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原文传递电动汽车转矩定向分配驱动桥系统动态特性分析与控制技术研究

论文题名：	电动汽车转矩定向分配驱动桥系统动态特性分析与控制技术研究
关键词：	电动汽车;转矩定向分配;动态特性分析;整车应用控制;硬件在环试验
摘要：	在国家“双碳”战略背景下，电动汽车已成为当下和未来汽车产业的重要发展方向。目前，我国电动汽车底盘驱动系统主要继承于传统内燃机汽车驱动平台，普遍采用基于开放式差速器的集中式车桥驱动系统，该驱动形式具有技术成熟可靠、布置方式继承性好等优势。然而，开放式差速器“差速不差扭”的工作特性，虽然可以解决汽车转弯时车轮在运动学上的不协调，有效避免轮胎磨损，但是其总是将驱动转矩平均分配给左右两侧车轮，使得车辆在良好路面的转向能力受限，不能有效改善车辆在恶劣路面的通过性和动力性，难以满足未来高性能电动汽车对于先进底盘驱动系统的技术需求。　　转矩定向分配（TorqueVectoring,TV）驱动技术能够通过驱动转矩在轮间甚至轴间的灵活分配，有效均衡各车轮的路面附着利用率，提高车辆稳定性裕度，改善车辆的转弯机动性，增加驾驶乐趣，是未来智能底盘系统重点发展的技术领域之一。以轮毂电机为代表的分布式驱动具有各轮转矩独立可控的优势，天然适合TV驱动技术的应用，被认为是未来电动汽车一体化底盘的最佳驱动形式。但受限于轮毂电机功率密度、簧下质量增加等不利因素，当前分布式驱动系统在乘用车领域还未得到大规模的市场推广应用。因此，如何在分布式驱动尚未取得技术瓶颈突破的当下，继承集中式驱动系统成熟可靠、布置便捷的平台基础，实现各轮转矩任意可控、双向转移的技术特征，是非常值得研究的问题。　　为充分利用TV驱动技术的优势，本文在国家自然科学基金面上项目“四轮独立驱动电动汽车转弯节能及转向机动转矩定向分配关键技术”（项目编号：51875235）和吉林省国际发展合作项目“高性能电动汽车转矩定向分配驱动桥设计及控制系统开发”（项目编号：20180414011GH）的支持下，提出了一种能够实现轮间驱动转矩任意转移分配的集中式布置新型TV驱动桥构型方案，并对其拓扑结构特性分析与构型优选、机电耦合系统动态特性分析与控制、整车应用控制策略开发、以及硬件在环试验平台搭建与控制策略试验验证等关键科学与技术问题进行深入研究。具体而言，本文的主要研究内容如下：　　（1）TV驱动桥系统结构特性分析与构型优选设计。为对新型TV驱动桥系统的结构特性进行全面分析，并从众多拓扑结构构型中选取最优构型方案作为论文开展的研究对象。首先，对新型TV驱动桥系统的组成结构进行了介绍，在此基础上对系统的转速、转矩功率流耦合机理进行理论分析和仿真验证。其次，在行星排速度图法基础上，综合分析了TV驱动桥系统衍生的36种典型拓扑结构特性，并从电机参数匹配、机械设计合理性等角度，从众多拓扑结构中选取了最优构型方案作为论文研究的对象。最后，面向整车应用对TV驱动桥系统的参数需求，对所优选的TV驱动桥系统关键参数进行了匹配设计。　　（2）TV驱动桥系统动态特性建模分析。考虑到所提出的新型TV驱动桥系统是由多个电机执行器和齿轮系组成的复杂机电耦合系统，其系统动态特性可能会对车辆的动力学性能产生影响。首先，根据系统功率流可视化的键合图理论绘制了TV驱动桥机械传动系统键合图模型，在此基础上推导了其系统动力学方程，并确定了键合图模型中关键元件参数。其次，建立了包含电机本体和控制系统在内的电机驱动系统动力学模型。最后，在对电机驱动系统模型进行简化的基础上，建立了能够通用于表征36种拓扑结构数学模型的TV驱动桥机电耦合系统一体化动力学模型，重点对系统的稳定性、动态响应性能以及系统动态响应的鲁棒性进行了仿真分析。　　（3）TV驱动桥系统动态特性控制策略研究。为改善新型TV驱动桥系统的动态特性，从而更好的满足整车横纵向动力学控制目标的应用需求。首先，对TV驱动桥系统动态特性的控制目标进行分析，提出了基于控制目标解耦双电机协调控制的系统动态特性控制架构。其次，为开发基于被控对象模型的系统动态特性控制器，采用集中参数法对TV驱动桥系统键合图模型进行降维简化，减小了被控对象模型复杂对控制器运算效率的影响。最后，开发了考虑系统不确定干扰，基于径向基神经网络滑模算法的TV驱动桥系统动态特性自适应控制器，通过径向基神经网络对系统不确定干扰进行实时估计与补偿，抑制了不确定干扰对控制系统的影响，有效提升了TV驱动桥系统的动态响应性能和鲁棒性能。　　（4）TV驱动桥系统整车应用转矩矢量控制策略开发。为提升新型TV驱动桥系统的整车应用效果，对其转矩矢量控制策略进行了研究。首先，对TV驱动桥系统的整车集成控制架构进行了分析，为转矩矢量控制策略的开发提供了软件架构基础。其次，基于分层控制的思想建立了以提升车辆操纵稳定性为控制目标的TV驱动桥系统转矩矢量控制策略，上层控制器设计了基于超螺旋二阶滑模控制算法的附加横摆力偶矩控制器，以维持车辆在转弯过程中的横向稳定性；下层控制器建立了基于模糊推理路面附着系数识别的驱动防滑控制器，实现了车辆转弯过程中横纵向稳定性的协同控制。然后，理论推导了车辆转弯能耗产生的动力学方程，并进一步探究了轮间转矩矢量对车辆转弯节能的影响机理，创新性的提出了基于相平面稳定域划分，实时在线优化降低转弯能耗的TV驱动桥系统转矩矢量控制策略，在保证车辆操纵稳定性的前提下，提升车辆的转弯经济性。最后，基于所搭建的联合仿真平台，在四种典型工况下对所提出控制策略的有效性进行了仿真验证。　　（5）TV驱动桥系统功能样机试制与控制策略硬件在环试验。为验证针对新型TV驱动桥系统所开发的控制策略的工程实用性，首先加工试制了TV驱动桥系统功能样机，在此基础上自主搭建了TV驱动桥系统硬件在环试验台架。然后，分别对TV驱动桥系统动态特性、系统动态特性控制策略、以及TV驱动桥系统转矩矢量控制策略进行硬件在环试验。最后，试验结果验证了TV驱动桥系统动态特性建模分析结论的正确性，以及所开发的控制策略的工程实用性。　　本文的研究成果对于促进TV驱动技术在节能与新能源汽车上的推广与应用，推动电动汽车先进驱动系统创新技术研发，进一步提升电动汽车的使用性能与动力学品质，具有一定的理论指导意义和工程实用价值。
作者：	高守林
专业：	车辆工程
导师：	王军年
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023