轮毂电机驱动电动汽车耦合动力学特性研究

摘要

迫于能源紧缺与环境污染的双重压力，高效、节能、环保的电动汽车成为全球汽车行业研究的热点。近年来，基于轮毂电机独立驱动的电动汽车具有广阔的研究前景。轮毂电机驱动车辆具有独特的结构和布置方式，取消了传统的机械传动部件，使传动系统简化，整车整备质量降低，传动效率提高，有效利用空间增大,提高了车辆的通过性能。轮毂电机驱动电动汽车全新的电动汽车结构形式，已成为未来电动汽车领域发展的一个新趋势。但是，由于轮毂电机的引入，使得轮毂电机驱动电动汽车的非簧载质量显著增加，严重影响了车辆的动力学特性；同时轮毂电机受不平路面激励振动进一步恶化，造成电机定转子位移量不断变化，给车辆的动力学特性带来不利的影响。因此，系统的研究轮毂电机驱动电动汽车的耦合动力学特性具有十分重要的意义。
　　在总结了国内外相关研究成果的基础上，以两后轮轮毂电机驱动电动汽车为研究对象，建立了整车非线性耦合动力学模型，分析了路面及电磁力双重激励下轮毂电机驱动电动汽车的耦合动力学性能，研究了主动前轮转向控制、直接横摆力矩控制和主动悬架控制集成的分层式协调控制，并对汽车系统结构和控制器参数进行了集成优化设计。论文主要研究内容如下：
　　（1）轮毂电机驱动电动汽车耦合动力学模型的建立及验证：考虑车辆纵向、横向和垂向动力学之间的主要耦合关系，建立了相对比较完备的轮毂电机驱动电动汽车16自由度非线性耦合动力学模型。在车辆建模过程中，根据前后轴距的滞后及左右车轮的相关程度，建立了路面不平度时域模型。应用 Matlab/Simulink软件建立了整车耦合动力学仿真模型，并基于多体动力学软件Adams/Car对模型的正确性进行了验证，为后续车辆动力学性能的仿真分析及系统控制的研究奠定了基础。
　　（2）路面及电磁力复合激励下车辆的耦合动力学特性研究：基于永磁同步电机本体结构，建立了路面激励引起的轮毂电机均匀/不均匀气隙长度模型，应用麦克斯韦应力张量法推导出了轮毂电机电磁力的解析表达式，并对路面不平度及电磁力复合激励下轮毂电机驱动电动汽车的耦合动力学特性进行仿真分析。
　　（3）车辆耦合动力学系统的分层式协调控制研究：为了消除车辆各子系统间的耦合作用对整车控制性能的影响，本文针对汽车转向、制动和悬架集成系统，分别设计了主动前轮转向、直接横摆力矩、主动悬架的各子系统控制器及其协调控制器，制定了汽车各子系统具体的协调控制策略和控制功能权重的分配。通过与分散控制系统进行仿真对比，验证了汽车耦合动力学系统分层式协调控制效果的有效性，为后续汽车多个子系统集成的分层式协调控制提供了一个新的思路。
　　（4）车辆耦合动力学系统结构与控制器参数的集成优化：在分析各系统参数对动力学评价指标影响的基础上，采用扰动法分析了车辆动力学性能指标对悬架刚度和阻尼、车身与电机质量比、定转子质量比及轴承与轮胎刚度比的灵敏度。在对轮毂电机驱动系统参数灵敏度分析的基础上，选择灵敏度较大的系统结构参数作为优化变量。针对车辆耦合动力学系统全局性能的最优的问题，采用了基于粒子群算法的系统机械结构与协调控制器参数的集成优化设计，并与协调控制和结构优化对比仿真分析，结果表明：系统结构与协调控制器参数的集成优化进一步提高了汽车的行驶安全性、平顺性和操纵稳定性等整车性能。研究结果对车辆耦合动力学系统整体最优性能的实现提供了一定的参考意义。

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第一章 绪论

1.1 课题的来源

1.2 课题研究背景和意义

1.3 国内外相关技术研究现状

1.4 本课题主要研究内容

第二章 轮毂电机驱动电动汽车耦合动力学模型的建立及验证

2.1 车辆系统耦合动力学模型

2.2 路面不平度随机激励时域模型

2.3 车辆耦合动力学模型的仿真验证

2.4 本章小结

第三章 路面及电磁力复合激励下车辆耦合动力学特性研究

3.1 轮毂电机结构选择

3.2 气隙长度模型

3.3 轮毂电机电磁力数学模型

3.4 路面及电磁力复合激励下车辆的耦合动力学仿真分析

3.5 本章小结

第四章 车辆耦合动力学系统的分层式协调控制研究

4.1 分层式协调控制器的设计思路

4.2 车辆系统动力学控制参考模型和状态估计

4.3 AFS、DYC和ASS子系统控制器设计

4.4 AFS、DYC和ASS系统协调控制策略

4.5 车辆分层式协调控制系统仿真分析

4.6 本章小结

第五章 车辆耦合动力学系统结构与控制器参数的集成优化

5.1 轮毂电机驱动系统参数灵敏度分析

5.2 车辆耦合动力学系统结构与控制器参数的集成优化

5.3 车辆耦合动力学集成控制系统的优化结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 本文主要创新点

6.3 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间参与的课题项目及发表的论文

致谢