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原文传递四轮轮毂驱动电动汽车扭矩优化分配方法的研究

论文题名：	四轮轮毂驱动电动汽车扭矩优化分配方法的研究
关键词：	电动汽车;四轮轮毂驱动;扭矩分配;控制策略
摘要：	随着能源安全、环境污染、气候变化等问题日益严重，动力系统加速向以纯电驱动为主线的清洁低碳化方向转型。四轮轮毂驱动电动汽车凭借四轮独立转向、动力传递效率高等构型方面的优势以及降低整车能耗、提升整车稳定性与安全性等方面较高的潜力，逐渐成为全球汽车动力系统转型升级的重要方向之一。扭矩优化分配方法作为四轮轮毂驱动电动汽车核心研究课题，在工程化实现过程中，存在诸如兼顾经济性与稳定性的纵向驱动力分配、基于转矩矢量控制的四轮轮毂驱动力分配以及复杂工况下四轮轮毂驱动防滑控制等一些关键问题亟待解决，因此开展具备量产车型应用能力的四轮轮毂驱动电动汽车扭矩优化分配方法的理论研究与工程化实现具有重要意义。本研究以四轮轮毂驱动动力系统为基础，依托企业科技攻关项目“纯电动汽车分布式驱动控制技术研究”，以探索具备量产车型应用能力的先进控制算法为目标，建立分层结构的四轮轮毂驱动电动汽车扭矩优化分配方法架构：上层控制首先从提升整车经济性与稳定性角度，完成纵向驱动力的优化分配；在此基础上，通过具有多约束多目标的模型预测控制实现附加横摆力矩的实时优化；基于轮胎附着率最优最终实现轮毂驱动力矩的转矩矢量分配；下层控制通过基于复杂滑转工况的四轮轮毂驱动防滑控制，确保车轮处于最佳滑转状态；最后，建立扭矩优化分配控制评价方法，结合仿真与实车验证，证明本文提出的扭矩优化方法的有效性。　　研究中制定一套四轮轮毂驱动电动汽车设计方案，建立功能满足要求、性能达标的实车验证平台。基于实测数据，完成动力学仿真模型搭建与验模。主要研究成果与结论如下：　　1、建立了分层结构的四轮轮毂驱动电动汽车扭矩优化分配方法架构，实现了扭矩分配集成控制。在上层控制中实现纵向驱动力分配控制算法：利用量产车载传感信息完成融合车轮滑转率控制的纵向车速估计、基于模糊逻辑的路面附着系数估计以及道路坡度估计等算法开发，为纵向驱动力分配提供准确输入。从降低整车电耗角度，基于驱动系统效率最优，实现基于经济性的纵向驱动力分配。从提升整车稳定性角度，基于纵向附着系数利用率最优，建立纵向附着系数利用率优化控制算法。从兼顾经济性和稳定性角度，制定两种优化算法的切换逻辑并应用模糊逻辑设计纵向驱动力分配权重，实现过渡过程纵向驱动力的平滑切换。NEDC仿真验证表明：控制算法有效地降低了整车电耗，相比于两驱控制模式（前轴随转，后轴驱动）电耗降低2.64%；中低附平路加速仿真验证表明：控制算法有效地推迟车辆进入过度滑转状态的时刻0.45s，提升驱动防滑控制功能介入前车辆纵向加速度值26%，提升了整车直线行驶稳定性。　　2、实现了基于转矩矢量控制的四轮轮毂驱动力分配控制算法：利用量产车载传感信息，通过扩展卡尔曼滤波器实现质心侧偏角实时估计。在控制目标设定过程中：使用?-??相平面分析法，确定质心侧偏角稳定性边界；在目标横摆角速度设定过程中，提出一种考虑车辆转向迟滞特性和路面附着约束的临界横摆角速度补偿控制方法，建立实时可靠的横摆角速度稳定性边界。通过具有多约束多目标的模型预测控制实现附加横摆力矩实时优化，控制车辆实际横摆角速度与质心测偏角跟随目标值响应；通过求解等价带约束的二次规划问题，得出最优附加横摆力矩。基于轮胎附着率最优，建立四轮轮毂驱动力优化分配问题的目标函数，结合纵向驱动力、附加横摆力矩等约束条件，将四轮轮毂驱动力最优分配问题转换为二次规划问题求解；针对侧向力饱和、驱动防滑功能介入等特殊工况下，可能会存在无可行解的情况，对相关约束条件进行松弛处理，实现覆盖全工况的四轮轮毂驱动力分配。瞬态转向、稳态转向和极限转向工况仿真表明：算法的应用缩短了角阶跃工况车辆横摆角速度响应时间0.027s；提升了稳态回转工况最大侧向加速度0.35m/s2并在大侧向加速度范围内，仍然保持较低的不足转向特性；提升了高附蛇行工况通过车速8.97%，有效地降低了车辆的不足与过多转向度，提升了车辆操纵稳定性。　　3、下层控制中，实现了基于复杂工况的四轮轮毂驱动防滑控制算法：首先，提出一种四轮轮毂驱动防滑控制目标计算方法：在非全轮过度滑转时，以轮胎纵向驱动力最优为目标，使用基础目标滑转率；全轮过度滑转时，制定以前轮牵引控制、后轮稳定控制为主的目标滑转率补偿策略，后轮目标滑转率逐渐过渡到符合李雅普诺夫稳定条件的数值。其次，完成滑转率控制器的设计、参数设置与误触发机制建立。最后，制定适应复杂滑转工况的目标滑转率补偿与四轮轮毂驱动力的协调策略。仿真表明：均一低附加速工况中，算法实现了四轮滑转率快速稳定收敛，提升车辆起步加速能力；转向盘转角和横摆角速度变化较小，车辆具有良好的横向稳定性和保持直线行驶能力。对开加速工况中，实现打滑侧车轮滑转率快速稳定收敛，车辆具有良好的加速能力；转向盘转角和横摆角速度指标满足评价指标要求，车辆具有良好的横向稳定性和保持直线行驶能力。低附到高附对接加速工况中，算法能够快速识别路面附着跳变，控制车辆快速恢复到高附加速水平。　　4、结合行业标准与企业产品开发经验，建立扭矩优化分配控制评价方法。干瓷砖路面加速试验表明：相比于算法关闭，本文提出的纵向驱动力分配算法有效地推迟驱动防滑控制功能介入时刻0.35s，提高驱动防滑控制功能介入前车辆纵向加速度1m/s2，有效地提升了整车直线行驶的稳定性。均一低附、对开路面、对接路面实车加速试验表明：四轮轮毂驱动防滑控制算法启动后，车辆实际滑转率快速跟随目标值响应，有效地抑制了低附路面下的车轮过度滑转，提高整车牵引力和直线行驶稳定性；相比于某型驱动防滑控制功能，控制算法在滑转率稳定控制时间、提升起步加速能力和横向稳定性方面有一定提升。操稳性实车试验表明：相比于算法关闭，本文提出的四轮轮毂驱动力分配控制功能提升了转向瞬态响应性能，缩短了转向盘角阶跃工况车辆横摆角速度响应时间0.025s，降低了横摆角速度超调量。提升了转向稳态响应性：提升稳态回转工况最大侧向加速度0.2m/s2并有效降低大侧向加速工况下的车辆不足转向度与前后轴侧偏角差值。提升了过多转向稳定性：有效避免正弦停滞工况车辆后轴侧滑甩尾现象。提升了移线稳定性：提升高附双移线工况通过车速6.7%；55km/h试验中，降低了驾驶员转向盘转角操作45%，降低车速损失7.2%。提升了连续过弯稳定性：提升蛇形工况通过车速15%；60km/h试验中降低了驾驶员转向盘操作30.3%。相比于某型电子稳定系统，本文提出的四轮轮毂驱动力分配控制算法在减少双移线工况车速损失、降低驾驶员转向盘转角操作量以及改善车辆不足/过多转向性方面有一定提升；蛇形工况下，不仅可实现防失稳控制功能，还可以提升车辆稳定行驶边界。
作者：	赵永强
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	李骏
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2021