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原文传递轮毂电机驱动混合动力越野车机动性研究

论文题名：	轮毂电机驱动混合动力越野车机动性研究
关键词：	混合动力越野车;轮毂电机;驱动系统;功率响应;力矩矢量分配;机动性能
摘要：	轮毂电机驱动系统具有精准的可控性和毫秒级的转矩响应性能，近年来被广泛用于高性能越野车辆以提升整车驱动响应性、转向灵活性、操纵稳定性、通过性等机动性能；另外，增程式混合动力系统搭载于电驱动越野车可满足强生存能力和补能便利性的需求。然而，复杂多变的行驶工况、混合动力与各轮毂驱动单元之间的机电耦合特性提高了分布式驱动控制的难度，需要深入分析和研究。　　本文以轮毂电机驱动的混合动力越野车辆为研究对象，基于达成弹射起步、原地转向、转向灵活性、操纵稳定性、快速通过越野道路等机动性设计指标的目的，针对行驶工况感知技术、混合动力多能源管理和各轮力矩矢量分配方法等关键问题深入研究，以期实现越野车多种行驶工况下驱动功率利用率的全局优化。主要研究内容如下：　　（1）为充分发挥轮毂电机驱动系统冗余的力矩控制自由度和动态响应性以达成越野车动力性、通过性和稳定性的综合优化目标，需实时感知车辆运动状态和行驶路况从而建立多自由度力矩控制的闭环动态调节机制。首先，基于本文构建的由多信息融合运动学量测器、车辆动力学模型以及自适应校正无迹粒子滤波器组成的动态感知系统，开发了纵横向车速估计方法和各轮附着极限观测器，并分析了越野车多种行驶工况的非线性特性，提出了一种鲁棒性与精度综合优化的行驶工况感知方法。测试结果表明，在车辆运动状态发生近似线性变化时，可实现各轮附着极限的精确观测；而在强非线性工况下，可快速捕捉到各轮附着状态的瞬时变化。　　（2）针对总质量6吨的越野车弹射起步时动力性需求和混合动力系统安全性约束的控制矛盾，构建了非线性自回归神经网络（NonLinearAutoRegressive，NAR）需求功率预测模型，用于瞬态工况下需求功率的精确预测，并以行驶可靠性为前提设计了混合动力系统动态安全约束域，开发了协调优化驱动功率利用率和混合动力系统安全性的动态规划算法。测试结果表明，通过需求功率的瞬态跟踪控制可显著提升混合动力系统的功率响应性与跟随精度，实现了越野车弹射起步，并有效减小了动力电池峰值放电倍率与脉冲式放电时间。　　（3）以快速通过越野工况为控制目标提出了越野车多自由度力矩矢量分配与控制方法。以驱动功率利用率优化为总体控制目标，基于轮荷动态变化和各轮附着系数的实时感知信息，提出了动态平衡各轮附着利用率的力矩矢量前馈预分配方法；另外，在通过起伏地形或在雨雪砂石路面上行驶时，各驱动轮接地高及附着条件容易发生强非线性变化，加大了精确估计各轮附着极限的难度，为了提高驱动力矩控制的鲁棒性并优化各轮运动状态收敛至稳定线性区的速度，根据各轮利用附着系数设计了一种动态二阶滑模变结构全轮驱动力矩反馈调节器。测试结果表明，车辆在附着条件不同及变附着路面下均可实现各轮附着利用率的全局优化与滑转率的快速收敛，并可以稳定、高效地通过陡峭纵坡、扭曲路、垂直台阶等极端起伏地形，达成了快速通过越野工况的性能指标。　　（4）分布式驱动系统通过输出附加横摆力矩改变车辆航向角，可实时调节转向特性，并在城市街道、桥面等狭窄空间下进行原地转向，大幅提升越野车的转向机动性能。由于轮胎稳定裕度随转向运动的加剧而逐渐下降，因此横摆力矩过大容易造成车辆滑动失稳和驱动效率下降。为了解决横摆响应性和稳定性之间的协调优化问题，首先基于车辆动力学模型、相平面分析与非线性有限时间控制技术进行期望横摆角速度和质心侧偏角的精确跟踪；另外，制定了附着条件不同的路面下原地转向响应性的优化权重与期望横摆轨迹，接着基于模型预测算法进行横摆角速度的跟踪控制，同时引入自适应滑模控制器反馈调节车轮滑转率以确保纵横向运动的稳定性。测试结果表明，横向动力学控制可自适应优化转向灵活性和操纵稳定性，并实现了期望原地转向轨迹的精确跟踪。
作者：	刘道远
专业：	车辆工程
导师：	黄松;付翔
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022