四轮驱动电动汽车底盘系统动态协调控制机制与能量优化管理

A novel Four-Wheel-Drive Electric Vehicle with 4W independent driving, 4W independent braking, active steering and active suspension, is a complicatedly coupled nonlinear Over-Actuated System, which leads to the big challenges in studying on the coupling mechanism of “lateral-longitudinal-vertical” vehicle dynamics, as well as the control theory of the chassis coordinated control considering multiple performance targets. Meanwhile, it also brings great opportunities to improve vehicle’s energy consumption and active safety through control systems.. To address all the scientific issues above, this project will focus on: Building a vehicle dynamics model considering the energy consumption of the in-wheel electric motors, the battery pack and tire wearing to analyses the coupling mechanism of the nonlinear vehicle dynamics based on the “lateral-longitudinal-vertical” tire modeling; Studying the Four-Wheel-Drive Electric Vehicle’s ideal maneuver properties and “Human-Vehicle-Environment” closed loop evaluation indices based on the human driver modeling. On the bases of the theoretical results, a semi-active suspension control method with DVA will be proposed to solve the negative effects due to the huge unsprung mass of the in-wheel motor; a vehicle energy consumption optimal control and management method will be proposed based on Control Allocation; an integrated chassis active safety control method will be proposed based on Receding Horizon Optimization. Based on all the control methods above, a chassis coordinate control method will be presented using decoupling hierarchical control structure, to satisfy the vehicle’s safety, economy and comfort performances.

采用四轮独立驱动、四轮独立制动、主动转向和主动悬架的新型四轮驱动电动汽车是一个复杂耦合的非线性过驱动系统。该系统在汽车“侧向-纵向-垂向”动力学耦合机制及面向多目标的底盘系统动态协调控制方面提出了巨大的挑战，同时也为采用控制理论提升整车的节能水平，改善汽车的主动安全性等方面提供了重要机遇。. 本项目围绕上述科学问题，从轮胎的“侧-纵-垂”向耦合动态建模入手，建立考虑电机、电池以及轮胎滑移能耗的车辆系统模型，开展非线性动力学耦合机理研究；基于驾驶员模型开展四轮驱动电动汽车理想驾驶特性和“人-车-环境”闭环评价研究。在理论分析的基础上，为解决轮毂电机簧下质量负效应开展基于DVA的悬架半主动控制研究；利用控制量分配开展整车能耗优化与能量管理；利用滚动优化开展底盘主动安全集成控制研究。在此基础上采用解耦分层架构，实现底盘系统的动态协调控制，满足整车安全、节能、舒适的动力学性能目标。

本项目从“基础理论研究”和“动力学控制与优化”两个方面研究四轮驱动电动汽车带来的基础科学问题。针对四轮驱动车底盘动力学性能分析和设计难题，建立复杂工况下的整车非线性多维耦合力学模型与能耗模型，为整车动力学分析、能量管理及控制系统的设计提供依据。针对车辆理想驾驶操作特性与“人-车-环境”闭环评价难题，建立了考虑驾驶个性的复杂工况驾驶员模型，提出了闭环系统下基于专业驾驶员特性的理想控制目标表达形式，为四轮驱动电动汽车动力学目标特性的设计提供了理论基础。针对轮毂电机引起的簧下质量增加导致汽车平顺性变差的问题，研究了悬架振动能量的产生机理以及振动过程中的能量传递与耗散机理。运用半主动悬架不变点特性和提高悬架垂向综合性能的半主动控制算法，有效提高了四轮驱动电动汽车的操纵稳定性和平顺性。针对四轮驱动电动汽车能耗优化和能量管理困难问题，设计控制器、观测器和优化智能交通环境下的能量管理系统，实现了电动汽车驱动功率和非驱动功率进行功率和能量的优化分配与管理，有效降低汽车能耗，在市区和市郊综合道路工况下可节能7%-10%。针对四轮驱动电动汽车底盘系统动态协调控制的难题，分别采用分层控制与一体化底盘集成控制策略，协调各执行器的控制自由度，提出了长时域非线性预测控制的快速优化计算方法，车辆操纵性能通频带宽提高了一倍，典型极限工况车辆质心侧偏角控制在±3°以内，轮胎滑移能耗可减少15%-20%，实现车辆底盘性能的多目标协调控制。