分布式電驅(qū)動汽車主動轉(zhuǎn)向與復合制動集成控制研究.pdf

1、近年來，由于石油燃料危機和越來越嚴格的車輛排放與安全標準，車輛電動化即新能源汽車的研發(fā)正逐步成為全球汽車工業(yè)研發(fā)的焦點。然而，這對已經(jīng)建立成熟體系的傳統(tǒng)汽車技術(shù)，如動力系統(tǒng)的設計與布置、底盤的設計與布置以及車輛動力學與控制，提出了巨大的挑戰(zhàn)并迫切需求革命性替代產(chǎn)品的出現(xiàn)。不可避免的，電池和電機控制以及能量管理系統(tǒng)的開發(fā)和研究受到了大量的關(guān)注，然而針對車輛電動化所帶來的對車輛動力學的沖擊的研究卻鮮有報道。例如，以目前的技術(shù)，電池仍然是車輛

2、部件中較重的一部分，這往往會帶來簧載質(zhì)量、慣量的增加甚至質(zhì)心高度的升高，造成車輛穩(wěn)定性惡化。即使保證了車輛的行駛穩(wěn)定性，仍然存在著節(jié)能和提高系統(tǒng)效率的挑戰(zhàn)，因此基于新能源汽車進行車輛穩(wěn)定性與節(jié)能性的集成控制是亟需解決的新的研究課題。電機是聯(lián)系電動汽車節(jié)能性與車輛動力學特性的關(guān)鍵部件，但受其外特性和SoC（荷電狀態(tài)）的影響，單獨電機制動產(chǎn)生的最大制動力矩往往無法滿足一些強制動工況的需求，故其制動系統(tǒng)常采用電制動與液壓制動的復合制動方式。復

3、合制動的出現(xiàn)使得滑移率控制(WSC)產(chǎn)生了更加復雜的作用機理，這個過程存在如何進行電液扭矩分配以及如何處理制動能量回收與輪胎非線性動力學之間耦合的難點問題，而基于電液復合制動的WSC又是實現(xiàn)車輛穩(wěn)定性節(jié)與能性控制的關(guān)鍵所在。
　　鑒于此，本文以裝備有主動前輪獨立轉(zhuǎn)向(AIFS)系統(tǒng)和電液復合制動系統(tǒng)的分布式電動驅(qū)動汽車為研究對象，注重電動汽車與燃油汽車在車輛動力學集成控制方面的區(qū)別，考慮基于電液復合制動的滑移率控制對ABS、ESP

4、等的沖擊，發(fā)揮四輪獨立制動和前輪獨立轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢，結(jié)合復合制動所具備的車輛穩(wěn)定性控制和制動能量回收兩方面的特點，基于分層控制結(jié)構(gòu)，利用先進控制分配理論技術(shù)，實現(xiàn)車輛的綜合穩(wěn)定性和節(jié)能性控制。主要研究工作如下:
　　(1)車輛動力學模型建立與驗證，首先建立了主動前輪獨立轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)與電液復合制動子系統(tǒng)模型。其中，AIFS子系統(tǒng)模型包含用于分析懸架特性與整車性能的多體動力學模型和用于車輛穩(wěn)定性控制的數(shù)學模型，復合制動子系統(tǒng)模型包含對時間延

5、遲的pade近似處理以及離散狀態(tài)方程模型;然后建立了用于驗證控制器效果的車體動力學模型和輪胎模型;最后，分別應用車輛動力學商業(yè)軟件ADAMS/Car和Carsim對模型精度進行了驗證。
　　(2)車輛動力學控制是建立在對車輛運動狀態(tài)、行駛環(huán)境、路面與輪胎附著狀態(tài)等精確判斷的基礎上，本文基于卡爾曼濾波算法研究了車輛質(zhì)心側(cè)偏角、車身側(cè)傾角、車身側(cè)傾角速度等車輛狀態(tài)的估計，并應用姿態(tài)方位組合導航系統(tǒng)進行了實車試驗，對車輛狀態(tài)估計效果進行

6、了驗證。同時研究了基于滑模觀測器的輪胎縱向力觀測方法。
　　(3)針對新近被提出的AIFS系統(tǒng)，本文創(chuàng)新性地從多體動力學角度分析了AIFS的安裝對懸架特性和整車操縱穩(wěn)定性的沖擊，為車輛穩(wěn)定性控制提供了指導;然后設計了對參數(shù)擾動魯棒性較好的滑模控制器和基于規(guī)則的轉(zhuǎn)角分配算法，對車輛進行穩(wěn)定性控制;最后，針對基于規(guī)則的轉(zhuǎn)角分配算法無法實現(xiàn)最優(yōu)分配的問題，提出一種基于控制分配的AIFS轉(zhuǎn)角分配算法，并通過數(shù)值仿真對其控制效果進行了驗證。

7、
　　(4)目前電液扭矩分配的研究主要集中于對電液力矩的開環(huán)規(guī)劃，但這會使實際復合后的力矩與期望值之間存有偏差，故提出一種基于預測動態(tài)控制分配的電液扭矩分配方法;針對變路面條件下的最優(yōu)滑移率復雜多變的特點，提出一種基于滑模極值搜索算法的滑移率控制方法，并推導了極值搜索算法的滑模可達條件。基于以上所提出的控制分配方法和極值搜索算法，首先在復雜直線制動工況下進行了仿真計算，通過對比靜態(tài)控制分配（即開環(huán)規(guī)劃法）和動態(tài)控制分配的電液扭矩分

8、配效果，所提控制分配方法實現(xiàn)了更好的復合效果;然后，針對轉(zhuǎn)彎制動工況，從滑移率與輪胎縱橫向耦合動力學角度，提出AFS補償法和滑移率控制律修正法來提高車輛側(cè)向穩(wěn)定性，并通過數(shù)值仿真對控制方法進行了驗證。
　　(5)以實現(xiàn)車輛穩(wěn)定性和節(jié)能性為目標，提出一種AIFS與復合制動的集成控制策略。首先，規(guī)劃了集成控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，利用對車輛側(cè)傾動力學和橫擺動力學的相平面分析，設計了協(xié)調(diào)控制規(guī)則;其次，闡述了基于嵌入式凸優(yōu)化工具CVXGEN的

9、快速預測動態(tài)控制分配的求解器生成與編譯流程;然后，重點研究了分層集成控制策略，協(xié)調(diào)層依據(jù)所設計的協(xié)調(diào)規(guī)則變換不同的控制模式，上層控制器基于駕駛員意圖識別和車輛狀態(tài)估計得到車輛穩(wěn)定性控制所補償?shù)膹V義力，中層控制分配器將上層控制器得到的廣義力在前輪獨立轉(zhuǎn)向和四輪復合制動之間進行分配，并將滑移率控制閉環(huán)引入中層控制分配模塊，同時考慮執(zhí)行器的幅值和速率約束。在下層執(zhí)行器中，采用預測動態(tài)控制分配方法將得到的輪胎制動力在電機與液壓執(zhí)行器之間進行分配