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轮毂电机驱动电动汽车的电制动特性研究

杨宇  
【摘要】:目前,国内外轮毂电机驱动技术的研究主要集中在轮毂电机的设计和针对采用轮毂电机直接驱动电动汽车的悬架设计上,也有部分学者对轮毂电机对车辆平顺性的影响、轮毂电机与整车性能的匹配、轮毂电机的驱动和制动控制进行了研究。长期从事节能与新能源汽车研究的吉林大学电动汽车及混合动力汽车关键技术创新团队对轮毂电机驱动汽车的防滑驱动技术、自适应差速控制和复合制动等核心课题进行了系统的研究,并且在路面附着识别、电动汽车差动转向和再生制动等方面取得了一定的科研成果。随着线控技术的发展和底盘控制系统集成度的提高,传统的液压制动系统和机械式驻车制动系统势必会被淘汰,开发出一套适合轮毂电机直接驱动电动汽车并兼顾行车制动与驻车制动功能且安全有效的制动系统成为亟待解决的问题。本文以轮毂电机驱动电动汽车的电制动特性为研究内容,对应用轮毂电机制动转矩的行车制动控制策略和驻车制动控制策略进行了深入的研究: 本文首先分析了轮毂电机驱动技术的优势,同时对国内外轮毂电机驱动技术的应用现状和研究现状做了简要介绍。 在AMESim中建立了采用盘式制动器的液压制动系统模型,其中包括真空助力器模型、制动主缸模型和制动钳模型;然后根据轮毂电机的数学模型,建立了基于滞环比较控制方法的轮毂电机控制模型;基于所建立模型,应用离线仿真的方法,对比分析了液压制动系统和轮毂电机电制动在阶跃输入下的瞬态响应特性和常规制动工况下的稳态响应特性,仿真结果表明:应用轮毂电机的转矩进行电制动不但可以大大提高制动系统的响应速度,而且每个车轮的制动力矩都可以进行独立控制,提高了电动汽车的制动性能,同时也充分证实了轮毂电机电制动方案的可行性。 对于轮毂电机直接驱动的电动汽车,提出基于轮毂电机动态响应特性的防抱死制动控制方法,以提高制动性能和制动时的行驶稳定性。在AMESim15自由度底盘模型的基础上加入轮毂电机模型、悬架模型(包括弹簧,减震器,防倾杆模型等)车身空气动力学模型,传感器模型,轮胎地面模型等,建立了轮毂电机驱动电动汽车的整车模型,并基于逻辑门限值算法设计了轮毂电机电制动防抱死控制策略,通过AMESim与Simulink联合仿真的方法对该控制策略进行了仿真验证,仿真结果表明,本文设计的防抱死控制算法充分发挥了轮毂电机电制动响应速度快,单一车轮制动转矩独立可控的特点,提升了电动汽车在紧急制动工况下的制动性能,同时也提高了电动汽车的主动安全性。 通过分析驻车制动系统的发展趋势,提出了以轮毂电机电制动转矩进行驻车制动的方案,并对比制动钳集成式电子驻车制动系统,对轮毂电机的电制动驻车控制方案的可行性进行了分析。在AMESim中建立了螺杆螺母螺旋副模型及制动钳集成式电子驻车制动系统执行机构的仿真模型;又根据永磁同步电机滞环比较控制模型,对比仿真分析了电子驻车制动系统与轮毂电机电制动驻车控制的瞬态与稳态响应特性,得出结论:螺杆螺母摩擦副的非线性运动规律是制约制动钳集成式电子驻车制动系统瞬态响应性能的主要因素,并且随负荷的增加,螺母输出力的波动也增大,影响了制动系统的稳定性。最后,通过对路面附着系数的估算和车辆状态信息的获取,设计了轮毂电机实现短时间驻车的控制策略,从而精确控制轮毂电机的输出转矩,并通过离线仿真的方式进行了验证。 分析了目前智能化驻车制动系统的功能性需求,并基于这些需求,应用轮毂电机的制动转矩对车轮施加制动力矩的方式,在常规的驻车功能基础上,对轮毂电机电制动驻车控制进行了功能上的扩展,设计了基于轮毂电机电制动方案的智能驻车系统:首先,针对由于驾驶经验的不足或对路况判断的失误,引起车辆在坡路上起步困难或者不平稳的现象,本文设计了坡路起步功能,通过对路面附着及坡度的识别,智能协调前后轮毂电机的输出转矩,辅助驾驶员坡路起车;再次,为了应对由于液压制动系统失灵或无法操作行车制动系统等突发的紧急状况,设计了紧急制动功能,通过电制动驻车控制使车辆按照一定的减速度制动,为了保证紧急制动时车辆的操作稳定性,本文还创新性地将防抱死控制策略应用于轮毂电机电制动,并得到了良好的制动效果;最后,为了辅助驾驶员制动,使驾驶员在拥堵的交通环境下或山路上行车时更加轻松,本文设计了自动驻车功能。通过离线仿真的方法对电制动驻车方案进行了功能上的验证。 最后通过软件在环研究,对轮毂电机电制动控制器功能进行验证,将控制策略模型下载到dSPACE处理器板卡中,进行与真实环境交互的实时仿真分析,验证了控制模型在受控环境下的可行性,并根据仿真结果对模型进行调整。基于dSPACESimulator液压制动系统和轮毂电机的半实物仿真平台,以TTC200为整车控制器进行了轮毂电机电制动硬件在环仿真实验,实验结果验证了轮毂电机电制动控制的功能性:轮毂电机电制动控制器可以准确有效地实现智能驻车控制,提升车辆的安全性,同时也验证了轮毂电机电制动防抱死控制算法在紧急制动工况下的有效性。


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