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原文传递面向极限工况的分布式驱动电动汽车纵横协同控制研究

论文题名：	面向极限工况的分布式驱动电动汽车纵横协同控制研究
关键词：	分布式驱动电动汽车;极限工况;纵横协同;转矩分配;稳定性控制
摘要：	汽车产业是我国国民经济的重要支柱产业，随着汽车“三电”技术的成熟，发展纯电动汽车技术是解决交通排放和能源危机的根本手段，也是我国“十四五”规划中的“铁令”。分布式驱动电动汽车作为其构型中的一种，采用轮毂电机作为驱动单元，提高了扭矩响应速度与执行精度，其多执行器冗余特性有利于实现车辆的多种动力学行为，已被认为是最具发展潜力的电动汽车架构。然而轮毂电机的高频激励以及低转高扭的特点，增加了起步加速时车轮纵向打滑的几率；差动扭矩的介入增加了轮胎侧向力的负荷，使得低附着路面更容易出现横向失稳的风险。现有的控制方案大多沿用传统集中式的架构，往往导致分布式驱动电动汽车的稳定性更加脆弱。因此，如何最大程度地发挥四轮独立可控的优势以保证车辆极限行驶的安全性，是亟待解决的关键技术问题。本文面向以低附着、急加速和大转向为代表的极限行驶工况，分别从纵向、横向以及纵横协同的角度对分布式驱动电动汽车的稳定性和安全性控制进行了深入的研究，全文主要内容如下：　　（1）驱动防滑控制系统是车辆纵向行驶安全性的重要保障，然而对于轮毂直驱的动力构型，其建模原理和控制手段都与传统集中式驱动大相径庭。对此，充分考虑了轮胎弛豫特性的影响，提出了一种基于线性参数时变-鲁棒保性能极点配置的驱动防滑(AccelerationslipRegulation,ASR)控制方法。建立了弛豫车轮旋转动力学模型，指出了弛豫特性是导致滑移率欠阻尼震荡的原因。设计了基于保性能极点配置方法的驱动防滑控制系统，并通过鲁棒控制-增益调度算法抑制模型中参数摄动与参数时变造成的影响。实验表明，设计的防滑控制算法具有较强的鲁棒性和自适应性，对滑移率震荡现象的抑制效果更佳，在保证滑移率稳定跟踪的同时，提高了车辆起步加速时的舒适性。　　（2）针对分布式驱动电动汽车的横向稳定与运动跟踪之间的目标冲突问题，提出了一种面向极限转向工况的多模式转矩分配控制策略。采用模型预测控制算法设计了上层横向稳定性控制器，并结合当前的路面附着条件，将车辆的行驶状态分为三种驱动模式。以轮胎附着裕度为划分界限，设计了模式切换的线性矩阵不等式判定准则。根据模式判别的结果，分别以软硬约束的形式设计了三种不同的转矩分配策略。仿真实验结果表明，提出的多模式转矩分配算法可以根据车辆行驶工况实现驱动模式的自适应切换，在有效避免车身失稳的前提下提高了运动跟踪的精度以及车辆的动力性能，最大程度上发挥了分布式驱动电动汽车的执行器冗余功能。　　（3）针对路径跟踪过程中转向系统和驱动/制动系统的功能耦合与矛盾问题，以多Agent系统的底盘动态协调架构为基础，设计基于分布式模型预测控制(DistributedModelPredictiveControl,DMPC)的路径跟踪器。将多目标优化问题转化为纵横向独立求解的单目标优化问题，减轻了转向Agent与驱动/制动Agent之间的功能重叠与控制矛盾。通过交换历史最优序列的方式，实现了转向Agent与驱动/制动Agent的并行优化求解，同时提高了历史最优序列的利用效率，降低了子Agent的计算负担。仿真实验表明，基于DMPC的路径跟踪器能够满足多种工况的路径跟踪精度要求，并且与传统集中式MPC控制器相比，计算效率有了显著的改善，提高了控制系统的实时性。　　（4）开发了分布式驱动电动汽车实验平台，实现了轮毂电机与原车高低压架构、热管理系统的匹配。定义了CAN通信拓扑结构以及通信协议，将新增CAN网络与原车网络进行对接。基于汽车控制软件V流程方法开发了分布式驱动电动汽车应用层控制软件，并对系统级、组件级和单元级模块进行模型测试与验证，保证整车控制软件逻辑的合理性与功能的完整性。通过蛇形实验对工程样车的操纵稳定性进行了评估，验证其在四驱模式下的抗侧滑、抗侧翻能力以及转向灵活性均得到改善。在低附着道路条件下对驱动防滑功能进行了测试，实现了对目标滑移率的稳定跟踪，提升了车辆极限行驶时的安全性。
作者：	沈童
专业：	机械工程;车辆工程
导师：	殷国栋;王金湘
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021