过驱动电动汽车底盘执行器失效行为分析及容错控制

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电动车辆底盘和传动系统的电气化主要目的是提高交通安全,减小全球排放,保护环境安全。在汽车上的电气化提高了安全性、操控性和舒适性。然而这一趋势导致车辆中增加了更多的元件,如额外的传感器、执行器和软件设施。车辆零部件和子系统的复杂性越来越高,导致部件或子系统故障影响车辆动力学性能的概率越来越高。机械、电气、电子或软件故障可以单独或相互影响而导致这些故障,从而导致严重的交通事故。当车辆正常行驶时,若底盘子系统执行器发生单一或组合失效,车辆的动力学响应会非常剧烈,导致稳定性和安全性的损失,甚至产生人员伤亡。传统的燃油车辆无法保证执行器失效后的安全性,而过驱动线控电动汽车通过将驱动/制动力矩合理分配到各健康子系统,可以维持车辆的稳定行驶。因此有必要分析各个故障对车辆动态特性的影响,以及车辆故障容错控制策略。本文针对过驱动线控电动汽车,主要包括以下研究工作:(1)过驱动电动汽车整车模型的建立。对Car Sim中自带的传统内燃机车辆模型进行改造,通过与Simulink的联合仿真,完成了对过驱动电动车整车模型的搭建。并通过对标选型,搭建了所采用轮毂电机的效率模型,为后续车辆底盘执行器失效动力学行为分析及底盘动力学容错控制的研究发展奠定基础。(2)过驱动电动汽车故障组分类排序系统的建立。针对车辆底盘执行器制动子系统失效,完成了故障建模及后续的失效行为分析,在特定工况下模拟各个故障组,并分析车辆在各种故障条件下的动态特性。通过与无故障模式下的性能参数标称值进行对比,基于车辆的纵向、侧向、横摆三因素统一分析,建立失效严重性等级系统并排序。(3)四轮独立驱动电动汽车底盘制动子系统可靠度分析。将电机考虑为一个整体,考虑整体失效,基于Markov链模型,建立了针对过驱动电动汽车底盘执行器故障状态的转移概率图,并通过求解得出了一定工作时间后底盘制动子系统的可靠性,并通过系统的可靠性对比,验证对于研究对象类的典型冗余系统,添加容错控制策略的必要性。(4)典型失效模式下电动汽车名义损失域与有效补偿域的定义。针对过驱动电动汽车系统所包含的冗余特性,选取合适的动力学参数作为主特征参量及因变量,进行名义损失域的分析;并通过分析轮胎的受力特点,利用轮胎纵横向力耦合关系,采用数学方法对该类汽车动力学问题进行求解,对健康子系统横摆力矩补偿域进行合理估计;对重叠域曲面进行解析映射为平面上的有效补偿域以用于后续容错控制策略的研究。(5)基于多目标优化分配及容错的控制策略。基于滑模变结构控制及改进后的两步优化方法搭建分层控制结构,实现车辆的多目标优化分配并保证控制策略切换时系统平稳过度。通过仿真实验验证了所提出的多目标优化控制分配策略在常规稳定行驶工况下减少驱动系统的能量消耗及在极限工况或执行器失效工况下维持车辆稳定行驶的能力。
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