轮毂电机-内燃机混联驱动多轴越野车辆一体化建模与协同控制研究

Inter-axle coupled in-wheel motors and internal combustion engine(ICE) can form series-parallel configuration for multi-axle off-road vehicle. It will bring remarkable advantages on power performance, fuel efficiency and maneuverability, as well as new challenges on vehicle control. .This fund program aims at multi-axle off-road vehicle driven by in-wheel motors and ICE with series-parallel architecture. Hybrid power system, vehicle dynamics system and distributed control system will be respectively analyzed, and then the “Mechanical-Electrical-Informatical” multi-domain coupling integrated model will be built to reveal the internal mechanism of the complex electromechanical system. In the control design, special working conditions such as high-power electric devices and complicated off-road condition will be specially considered; control allocation theory of over-actuated system and multi-objective optimizing method will be adopted. Collaborative control strategy will be designed to achieve comprehensive control of the hybrid system and vehicle dynamics, and ultimately optimal performance of the multi-axle off-road vehicle..The research of this fund program will not only be a concrete practice in the field of modeling and control of complex electromechanical system, but also promote the research and development of China’s electrified multi-axle off-road vehicle.

轮毂电机和内燃机通过轴间耦合的方式，组成混联构型驱动多轴越野车辆，能够给车辆的动力性、经济性和动力学性能带来显著的优势，但同时也给整车控制带来了新的挑战。本基金项目以轮毂电机-内燃机混联驱动的多轴越野车辆为研究对象，围绕其混合动力系统、车辆动力学系统和分布式控制系统分别展开分析研究工作，建立其“机-电-信息”多域耦合的一体化模型，揭示复杂机电系统各部件之间的相互作用机理。针对大功率用电设备和复杂越野路面这两方面的特殊工况需求，基于过驱动系统的控制分配理论和多目标优化等方法，设计整车协同控制策略，对混合动力系统和车辆动力学系统进行综合协调控制，以实现整车性能的最优化。本基金项目的研究不仅是复杂机电系统建模与控制科学领域的一次具体实践，还将对我国电气化多轴越野车辆的研发产生巨大的推动作用。

本项目以军用车辆和特种车辆的电驱动和电气化发展趋势为背景，围绕装备轮毂电机的串并联混合动力多轴车辆，开展了一体化建模和协同控制研究工作，并搭建了半实物仿真验证平台，对建模和控制效果进行了验证。本项目所针对的车辆在动力性能、燃油经济性、越野机动性、操纵性、爬坡性能等方面都有着巨大的性能提升潜力，但也面临着新的建模与控制问题。混合动力系统和车辆动力学系统通过轮毂电机紧密地耦合在一起，轮毂电机既是动力系统的重要部件，也是车辆运动控制的关键要素。项目对其混合动力系统、车辆动力学系统、分布式控制系统开展了分析研究，建立了包含上述三个系统的“机-电-信息”多域耦合一体化模型，并开发了用于电驱动特种车辆的驾驶员在环半实物仿真平台。车辆的能量管理和动力学控制也需要进行协同设计，以充分利用动力系统中各部件的性能优势。本项目基于整车的分布式控制系统架构，设计了分层的协同控制算法，通过将混合整数规划问题转化为分步的二次规划问题，实现了对发动机转矩、发电机转矩、变速箱档位、轮毂电机转矩的实时优化管理及合理分配，能够在控制车辆运动的同时管理复杂的串并联混合动力系统。为了验证模型和算法的有效性，项目开发了基于32位单片机的整车控制器，并联合半实物仿真平台进行了算法验证。数据结果表明，所设计的控制算法能够胜任复杂的混合动力系统和车辆动力学系统的协同控制任务，项目所取得的成果为我国未来电驱动和电气化越野机动平台的研发工作提供了相关的理论基础和设计手段，具有广泛的应用前景。