内容如下：　　首先，提出了一种适用于电动汽车的双转子轮毂电机集成结构，能实现内、外电机单独驱动和耦合驱动多种工作模式，可满足车辆的多变工况行驶需求，它兼具减速驱动型和直接驱动型轮毂电机的优点，解决了传统轮毂电机电动汽车的适用场合受限问题；针对双转子轮毂电机在结构上由内、外两个电机高度集成，尺寸参数众多等特点，提出了一种基于综合敏感度对设计变量进行分层的多目标优化方法，进而对具有中、高敏感度的设计变量分别采用响应面法和多目标遗传算法进行优化，在综合权衡输出转矩、转矩脉动、永磁体用量和内外电机磁耦合度优化目标后，筛选出三种具有较高满意度的候选设计方案；基于电机的综合性能评估，最终确定了最优设计方案和结构尺寸值，实现了双转子轮毂电机结构参数的快速高效优化。　　采用有限元法，对双转子轮毂电机的磁场分布、空载特性、转矩性能和磁耦合特性进行了分析，仿真结果初步验证了所提双转子轮毂电机结构的合理性和多目标参数优化方法的有效性。此外，在分析内、外电机损耗的基础上，得到了其驱动效率MAP图，为制定双转子轮毂电机在不同驱动模式时能使电机保持高效率运行的控制策略提供了依据。　　其次，构建了基于单个车轮的双转子轮毂电机电动汽车纵向动力学模型及其关键子系统模型，包括双转子轮毂电机模型、动力电池模型、驾驶员模型和电磁离合器模型；在深入分析双转子轮毂电机电动汽车三种驱动模式下驱动特性的基础上，提出了基于系统效率最优的驱动模式切换规则，详细划分了各种驱动模式的工作区间；在耦合驱动模式下，提出了基于系统能耗最小的转矩分配策略，以最大程度地发挥内、外电机的高能量转化效率；并通过仿真分析验证了所提策略的有效性。　　再者，以由内电机单独驱动切换到内外电机耦合驱动模式为例，设计了双转子轮毂电机模式切换协调控制策略。针对该模式切换过程的特点，提出了基于切换系统的双转子轮毂电机驱动模式切换的动态建模方法，根据各状态切换的临界条件，设计了模式切换控制流程和用逐段常数函数表示的切换规则；在电磁离合器II接合阶段，提出了基于模型预测与控制分配的模式切换转矩协调控制策略，并根据李雅普诺夫方法对模式切换稳定性进行了分析。仿真结果表明，所提策略在保证模式切换响应速度快和车速稳步上升的前提下，能够有效减小车辆的冲击度和离合器的滑摩功，改善了模式切换过程的切换品质，保证了车辆的驾驶性能。　　最后，基于优化后的双转子轮毂电机结构参数，制作了实验样机；设计了双转子轮毂电机驱动控制系统方案；通过电机性能测试平台对双转子轮毂电机的基本特性和驱动模式切换控制进行了实验。实验结果验证了所提出双转子轮毂电机结构方案及其驱动模式切换控制策略的合理性和有效性，证实了双转子轮毂电机具有多驱动模式运行的能力，为其在轮毂电机电动汽车中的潜在应用奠定了一定的实验基础。
作者：	李军民
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：	2021