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原文传递四轮驱动氢电混合动力汽车稳定性控制和能量管理

论文题名：	四轮驱动氢电混合动力汽车稳定性控制和能量管理
关键词：	氢电混合动气汽车;稳定性控制;能量管理;操纵性能
摘要：	新能源行业的兴起能够缓解燃油造成的环境污染和石油资源短缺问题。相比纯电动系统而言，氢电混合动力系统具有充电快、续航长和耐低温等优势，势必将会成为未来主流的能源系统。在汽车加速行驶过程中，基于差速制动的横摆稳定控制会造成汽车减速，从而无法确保驾驶员需要的纵向响应。而基于四轮驱动系统的独立驱动转矩控制能够改善汽车驱动性能和操纵性能。因此，四轮驱动氢电混合动气汽车将会成为未来新能源汽车发展的主流。同时，自动化和信息化等技术的飞速发展给四轮驱动氢电混合动力汽车的稳定性控制和能量管理带来了新的机遇，也使其成为学术圈和工业圈争相研究的重点问题。四轮驱动氢电混合动力汽车的稳定性控制旨在通过控制汽车转向和驱动来保证行驶横纵向稳定性和操纵性能。而能量管理策略则能够通过速度优化、力矩分配以及功率分配来提高四轮驱动氢电混合动力汽车系统的经济性和耐久性。然而目前四轮驱动氢电混合动力汽车的稳定性控制和能量管理普遍处于分离状态。因此，如何融合稳定性控制和能量管理策略是值得研究的重要课题。此外，如何有机融合环境信息、速度优化、功率分配以及车辆动力学控制，建立一体化的信息流和能量流融合系统框架，提高四轮驱动氢电混合动力汽车系统的稳定性、经济性和耐久性，并最终实现面向实际应用的稳定性控制和高效能量优化，是非常具有挑战性的复杂问题。　　本文面向四轮驱动氢电混合动力汽车实时稳定性控制和高效能量优化的应用需求出发。本文基于高实时性的滑模和无源控制策略，并结合高效的层级控制系统框架设计一体化控制策略，有效地降低整体框架和非线性优化问题带来的设计复杂性，提高了设计策略的实时性，并实现了整车系统的多目标优化。　　首先，针对汽车运动横向稳定性和能耗问题，提出了基于层级框架的横向稳定与能效控制策略。引入参考模型将车辆的横向稳定性控制转化为车身稳态跟踪控制问题。基于路面附着系数来更新轮胎侧偏刚度，从而能够保证参考模型的自适应性。基于积分终端滑模控制设计上层的横向控制器跟踪期望车身状态来保证汽车行驶横向稳定性，同时能够缩短控制器的收敛时间。在下层力矩分配的代价函数中构建考虑轮胎滑移率的惩罚项，实现各车轮力矩的优化分配，降低汽车轮胎滑移损耗。　　其次，针对汽车的平面运动提出了考虑速度优化的高能效横纵向协调控制，建立集成四轮动力学的非线性车辆动力学模型用于汽车平面运动控制。接着，构建考虑机械能耗和电机能耗的速度优化问题，基于动态优化理论得到优化速度的解析形式，确保速度优化的实时性和降低汽车行驶能耗。基于端口哈密尔顿模型描述期望车身状态跟踪误差系统，采用无源理论设计横纵向协调控制策略来跟踪期望的汽车平面运动，并从理论上分析控制系统的稳定性和鲁棒性。同时，基于电机能耗模型设计了力矩优化分配策略降低电机能耗。此外，设计了非线性观测器估计横向速度，降低传感器测量成本并保证速度观测精度和可靠性。　　然后，基于端口哈密尔顿模型设计了无源轨迹跟踪控制策略，保证汽车在跟踪期望轨迹的同时兼顾汽车行驶横向稳定性。建立端口哈密尔顿框架的轨迹跟踪误差系统，基于互联阻尼分配无源理论利用无源输出设计反馈控制输入，保证轨迹跟踪闭环系统的无源性，提高控制系统的稳定性和鲁棒性。同时，在轨迹跟踪策略中融合直接横摆控制来确保汽车行驶稳定性。此外，设计了考虑轮胎磨损和轮胎力平均利用的力矩优化分配策略，进一步确保汽车行驶稳定性。　　最后，针对四轮驱动氢电混合动力汽车驾驶系统和能源系统的多目标优化需求，建立了融合纵向控制的多目标能量管理策略框架。其中，设计了高实时性的层级速度优化策略来降低整车行驶能耗，并通过真实人为驾驶数据来验证策略有效性。然后，提出了基于二次规划优化的多目标能量管理策略和基于滑模控制的速度跟踪器，在跟踪期望功率和优化速度的同时保证算法实时性，提高了四轮驱动氢电混合动力汽车系统的稳定性、经济性和耐久性。　　通过上述的研究内容，本文深入探索了兼顾四轮驱动氢电混合动力汽车稳定控制和能量管理的方法，提出的策略得到了有效的验证。最后，概要了本文的研究内容，同时规划了未来的研究方向。
作者：	马延
专业：	控制科学与工程
导师：	陈剑
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2021