[01133173]分布式驱动电动汽车电动轮-悬架系统高频振动特性研究

快速增长的汽车保有量导致能源紧缺、环境污染与交通安全的三大严重问题,发展电动汽车是改善上述问题的有效途径,而分布式驱动电动汽车则是电动汽车技术领域的重要发展方向。分布式驱动电动汽车的主要结构特征是将驱动电机分别直接安装在各驱动轮内或驱动轮附近,与传统汽车和集中式驱动电动汽车相比,具有以下优势：①具有突出的结构优势。驱动电机直接装在车轮内或附近,直接驱动汽车,驱动传动链短、结构紧凑,为汽车结构的变革营造了极大的空间。②具有显著的安全性能控制优势。分布式的驱动电机既是汽车的信息单元（提供转速、转矩信息）,又是快速反应的控制执行单元（实现驱动力和制动力的快速调节）,可根据汽车行驶条件需要,灵活实现单个车轮的驱动力和制动力的要求,达到各种车速下的可靠的操纵稳定性和制动安全性。③具有突出的节能和环保性能。驱动电机直接装在车轮内或附近,将电能转化成汽车的驱动机械能,效率高于80%,而传统汽车将燃油的化学能通过发动机的燃烧做功,传到驱动轮的有效机械能不足20%,所以电动汽车有良好的能源利用效率。因此,分布式驱动电动汽车代表着未来电动汽车发展的重要方向。 本项目针对分布式驱动电动车电动轮-悬架系统在电磁激励下所面临的高频动力学问题进行研究,主要分析了电机转矩波动激励下系统高频阶次振动特性并提出了主动阻尼和自适应卡尔曼滤波的减振策略。研究工作主要分为以下四方面内容：（1）轮毂驱动电机转矩波动规律及影响因素分析,具体包括a)建立了考虑死区和转角误差的电机控制系统建模并揭示了电流谐波特征分析;b)耦合考虑电流谐波和电机非理想结构特征分析了转矩波动规律;c)通过台架试验验证了电流谐波和转矩波动特征;（2）电动轮系统高频建模及动力学特性分析,具体包括a)考虑衬套、悬架和轮胎高频动力学特性建立了电动轮系统纵-扭耦合动力学模型;b)通过关键部件特性试验辨识了模型中主要参数;c) 确定了电动轮系统主要模态特征进而解释了系统高频振动机理;（3）不同工况下电动轮耦合动力学行为及高频振动特性分析,具体包括a) 分析了稳态工况下电动轮系统振动,揭示了转矩波动下纵向振动的阶次特征和高频特性;b) 分析了瞬态工况下电动轮系统振动,揭示了瞬变转矩下车身抖动及簧下质量冲击问题;c) 考虑电动轮系统的机电耦合效应,分析了电磁参数和结构参数对系统振动的耦合影响机理;（4）转矩波动削弱及高频振动抑制的方案设计,具体包括a)设计了自适应卡尔曼滤波降低了转矩波动,从激励源角度降低了高转速下振动;b) 设计状态反馈的主动阻尼控制器,通过抑制共振改善了中低转速下的振动特性。 本项目以新型的轮毂电机驱动构型为研究对象,从电磁激励、高频动力学和主动减振控制等方面透彻地揭示了电动轮系统存在机电耦合动力学问题,并给出了一套行之有效的动力学主动优化方案。项目针对高频机电问题提出了一套完整的分析流程和研究方法,具有理论意义和学术价值;项目给出了分布式驱动电动汽车的关键动力学问题的解决思路,具有实际工程意义。基于本项目的研究方法,课题组已经帮多家企业解决了驱动电机与结构相互作用产生的电磁噪声问题,分析了噪声源特性,明确了传递路径并提出了减振措施,成功的降低了驱动电机的振动,产生了一定的经济效益。但本项目仍然存在许多工作值得进一步深入研究。电动轮作为由轮毂电机、电机控制、制动器、轮胎和悬架等部件所构成的多物理场耦合系统,各部件单独产生的或耦合引起的振动噪声问题是在电动轮设计时所主要需要考虑的问题之一,未来针对电动轮系统声振品质设计原理及方法拟开展以下几个方面的研究工作：（1）起步、低速工况下电动轮系统的抖动机理研究,（2）面向低振动的电动轮系统集成设计方法;（3）面向声品质的电动轮系统优化设计方法。 研究团队在项目四年执行期间（2014 年1 月至2017 年12 月）内,按照项目计划书要求,完成了相应的研究工作并取得了远超预期的成果。在论文发表方面,项目组成员对核心研究内容进行提炼,在国内外核心期刊及国际学术会议发表论文42 篇,其中SCI 刊源发表13 篇（6 篇收录于影响因子为7.829 的一区顶级期刊）,EI 刊源发表26 篇,SCI/EI 刊源录用8 篇（1 篇被影响因子为7.829 的一区顶级期刊录用）,另有多篇相关论文处于审稿阶段,远远超过了计划书中“在国内外核心期刊及国际学术会议及期刊上发表20-30 篇论文,其中EI/SCI 检索10-15 篇”的要求。在专利申请方面,项目组成员对创新成果进行总结,申请发明专利5 项,其中3 项已被授权,2 项处于公开阶段,授权软件著作权5 项。在人才培养方面,依托该项目21 名研究生确定其课题内容,其中博士研究生7 名,3名已毕业;硕士研究生14 名,12 名已毕业,达到计划书中“培养硕士生8 名、博士生4-5 名”的要求。