[發明專利]一種前后獨立驅動四驅電動汽車的轉矩分配及驅動防滑協調控制方法

有效

• 申請號: 202011338536.6
• 申請日: 2020-11-25
• 公開（公告）號: CN112356685B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 郭聰;傅春耘;楊忠;胡明輝;翟鈞;曹開斌;喬帥鵬;潘宏偉;金國慶;杜長虹
• 申請（專利權）人: 重慶大學;重慶長安汽車股份有限公司
• 主分類號: B60L15/20
• 分類號: B60L15/20;B60L15/32
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

1.一種前后獨立驅動四驅電動汽車的轉矩分配及驅動防滑協調控制方法，其特征在于，該方法具體包括以下步驟：

S1：搭建整車動力學及各部件模型，包括車輛動力學模型、駕駛員模型、電機模型和電池模型；

構建車輛動力學模型：根據車輛動力學原理，構建整車驅動-行駛平衡方程：

式中：T_req表示前后電機所發出的總驅動轉矩，單位為Nm；i₀表示主減速比；η_t表示系統的傳動效率；r為車輪半徑，單位為m；M表示整車整備質量，單位為kg；g為重力加速度；f表示滾動阻力系數；ρ表示空氣密度，單位為kg/m³；C_d表示空氣阻力系數；A表示迎風面積，單位為m²，v表示車輛質心速度，單位為m/s，δ表示旋轉質量轉換系數；α表示坡度角，單位為°；

由牛頓運動定律和剛體轉動微分方程，得出汽車動力學方程：

式中：F_x表示地面對車輛的總驅動力，單位為N；J表示車輪轉動慣量，單位為kg/m²；ω_i表示車輪i的角速度，單位為rad/s，其中i∈{L1,L2,R1,R2}，L1、L2、R1、R2分別表示汽車左前輪、左后輪、右前輪、右后輪；T_i表示車輪i的驅動力矩，單位為Nm；F_xi表示車輪i的縱向驅動力，單位為N；

構建駕駛員模型：采用PID控制來模擬駕駛員操作，以目標車速和實際車速作為控制輸入，踏板開度作為輸出信號；PID控制算式為：

其中，

e_v＝v_ref-v (5)

e_out＝y_sat-y (6)

式中：K_p為比例系數，K_i為積分系數，K_d為微分系數，K_aw為抗飽和系數，v_ref為目標車速；y表示踏板開度，踏板開度為正時表示加速，踏板開度為負時表示減速，y_sat為輸出y的限制邊界；

由于車輛總需求轉矩與踏板開度成正相關，則定義踏板開度與總需求轉矩的變化關系如下：

T_req＝y·T_max(n_m)＝y·[T_{max_mf}(n_m)+T_{max_mr}(n_m)] (8)

式中：T_max(n_m)表示轉速為n_m時前后電機所能提供的最大轉矩之和，單位為Nm；T_{max_mf}(n_m)表示轉速為n_m時前電機所能發出的最大轉矩，單位為Nm；T_{max_mr}(n_m)表示轉速為n_m時后電機能發出的最大轉矩，單位為Nm；

構建電機模型：考慮到電機響應具有一定延遲，采用慣性環節表示電機響應特性：

式中：T_m表示電機輸出轉矩，單位為Nm；T_cmd表示電機的目標轉矩，單位為Nm；T_c為時間常數；s為復變量；

電機、減速器、車輪之間通過齒輪嚙合傳遞動力，則對于單個電機而言，其轉速、轉矩和功率的轉換關系為：

式中：n_m為電機轉速，單位為rpm；P_{m_out}為電機輸出功率，單位為W；P_{m_in}為電機輸入功率，單位為W；η_m(T_m,n_m)為電機在相應轉矩和轉速下的工作效率；

構建電池模型：假設：

(1)內阻恒定；

(2)電池組的電動勢恒定；

(3)電池組環境溫度穩定；

(4)電池組充放電效率為1；

電池組功率為：

P_b＝P_{m_in}＝EI-I²R₀ (13)

式中：P_b表示電池組的充放電功率，單位為W；E表示電池組的電動勢，單位為V；I為充放電電流，單位為A；R₀表示等效內阻，單位為Ω；

對式(13)求解，得出充放電電流為：

電池組荷電狀態為：

式中：SOC_initial為電池組初始電荷狀態；SOC(t)為時間t時的電荷狀態；C_b為電池組額定容量，單位為Ah；

S2：構建基于經濟性的轉矩分配控制策略，具體包括：前后電機的輸出轉矩之和應滿足駕駛員需求，則總需求轉矩為：

T_req＝T_mf+T_mr (16)

式中：T_mf為前電機轉矩，單位為Nm；T_mr為后電機轉矩，單位為Nm；

前后電機轉矩分別表示為：

T_mf＝k·T_req (17)

T_mr＝(1-k)·T_req (18)

式中：k為前電機轉矩占總需求轉矩的比例；

構造電機驅動條件下的成本函數J為：

式中：n_mf、n_mr分別為前后電機轉速，單位為rpm；

因電機轉速應小于等于其峰值轉速，且轉矩應不超過各自的峰值轉矩，則提出以下約束：

首先分別離線求解出全工況下滿足經濟性最優的轉矩分配比，然后以表格的形式儲存，每次控制器工作時直接查表取值；當J取得最小值時，最佳轉矩分配結果表示為：

T_{mf_opt}＝k_opt·T_req (21)

T_{mr_opt}＝(1-k_opt)·T_req (22)

式中：T_{mf_opt}為前電機經濟性最優轉矩，單位Nm；T_{mr_opt}為后電機經濟性最優轉矩，單位Nm；k_opt為最優轉矩分配比；

S3：構建驅動防滑控制策略，具體包括：車輛在行駛過程中，車輪滑移率λ為：

式中：ω為車輪的角速度，單位為rad/s；

實際滑移率與最佳滑移率的誤差e表示為：

e＝λ-λ₀ (24)

式中：λ₀為最佳滑移率；

介于滑模控制的抗干擾特性，采用滑模控制方法來處理車輪的滑移問題；對切換函數m進行如下定義：

m＝e+c∫edt (25)

式中：c為常數；

采用趨近律如下：

式中：ε為控制增益；

將(25)式代入(26)式得：

由公式(2)、(3)、(27)得：

引入穩定性條件對m不同取值情況分別進行討論：

當m為正值時：

當m為負值時：

式中，β為常數，且β0；

采用飽和函數代替符號函數，飽和函數表達式如下：

式中：為邊界層厚度；

此時控制輸入表示為：

由于車輛的前后電機分別獨立進行控制，則前后電機的輸出轉矩表示為：

式中：T_{mf_safe}、T_{mr_safe}分別為適應路面條件的前后電機轉矩，單位為Nm；λ_f、λ_r分別為前后輪實際滑移率；ω_f、ω_r分別為前后輪角速度，單位為rad/s；c_f、c_r是常數；λ_f0、λ_r0分別為前后輪的最佳滑移率；ε_f、ε_r為前后輪的控制增益，m_f、m_r分別為前后輪滑移率所對應的切換函數；

S4：構建轉矩分配及驅動防滑協調控制策略，具體包括：在車輛行駛時，基于經濟性的轉矩分配控制器和驅動防滑控制器會同時工作，分別得到汽車基于經濟性和安全性行駛所需要的前后電機轉矩，然后通過協調控制策略決策出前后軸的最佳驅動轉矩；在控制器中定義全局變量Mode，有Mode＝1,2,3,4；由于前后電機分別獨立控制，所以控制系統中存在兩個全局變量Mode_f、Mode_r，且它們的取值不一定相同；

對變量Mode取值的含義：

(1)Mode＝1，該模式下，以整車經濟性最優為首要目標，電機的輸出轉矩為：

T_m∈{T_{mf_opt},T_{mr_opt}} (38)

(2)Mode＝2，該模式下，電機轉矩受到控制，使車輪實際滑移率趨近于最佳滑移率，電機的輸出轉矩為：

T_m∈{T_{mf_safe},T_{mr_safe}} (39)

(3)Mode＝3，若前后電機的經濟性最優轉矩差異較大或為單電機驅動，且前后輪均處于低附著系數的路面時，對驅動轉矩較小的軸實施補償策略，提高整車的動力性，此時電機輸出轉矩為：

T_m∈{T_{mf_opt}+ΔT,T_{mf_opt}+ΔT} (40)

式中，ΔT為補償轉矩，單位為Nm；

(4)Mode＝4，該模式下，整車動力性為第一優先級，當前后輪處于對接路面時，為滿足駕駛員需求，使處在良好路面的軸來彌補驅動轉矩的不足，以保障整車的動力性不受影響；電機的輸出轉矩為：

T_m∈{T_req-T_{mr_safe},T_req-T_{mf_safe}} (42)。