基于动态吸振式轮边驱动系统的主动馈能悬架研究

摘要

主动悬架系统是一种通过向车身和车轮施加受控力来提高车辆舒适性和安全性的实用解决方案。然而，该类系统巨大的能耗严重地限制其的广泛使用。为综合提升车辆的经济性和动力性，本文针对轮毂电机驱动电动汽车提出了一种新型馈能主动悬架系统。　　在该系统中，设计了一种以悬挂驱动电机为动态阻尼器的轮毂驱动构型。该构型包含两个电磁作动器，其中主作动器和次作动器分别被控制模仿天棚阻尼器和传统减震器的动态行为，以获取更好的乘坐舒适性并从被悬置驱动电机的振动中收集能量。为使电磁作动器产生特定的期望输出力，本文对传统升压-降压转换器(Boost-Buck Converter)进行了改进设计，并采用电流滞环控制策略使其在仅存在执行器电流单信号反馈的情况下精准调节作动器阻尼力。为了进一步提高悬架系统的馈能效率，本文通过分析系统动力学特性及馈能效率与储能系统端电压的关系，设计了一种超级电容与蓄电池的混合储能系统。并基于串并联及充放电模式切换设计了一种可变阈值的高效控制策略，以使储能系统端电压保持在高效率区域。　　经仿真验证，无论是在升压还是降压工作状态下，改进的升压-降压电路都可以精确控制电磁作动器输出的阻尼力。同时，车辆乘坐舒适性及其综合动力学性能分别提升了52％和14％。此外，可变阈值策略也显示出了比固定阈值策略更高的再生效率。在考虑主动控制所消耗的能量后，该主动馈能悬架系统在A，B，C和D级路面上仍可获取平均值为4.9、17.7、49.2和45.0W的剩余能量以提高车辆的经济性。以上结果表明，所提出的整套系统是一种能够同时改善车辆动力学性能和节能性能的有效方案。本文的主要创新和成果如下：　　(1)针对动态吸振式轮毂驱动系统设计了一种双电磁作动器主动馈能悬架系统，并提出了使两个作动器分别模仿天棚阻尼和传统阻尼动态行为，以提高车辆舒适性和经济性的控制策略。　　(2)对传统的Boost-Buck电路进行了改进设计，使其能在仅存在作动器电流反馈的情况下对作动器的电磁阻尼力进行精准调控。　　(3)分析了储能系统端电压的影响，提出了一种变模式混合储能系统及其变阈值高效管理策略，以在不影响动力学性能的情况下大幅提高系统馈能效率。　　(4)在功能上，本系统不仅实现了传统的悬架主动控制且能产生富余的能量以改善车辆的节能性能。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 轮毂驱动悬挂系统及其主动控制研究现状

1.3 悬架能量回收技术研究现状

1.3.1 馈能系统能量转换装置

1.3.2 自供能主动馈能悬架

1.3.3 馈能悬架电磁阻尼调节电路

1.3.4 馈能悬架储能系统

1.4 本文主要研究内容

第 2 章 轮毂驱动车辆悬架特性分析及改进

2.1 引言

2.2 悬架系统性能评价指标

2.3 现有电动车驱动系统垂向动力学分析

2.4 轮毂驱动电动车主动馈能悬架结构设计

2.5 直线电磁作动器

2.5.1 直线电磁作动器工作原理

2.5.2 直线电磁作动器模型

2.6 悬架建模及馈能潜力分析

2.7 本章小结

第 3 章 电路及储能系统分析设计

3.1 引言

3.2 电动车高低压电气系统介绍

3.3 主动馈能悬架电路框架设计

3.4 改进的 Boost-Buck 电路

3.4.1 Boost-Buck 电路建模

3.4.2 Boost-Buck 电路性能验证

3.5 馈能悬架混合储能系统设计

3.5.1 路面随机激励模型

3.5.2 超级电容介绍

3.5.3 储能系统端电压影响分析

3.5.4 混合储能系统结构设计

3.6 本章小结

第 4 章 主动馈能悬架系统控制器设计

4.1 引言

4.2 混合储能系统控制策略

4.3 主动馈能悬架作动器控制器

4.3.1 上层控制器设计

4.3.2 三相永磁作动器电动模式控制

4.3.3 下层控制器设计

4.4 本章小结

第 5 章 仿真验证与结果分析

5.1 引言

5.2 电路动态性能与车辆动力学性能验证

5.3 主动馈能悬架节能性验证

5.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A（攻读学位期间研究成果）