电动汽车新型多功能一体化主动轮技术及综合控制理论与方法研究

The ride comfort and maneuver stability of electric vehicles are deteriorated due to the increased unsprung mass and specific power configuration introduced by the motorized wheel, to settle this new problem, a novel technology of multifunctional active wheel is proposed. According to its characteristics of multi-disciplinary intersection, multi-objective realization and multi-filed coupling, the performance field response will be analyzed in the multi-objective spatial domain for the design of the active wheel control strategy. The priority of chassis control is shifted to the omni control of unified wheel and suspension in three-dimensional space by means of integrated design of wheel hub motor with active electromagnetic suspension and topological optimization of the actuator spatial layout, of which the final goal is to achieve the functional highly cohesive and systematic low coupling status for electric vehicle with in-wheel motor driving architecture; By effective combination of body motion control and electromagnetic suspension active control, the tire dynamic load and the response of vehicle body displacement and acceleration are going to be suppressed via the deployment of compound control of displacement with acceleration and rigid-flexible coupling unidirectional actuating, where the energy consumption and coordination of active wheels system should also be considered. In light of the above academic and experimental investigation, this project would seek to win important results for the ride comfort and safety research of electric vehicle, which will be great theoretical and technical supports for our country to develop the in-wheel motor electric vehicle with own intellectual property.

针对轮边驱动结构非簧载质量过大、动力形式特殊造成的电动汽车平顺性和操纵稳定性矛盾恶化等新问题，通过采用新型多功能一体化主动轮技术提出有效的改善方法。根据主动轮技术多学科交叉、多目标实现、多场耦合的特点，通过其目标空间域的特性场分析方法，研究适合电动汽车主动轮系统的控制策略；以轮毂电机集成直线电机电磁主动悬架，并通过其执行器空间布置的拓扑优化，将底盘控制重心转向集成车轮、悬架的三维空间全方位立体综合控制，实现轮边驱动结构"高功能内聚、低系统耦合"的特性；通过车身姿态控制和电磁主动悬架控制的有效结合，实现主动悬架位移、加速度的复合控制、刚柔耦合单向作动，降低轮胎动载荷和车身位移、加速度响应，并进一步研究主动轮系统的能量回收及其各功能间的协调工作。通过理论研究和实验验证，力争在电动汽车的舒适性和安全性研究方面取得重要成果，为开发拥有自主知识产权的轮边驱动电动汽车提供理论基础和技术保障。

本项目针对轮边驱动结构非簧载质量过大、动力形式特殊等造成的电动汽车平顺性和操纵稳定性矛盾恶化这一共性关键问题，以改善电动车平顺性和操稳性控制之间的矛盾为出发点，提出了“电动汽车新型多功能一体化主动轮技术及综合控制理论与方法研究”。根据主动轮技术多学科交叉、多目标实现、多场耦合的特点，建立了轮边驱动电动汽车平顺性和操稳性一体化多自由度动力学模型；采用集成轮毂电机和电磁主动悬架的主动轮技术，重点研究了主动轮垂向动力学关键控制系统，通过其执行器空间布置的拓扑优化、目标空间域的特性场分析方法，将底盘控制重心转向集成车轮、悬架的三维空间全方位立体综合控制，研究了以轮毂电机为基础，集成主动悬架、底盘控制等多系统协调工作的新理论与新方法，提出了以改善轮边驱动电动汽车平顺性和操纵稳定性矛盾的有效方法；针对轮边驱动电动汽车安全性、舒适性和节能性之间复杂的耦合关系，提出了基于多目标的电磁悬架工作模式切换及协调控制策略，以及一种基于粒子群优化算法的主动悬架作动器多目标优化设计方法；提出以馈能型电磁悬架为中心，研究了轮毂电机垂向激励对轮边驱动电动汽车动力学性能的影响，分析了电磁主动悬架的馈能规律，采用馈能悬架对轮毂电机的垂向激励进行抑制，并实现车辆舒适性、安全性和节能性的综合控制方法；采用模态分析方法，研究了电机垂向激励对车身振动的影响，以临界侧翻因子，轮胎力和车身振动加速度等作为评价指标，讨论了电机垂向力对车辆稳定性、舒适性和节能性的影响；采用功率流方法分析了馈能型悬架的馈能特性和馈能规律，分析了电磁悬架馈能特性对悬架动力学性能的影响，明确了悬架馈能特性与舒适性和安全性的关系及其评价指标。项目研究成果对于改善轮边驱动结构由于非簧载质量过大造成的电动汽车平顺性和操纵稳定性矛盾恶化问题具有重要的理论价值和工程意义。