CN106080605A - 一种基于前驱轮毂电机的车轮转矩分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于前驱轮毂电机的车轮转矩分配方法，通过测量方向盘的转角计算出前面两个车轮的转速差，从而算出前面两个车轮的转矩，进而控制轮毂电机输出相应的转矩。本发明的有益效果：能够合理的分配车轮转矩、减少轮胎磨损及能量损耗。

Description

一种基于前驱轮毂电机的车轮转矩分配方法

技术领域

本发明涉及车辆控制技术领域，具体来说，涉及一种基于前驱轮毂电机的车轮转矩分配方法。

背景技术

随着电动汽车行业的不断发展，我们对于整车性能的要求也越来越高，只依靠传统的电机和变速箱的动力总成的整车***已经难以满足我们日益增长的需求。轮毂电机技术近几年来也得到了迅速的发展，技术已经越来越成熟，应用也越来越广泛，逐渐追赶上了其他电机的脚步。

轮毂电机结构简单，使用方便，由于其直接安装到轮胎的轮毂之中，占用的空间非常小，而且质量很轻，对原有的整车***不需要做太多的修改即可替换为轮毂电机***，实用性强。轮毂电机将电机和电机控制器集成在了一起，两个电机一起为整车提供动力，足够满足正常的使用需求，另外减轻了整车质量，降低了整车能耗。

但是目前前驱轮毂电机的控制方法还不够完善，大部分厂家的做法都是直接为两个电机分配相同的扭矩，控制简单方便。但是这种控制方法会对轮胎造成非常大的损害，长期使用会严重造成轮胎磨损，减少轮胎的摩擦阻力，整车和人身安全存在非常大的安全隐患。另外为两个电机分配了相同的扭矩，导致一部分扭矩直接打滑发热损失掉了，损耗了许多电量，减少了整车的续驶里程，降低了经济性。

专利申请号为201510090540.8的专利申请公开了一种瞬时能耗最小的车轮转矩分配方法，，包括以下步骤：步骤一、通过传感器测量得到汽车的行驶速度、转向盘转角以及横摆角速度；步骤二、计算出左右两侧驱动轮之间的差动转矩；步骤三、在当前需求驱动转矩、行驶速度、差动转矩工况下，计算整车瞬时总电耗，求得当整车瞬时总电耗最小时左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的转矩，并将该转矩分配给相应的车轮。上述专利申请虽能使汽车消耗的功率最小，达到最佳的节能效果，但不能解决汽车形式过程中特别是转弯过程中如何减少轮胎磨损和保持车辆稳定性的问题。

根据上述问题，现在亟需一种基于前驱轮毂电机的能够合理分配转矩、减少轮胎磨损及能量损耗、具有高安全性、稳定性的的车轮转矩的分配方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于前驱轮毂电机的车轮转矩分配方法，能够合理的分配车轮转矩、减少轮胎磨损及能量损耗。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于前驱轮毂电机的车轮转矩分配方法，包括以下步骤：

步骤一、通过传感器测量得到方向盘转角θ_f；

步骤二、使用如下公式，分别计算出左右两侧驱动轮的转角

$\left\{\begin{array}{c}{b}_v\cot \left({\mathrm{\θ}}_f\right)-b_v\cot \left({\mathrm{\θ}}_{wfr}\right)=\frac{L}{2}\\ b_v\cot \left({\mathrm{\θ}}_{wfl}\right)-b_v\cot \left({\mathrm{\θ}}_f\right)=\frac{L}{2}\end{array}\right.$

上述公式变换得到：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{wfr}=\arctan \[\frac{b_r{\mathrm{tan\θ}}_f}{b_r-\frac{L}{2}{\mathrm{tan\θ}}_f}\]\\ {\mathrm{\θ}}_{wfr}=\arctan \[\frac{b_r{\mathrm{tan\θ}}_f}{b_r+\frac{L}{2}{\mathrm{tan\θ}}_f}\]\end{array}\right.$

其中，θ_wfr为右前驱动轮的转角，θ_wfl为左前驱动轮的转角，L为前轮轮间距，b_r为后车轮到车的中轴之间的距离，θ_f为整车的转向角度；

步骤三、将下面公式

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{fl}}{{\mathrm{\ω}}_{fr}}=\frac{R_{fl}}{R_{fr}}=\frac{\frac{b_r}{{\mathrm{sin\θ}}_{wfl}}-e}{\frac{b_r}{{\mathrm{sin\θ}}_{wfr}}+e}$

带入到公式

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{wfr}=\arctan \[\frac{b_r{\mathrm{tan\θ}}_f}{b_r-\frac{L}{2}{\mathrm{tan\θ}}_f}\]\\ {\mathrm{\θ}}_{wfr}=\arctan \[\frac{b_r{\mathrm{tan\θ}}_f}{b_r+\frac{L}{2}{\mathrm{tan\θ}}_f}\]\end{array}\right.$

变换得到

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{fl}}{{\mathrm{\ω}}_{fr}}==\frac{{\mathrm{cot\θ}}_f(b_v-\frac{1}{2}{\mathrm{Ltan\θ}}_f)\sqrt{\frac{b_v^2{\tan }^2\left({\mathrm{\θ}}_f\right)}{{(b_v-\frac{1}{2}L\tan ({\mathrm{\θ}}_f\left)\right)}^2}+1}-e}{\frac{1}{2}\sqrt{\frac{4b_v^2{\tan }^2\left({\mathrm{\θ}}_f\right)}{{(2b_v+L\tan ({\mathrm{\θ}}_f\left)\right)}^2}+1}\left(2h_v\cot \right({\mathrm{\θ}}_f)+L)+e}$

其中，ω_fl为左前轮角速度，ω_fr为右前轮角速度，R_fl为左前轮到转向中心的距离，R_fr为右前轮到转向中心的距离，e为轮胎到前轴转向节处的距离，b_v为前后轮之间轮间距；

步骤四、利用如下公式计算左前轮和右前轮的转速差

Δn＝(ω_fl-ω_fr)_r

其中，Δn为转速差，r为车轮半径；

步骤五、通过下面的公式计算出左前轮和右前轮的转矩

T＝Jω′r＝Jn′2π/60

Δn＝n′Δt

Δt＝Δt1+Δt2

其中，T为车轮转矩，J为转动惯量，Δt1为轮毂电机对转矩响应的时间，Δt2为整车控制***计算相应的时间，n′为车轮转速，ω′为车轮角速度；

步骤六、整车控制***根据上述计算出的左前轮和右前轮的转矩通过建立转速差与转矩差的表格并使用PID模型控制轮毂电机输出相应的扭矩。

进一步的，根据轮毂电机在车辆不同车速下所能提供的最大转矩建立起车辆油门开度与车轮转矩分配的关系表，当油门开度为100％时车辆会请求当前速度下轮毂电机所能输出转矩的最大值，当油门开度小于设定的临界值时车辆请求的转矩为0。

进一步的，在车辆起步时限定轮毂电机能够输出的最大转矩和转矩变化速率。

进一步的，将车辆设定为两种工作模式，分别为经济模式和动力模式，经济模式会限制轮毂电机能够输出的最大转矩和功率，减少车辆正常行驶时的加速电流，动力模式不对轮毂电机的转矩与功率进行限制，能够输出转矩的最大值。

进一步的，将车辆工作状态设定为经济模式的方法为根据电机的效率Map曲线以及当前的车速、转矩，换算出各个挡位对应的转速和转矩，查找工作点附近电机效率较高的区域，并且使换挡前后电机一直能够工作在效率较高的区域。

进一步的，使用二分法查找工作点附近电机效率较高的区域。

进一步的，通过传感器测出前面两个轮胎的转速差，并与根据方向盘转角计算出的前面两个轮胎的转速差进行比较，如果测出的转速差与计算出的转速差不一致，则会根据计算值和当前的检测值控制轮毂电机输出相应的扭矩，使两个轮胎的转速差在设定的时间内达到计算值。

进一步的，计算出的转速差和当前测出的转速差的差距越大，轮毂电机输出的扭矩差就越大。

本发明的有益效果：应用本发明的新能源汽车，能够通过两个前置的轮毂电机为整车提供动力，根据不同的行驶状况，合理的分配两个轮毂电机的转矩，控制轮毂电机不会出现打滑的情况，转弯时也能根据不同的转弯角度及速度输出不同的转矩，减少轮胎的磨损以及电机的能量损耗，不但极大的提高电机及轮胎的使用寿命，而且提高了整车的安全性能，减少了能量损耗，另外根据不同的路况、驾驶员意图，控制电机输出不同的转矩，提高了舒适性，也提高了动力性和经济性。

附图说明

图1是根据本发明实例所述的利用方向盘转角计算车轮转速的模型图一；

图2是根据本发明实例所述的利用方向盘转角计算车轮转速的模型图二；

图3是根据本发明实施例所述的轮毂电机的工作效率与车轮转矩的关系曲线图；

图4是根据本发明实施例所述的轮毂电机的工作效率与车轮速度关系曲线图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，根据本发明的实施例所述的一种基于前驱轮毂电机的车轮转矩分配方法，包括以下步骤：

步骤一、通过传感器测量得到方向盘转角θ_f；

步骤二、使用如下公式，分别计算出左右两侧驱动轮的转角

$\left\{\begin{array}{c}{b}_v\cot \left({\mathrm{\θ}}_f\right)-b_v\cot \left({\mathrm{\θ}}_{wfr}\right)=\frac{L}{2}\\ b_v\cot \left({\mathrm{\θ}}_{wfl}\right)-b_v\cot \left({\mathrm{\θ}}_f\right)=\frac{L}{2}\end{array}\right.$

上述公式变换得到：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{wfr}=\arctan \[\frac{b_r{\mathrm{tan\θ}}_f}{b_r-\frac{L}{2}{\mathrm{tan\θ}}_f}\]\\ {\mathrm{\θ}}_{wfr}=\arctan \[\frac{b_r{\mathrm{tan\θ}}_f}{b_r+\frac{L}{2}{\mathrm{tan\θ}}_f}\]\end{array}\right.$

其中，θ_wfr为右前驱动轮的转角，θ_wfl为左前驱动轮的转角，L为前轮轮间距，b_r为后车轮到车的中轴之间的距离，θ_f为整车的转向角度；

步骤三、将下面公式

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{fl}}{{\mathrm{\ω}}_{fr}}=\frac{R_{fl}}{R_{fr}}=\frac{\frac{b_r}{{\mathrm{sin\θ}}_{wfl}}-e}{\frac{b_r}{{\mathrm{sin\θ}}_{wfr}}+e}$

带入到公式

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{wfr}=\arctan \[\frac{b_r{\mathrm{tan\θ}}_f}{b_r-\frac{L}{2}{\mathrm{tan\θ}}_f}\]\\ {\mathrm{\θ}}_{wfr}=\arctan \[\frac{b_r{\mathrm{tan\θ}}_f}{b_r+\frac{L}{2}{\mathrm{tan\θ}}_f}\]\end{array}\right.$

变换得到

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{fl}}{{\mathrm{\ω}}_{fr}}==\frac{{\mathrm{cot\θ}}_f(b_v-\frac{1}{2}{\mathrm{Ltan\θ}}_f)\sqrt{\frac{b_v^2{\tan }^2\left({\mathrm{\θ}}_f\right)}{{(b_v-\frac{1}{2}L\tan ({\mathrm{\θ}}_f\left)\right)}^2}+1}-e}{\frac{1}{2}\sqrt{\frac{4b_v^2{\tan }^2\left({\mathrm{\θ}}_f\right)}{{(2b_v+L\tan ({\mathrm{\θ}}_f\left)\right)}^2}+1}\left(2h_v\cot \right({\mathrm{\θ}}_f)+L)+e}$

其中，ω_fl为左前轮角速度，ω_fr为右前轮角速度，R_fl为左前轮到转向中心的距离，R_fr为右前轮到转向中心的距离，e为轮胎到前轴转向节处的距离，b_v为前后轮之间轮间距；

步骤四、利用如下公式计算左前轮和右前轮的转速差

Δn＝(ω_fl-ω_fr)_r

其中，Δn为转速差，r为车轮半径；

步骤五、通过下面的公式计算出左前轮和右前轮的转矩

T＝Jω′r＝Jn′2π/60

Δn＝n′Δt

Δt＝Δt1+Δt2

其中，T为车轮转矩，J为转动惯量，Δt1为轮毂电机对转矩响应的时间，Δt2为整车控制***计算相应的时间，n′为车轮转速，ω′为车轮角速度；

所以当整车控制器发出命令到电机控制器响应，转速改变了Δtn′(i-1)，需要改变的转速差为Δn-Δtn′(i-1)，根据公式以及响应的时间，能够计算出转速的加速度，并且由此计算出输出的转矩，并且根据当前的转矩对比，从而控制轮毂电机输出不同的扭矩，使轮速能够快速满足转速差。

为了安全性考虑，我们会限制电机输出的最大输出转矩，根据转动惯量等计算出不同转速差所需要分配的扭矩，并且根据实际调试的情况，比如实际转向时转速响应的时间，来适当调整分配的扭矩。

步骤六、整车控制***根据上述计算出的左前轮和右前轮的转矩通过建立转速差与转矩差的表格并使用PID模型控制轮毂电机输出相应的扭矩。

在一个具体的实施例中，通过表格使用PID模型对转矩进行控制

Y(s)＝(Kp+Ki/s)X(s)

进行离散化处理得到

Y(k)＝Kp(X(k)-X(k-1))+Ki*X(k)+Y(k-1)

这里的输入变量为转速差，而输出为转矩差，具体的参数Ki、Kp由表格确定

n	-200	-100	-50	-10	0	10	50	100	200
										Kp	500	300	100	50	0	-50	-100	-300	-500
n	-200	-100	-50	-10	0	10	50	100	200
										Ki	20	15	10	5	0	5	10	15	20

由方向盘转角传感器计算出左右轮的摆角，然后根据转弯半径和车速计算出左右轮的转速差。保持外轮或者内轮分配的转矩不变，然后根据转速差为另外一个轮胎分配转矩，减少轮胎的磨损与滑移，增加驾驶的稳定性与舒适性，避免转弯时方向盘被拖动的问题。另外以一个轮胎作为基准减少另外一个轮胎的一个转矩分配，能够降低能耗，既延长了轮胎的寿命，又提高了整车的续驶里程。

在上述实施例中，根据轮毂电机在车辆不同车速下所能提供的最大转矩建立起车辆油门开度与车轮转矩分配的关系表，当油门开度为100％时车辆会请求当前速度下轮毂电机所能输出转矩的最大值，当油门开度小于设定的临界值时车辆请求的转矩为0。由油门开度可以判断出驾驶员的行为，比如是否需要急加速，然后使用不同的转矩上升速度，从而得到不同的加速度。另外，由于轮毂电机本身的特性，不能在起步时给轮毂电机太大的转矩，转矩也不能变化太快，因此，在车辆起步时限定轮毂电机能够输出的最大转矩和转矩变化速率。

在一个具体的实施例中，根据油门开度为轮毂电机分配扭矩是通过表格进行标定，如下表分别设定不同车速和油门开度下的电机扭矩，以及电机扭矩增加的斜率。

输出扭矩(车速\油门开度)	10	20	30	40	…
						0	150	250	300	350
10	150	250	300	350
						20	150	250	300	350
30	110	210	270	300
						40	90	180	230	280
...
						扭矩斜率(车速\油门开度)	10	20	30	40	…
0	20	20	30	40
						10	20	20	30	40
20	20	20	30	40
						30	20	20	28	40
40	15	15	25	35
						...

在上述实施例中，将车辆设定为两种工作模式，分别为经济模式和动力模式，经济模式会限制轮毂电机能够输出的最大转矩和功率，减少车辆正常行驶时的加速电流，使车辆的转矩和转速尽量保持在高效区间内，从而达到节能的目的。动力模式不对轮毂电机的转矩与功率进行限制，能够输出转矩的最大值，达到更好的加速性能，并且会根据驾驶员的行为对转矩的增加进行调整。

如图3-4所示，在上述实施例中根据电机的效率Map曲线以及当前的车速、转矩，换算出各个挡位对应的转速和转矩，查找工作点附近电机效率较高的区域，并且使换挡前后电机一直能够工作在效率较高的区域查找效率的边界可以使用二分法，先确定一个模糊的边界，然后再根据表格对转速进行修正。

在上述实施例中，转速差越大所分配的转矩差也就越大，从而使前面两个轮胎的转速差能够尽快的达到设定值，不同车速下所给的转矩差也不同。为了考虑安全性，车速越高，两个轮胎的转矩差也就越小，避免车速过高时过转向导致的安全问题，具体数值先通过近似公式计算然后在实际进行整车标定得到。

在上述实施例中，通过电机或者传感器测出轮胎的转速，并且根据方向盘转角计算出前面两个轮胎转向时的转速，通过判断两个轮胎的转速差来判断是否需要对电机进行差速。如果一个轮胎悬空，那么空转状态下很快就会加速到非常快的速度，一旦着地，两个轮胎转速过快就会导致偏移打滑甚至翻车。当整车控制器检测到轮速差超出计算值时会减少一个轮胎的转矩，并且轮胎的加速度越大，所给的转矩差也就越大，从而在空转或打滑的情况下将两个车轮的轮速控制在一定范围之内。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，能够合理的分配车轮转矩、减少轮胎磨损及能量损耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于前驱轮毂电机的车轮转矩分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过传感器测量得到方向盘转角θ_f；

步骤二、使用如下公式，分别计算出左右两侧驱动轮的转角

$\left\{\begin{array}{c}{b}_v\cot \left({\mathrm{\θ}}_f\right)-b_v\cot \left({\mathrm{\θ}}_{wfr}\right)=\frac{L}{2}\\ b_v\cot \left({\mathrm{\θ}}_{wrt}\right)-b_v\cot \left({\mathrm{\θ}}_f\right)=\frac{L}{2}\end{array}\right.$

上述公式变换得到：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{wfl}=\arctan \[\frac{b_r{\mathrm{tan\θ}}_f}{b_r-\frac{L}{2}{\mathrm{tan\θ}}_f}\]\\ {\mathrm{\θ}}_{wfr}=\arctan \[\frac{b_r{\mathrm{tan\θ}}_f}{b_r+\frac{L}{2}{\mathrm{tan\θ}}_f}\]\end{array}\right.$

其中，θ_wfr为右前驱动轮的转角，θ_wfl为左前驱动轮的转角，L为前轮轮间距，b_r为后车轮到车的中轴之间的距离，θ_f为整车的转向角度；

步骤三、将下面公式

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{fl}}{{\mathrm{\ω}}_{fr}}=\frac{R_{fl}}{R_{fr}}=\frac{\frac{b_r}{{\mathrm{sin\θ}}_{wfl}}-e}{\frac{b_r}{{\mathrm{sin\θ}}_{wfr}}+e}$

带入到公式

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{wfl}=\arctan \[\frac{b_r{\mathrm{tan\θ}}_f}{b_r-\frac{L}{2}{\mathrm{tan\θ}}_f}\]\\ {\mathrm{\θ}}_{wfr}=\arctan \[\frac{b_r{\mathrm{tan\θ}}_f}{b_r+\frac{L}{2}{\mathrm{tan\θ}}_f}\]\end{array}\right.$

变换得到

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{fl}}{{\mathrm{\ω}}_{fr}}==\frac{{\mathrm{cot\θ}}_f(b_v-\frac{1}{2}L{\mathrm{tan\θ}}_f)\sqrt{\frac{b_v^2{\tan }^2\left({\mathrm{\θ}}_f\right)}{{(b_v-\frac{1}{2}L\tan ({\mathrm{\θ}}_f\left)\right)}^2}+1}-e}{\frac{1}{2}\sqrt{\frac{4b_v^2{\tan }^2\left({\mathrm{\θ}}_f\right)}{{(2b_v+L\tan ({\mathrm{\θ}}_f\left)\right)}^2}+1}\left(2b_v\cot \right({\mathrm{\θ}}_f)+L)+e}$

其中，ω_fl为左前轮角速度，ω_fr为右前轮角速度，R_fl为左前轮到转向中心的距离，R_fr为右前轮到转向中心的距离，e为轮胎到前轴转向节处的距离，b_v为前后轮之间轮间距；

步骤四、利用如下公式计算左前轮和右前轮的转速差

Δn＝(ω_fl-ω_fr)r

其中，Δn为转速差，r为车轮半径；

步骤五、通过下面的公式计算出左前轮和右前轮的转矩

T＝Jω′r＝Jn′2π/60

Δn＝n′Δt

Δt＝Δt1+Δt2

其中，T为车轮转矩，J为转动惯量，Δt1为轮毂电机对转矩响应的时间，Δt2为整车控制***计算相应的时间，n′为车轮转速，ω′为车轮角速度；

步骤六、整车控制***根据上述计算出的左前轮和右前轮的转矩通过建立转速差与转矩差的表格并使用PID模型控制轮毂电机输出相应的扭矩。

2.根据权利要求1所述的基于前驱轮毂电机的车轮转矩分配方法，其特征在于，根据轮毂电机在车辆不同车速下所能提供的最大转矩建立起车辆油门开度与车轮转矩分配的关系表，当油门开度为100％时车辆会请求当前速度下轮毂电机所能输出转矩的最大值，当油门开度小于设定的临界值时车辆请求的转矩为0。

3.根据权利要求2所述的基于前驱轮毂电机的车轮转矩分配方法，其特征在于，在车辆起步时限定轮毂电机能够输出的最大转矩和转矩变化速率。

4.根据权利要求1所述的基于前驱轮毂电机的车轮转矩分配方法，其特征在于，将车辆设定为两种工作模式，分别为经济模式和动力模式，经济模式会限制轮毂电机能够输出的最大转矩和功率，减少车辆正常行驶时的加速电流，动力模式不对轮毂电机的转矩与功率进行限制，能够输出转矩的最大值。

5.根据权利要求4所述的基于前驱轮毂电机的车轮转矩分配方法，其特征在于，将车辆工作状态设定为经济模式的方法为根据电机的效率Map曲线以及当前的车速、转矩，换算出各个挡位对应的转速和转矩，查找工作点附近电机效率较高的区域，并且使换挡前后电机一直能够工作在效率较高的区域。

6.根据权利要求5所述的基于前驱轮毂电机的车轮转矩分配方法，其特征在于，使用二分法查找工作点附近电机效率较高的区域。

7.根据权利要求1所述的基于前驱轮毂电机的车轮转速分配方法，其特征在于，通过传感器测出前面两个轮胎的转速差，并与根据方向盘转角计算出的前面两个轮胎的转速差进行比较，如果测出的转速差与计算出的转速差不一致，则会根据计算值和当前的检测值控制轮毂电机输出相应的扭矩，使两个轮胎的转速差在设定的时间内达到计算值。

8.根据权利要求7所述的基于前驱轮毂电机的车轮转矩分配方法，其特征在于，计算出的转速差和当前测出的转速差的差距越大，轮毂电机输出的扭矩差就越大。