CN110422053B - 四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法 - Google Patents

四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110422053B
CN110422053B CN201910680991.5A CN201910680991A CN110422053B CN 110422053 B CN110422053 B CN 110422053B CN 201910680991 A CN201910680991 A CN 201910680991A CN 110422053 B CN110422053 B CN 110422053B
Authority
CN
China
Prior art keywords
vehicle
wheel
tire
torque
virtual
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910680991.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110422053A (zh
Inventor
胡啸
陈虹
王萍
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jilin University
Original Assignee
Jilin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jilin University filed Critical Jilin University
Priority to CN201910680991.5A priority Critical patent/CN110422053B/zh
Publication of CN110422053A publication Critical patent/CN110422053A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110422053B publication Critical patent/CN110422053B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • B60L15/2045—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed for optimising the use of energy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W50/00—Details of control systems for road vehicle drive control not related to the control of a particular sub-unit, e.g. process diagnostic or vehicle driver interfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2220/00—Electrical machine types; Structures or applications thereof
    • B60L2220/40—Electrical machine applications
    • B60L2220/42—Electrical machine applications with use of more than one motor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2220/00—Electrical machine types; Structures or applications thereof
    • B60L2220/40—Electrical machine applications
    • B60L2220/44—Wheel Hub motors, i.e. integrated in the wheel hub
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/10—Vehicle control parameters
    • B60L2240/12—Speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/10—Vehicle control parameters
    • B60L2240/24—Steering angle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/42—Drive Train control parameters related to electric machines
    • B60L2240/423—Torque
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W50/00—Details of control systems for road vehicle drive control not related to the control of a particular sub-unit, e.g. process diagnostic or vehicle driver interfaces
    • B60W2050/0001—Details of the control system
    • B60W2050/0019—Control system elements or transfer functions
    • B60W2050/0028—Mathematical models, e.g. for simulation
    • B60W2050/0031—Mathematical model of the vehicle
    • B60W2050/0034—Multiple-track, 2D vehicle model, e.g. four-wheel model
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W50/00—Details of control systems for road vehicle drive control not related to the control of a particular sub-unit, e.g. process diagnostic or vehicle driver interfaces
    • B60W2050/0001—Details of the control system
    • B60W2050/0019—Control system elements or transfer functions
    • B60W2050/0028—Mathematical models, e.g. for simulation
    • B60W2050/0037—Mathematical models of vehicle sub-units
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

一种四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法，属于控制技术领域。本发明的目的是通过车辆理想状态的合理设计、车辆转矩的优化分配，实现四轮轮毂电机驱动电动汽车的节能，同时保证车辆操纵稳定性的四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法。本发明步骤是：S1建立轮胎纵向滑移模型；S2：基于步骤S1已经建立的车辆模型得到期望的车辆横摆角速度和质心侧偏角；S3：得到使车辆稳定需求的附加横摆力矩；S4：基于模型预测控制理论，引入前轮纵向滑移率和后轮纵向滑移率两个虚拟状态量；S5：将步骤S4得到的车辆虚拟后轮转矩分配至车辆的左后轮和右后轮。本发明所述方法不仅适用于常规工况，也适用于高速、低附着等极限工况；降低了能耗，改善了车辆节能性。

Description

四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法
技术领域
本发明属于控制技术领域。
背景技术
新能源汽车采用清洁能源，降低了二氧化碳等气体的排放，特别是纯电动汽车，减少了汽车内部机械传动***，结构更简化，且没有尾气排放，对环境的污染更小。四轮均为轮毂电机的电动汽车，因其车轮转矩能够独立控制，通过车辆动力学控制，在车辆节能和稳定方面有着更大的潜力。
基于四轮轮毂电机驱动电动汽车的节能控制具有良好的应用前景，许多研究人员开展了相关研究，现阶段仍存在以下问题：
1)现有的四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法多数基于交通信息，在交通层面对车辆的驱动力、速度、路径进行优化，没有充分利用四轮轮毂电机驱动电动汽车自身的优势与潜力；2)现有的节能控制方法多数仅考虑降低能耗，没有将节能控制与稳定性控制、车辆主动安全控制结合起来，在降低能耗的同时，增加了车辆的安全风险；
3)现有的节能控制方法多数基于简单的车辆模型和线性的轮胎力模型，没有考虑轮胎力的非线性特性或没有准确表达其非线性特性，在高速、低附着等极限工况下无法使用，适用范围较小。
发明内容
本发明的目的是通过车辆理想状态的合理设计、车辆转矩的优化分配，实现四轮轮毂电机驱动电动汽车的节能，同时保证车辆操纵稳定性的四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法。
本发明步骤是：
S1：对于四轮均为轮毂电机的电动汽车，将其同一轴的左轮和右轮视为一个车轮，考虑车辆轮胎力的非线性特征，由轮胎试验测定侧偏刚度，建立面向控制的车辆简化模型；定义虚拟的前轮和后轮，建立轮胎纵向滑移模型；
S2：基于步骤S1已经建立的车辆模型，根据驾驶员给出的车辆前轮转向角和传感器测得的车辆纵向速度，考虑路面附着能力的限制，得到期望的车辆横摆角速度和质心侧偏角；
S3：基于反馈控制理论，利用横摆角速度的期望值和实际值，得到使车辆稳定需求的附加横摆力矩；
S4：基于模型预测控制理论，引入前轮纵向滑移率和后轮纵向滑移率两个虚拟状态量，利用驾驶员给出的总转矩，考虑多种优化目标和约束条件，将总转矩优化分配至车辆的虚拟前轮和虚拟后轮，即虚拟前轮和虚拟后轮的转矩；当某一轴上分配的转矩为0时，车辆不再向该轴上的两个轮毂电机供电，此时四轮驱动转变为两轮驱动；
S5：根据车辆动力学原理，考虑步骤S3得到的附加横摆力矩，将步骤S4得到的车辆虚拟前轮转矩分配至车辆的左前轮和右前轮，将步骤S4得到的车辆虚拟后轮转矩分配至车辆的左后轮和右后轮。
本发明S1步骤中轮胎纵向滑移模型：
步骤1：对四轮轮毂电机驱动电动汽车进行建模
面向控制的车辆简化模型的动力学方程为：
Figure BDA0002144767720000021
Figure BDA0002144767720000022
四个轮胎纵向力产生的附加横摆力矩为：
Figure BDA0002144767720000023
通过轮胎试验测定不同轮胎侧偏角情况下的轮胎侧偏刚度，表述轮胎力的非线性特征Fyf＝-2Cfαf (4)
Fyr＝-2Crαr (5)
Cf＝fc(αf) (6)
Cr＝fc(αr) (7)
前轮、后轮的轮胎侧偏角分别为：
Figure BDA0002144767720000024
Figure BDA0002144767720000025
步骤2：轮胎纵向滑移模型
Figure BDA0002144767720000026
车轮纵向滑移动力学方程：
Figure BDA0002144767720000027
Figure BDA0002144767720000029
将轮胎纵向力简化为：
Fx＝Cκ·κ (13)
式中，Cκ为轮胎纵向滑移刚度系数。
前轮和后轮的垂向载荷的转移考虑如下：
Figure BDA0002144767720000028
Figure BDA0002144767720000031
式中，ax和ay分别为车辆纵向和侧向加速度。
本发明S2步骤中车辆期望的横摆角速度和质心侧偏角：
线性二自由度参考模型如下：
Figure BDA0002144767720000032
Figure BDA0002144767720000033
线性二自由度参考模型改进为非线性二自由度参考模型
Cf＝fc(αf) (18)
Cr＝fc(αr) (19)
进而计算得到考虑轮胎力非线性特征的期望横摆角速度和质心侧偏角：
Figure BDA0002144767720000034
Figure BDA0002144767720000035
本发明S3步骤中附加横摆力矩：
定义e＝γ*-γ，得：
Figure BDA0002144767720000036
定义
Figure BDA0002144767720000037
当KP＞0，KI＞0，KD＞0时，***稳定；
通过滑模变结构控制方法进行车辆横摆稳定控制，计算附加横摆力矩：定义e'＝γ-γ*，滑模面s＝e'＝0；
选取趋近律
Figure BDA0002144767720000038
Figure BDA0002144767720000039
式中，ρ为边界值，
Figure BDA0002144767720000041
且p，q均为奇数；
得到车辆附加横摆力矩：
Figure BDA0002144767720000042
为保证稳定，式中0＜a＜1，K＞0。
本发明S4步骤中虚拟前轮和虚拟后轮的转矩：
***的状态空间方程可以描述为：
Figure BDA0002144767720000043
Figure BDA0002144767720000044
Figure BDA0002144767720000045
其中状态量x＝[κf,κr]T，控制量u＝[Tf,Tr]T，
Figure BDA0002144767720000046
下标i＝f,r；
通过前向欧拉公式描述为离散的非线性形式：
x(k+1)＝fk(x(k),u(k))·Ts+x(k) (29)
其中Ts表示离散时间，k表示采样时刻，每当***运行时间为离散时间的整数倍时，***采样一次，离散预测模型具体形式为：
Figure BDA0002144767720000047
Figure BDA0002144767720000048
设计以下代价函数：
Figure BDA0002144767720000049
式中，ΓQ，ΓH和ΓF为权重系数，T*为当前转速下轮毂电机最大效率对应的电机转矩，
其正负与车辆虚拟后轮的转矩正负相同，Tdriver为驾驶员给出的期望的车辆总转矩；
轮胎纵向滑移率软约束
Figure BDA0002144767720000051
Figure BDA0002144767720000052
式中，ΓQ，ΓH，ΓF和ΓG为权重系数，xmax为纵向滑移率的最大值；
设计以下目标函数
Figure BDA0002144767720000053
式中，ΓS和ΓF为权重系数；
约束条件：
umin≤ui≤umax (36)；
四个轮毂电机的转矩：
第二级转矩分配方案如下：
Tfl＝Tfr＝0 (37)
Trl＝Tr-ReΔMz/d+Tf (38)
Trr＝Tr+ReΔMz/d+Tf (39)
当车辆为非匀速状态，驾驶员给出的车辆总转矩与步骤4得到的车辆虚拟前轮转矩之积大于0时，第二级转矩分配方案如下：
Tfl＝Tfr＝Tf (40)
Trl＝Tr-ReΔMz/d (41)
Trr＝Tr+ReΔMz/d (42)
当车辆为匀速状态或近似匀速状态，第二级转矩分配方案如下：
Tfl＝(Tf-ReΔMz/d)/2
Tfr＝(Tf+ReΔMz/d)/2
Trl＝(Tr-ReΔMz/d)/2
Trr＝(Tr+ReΔMz/d)/2 (43)
当某一轮毂电机分配到的转矩为0时，不再向该电机供电，该轮毂电机所在轮成为从动轮。
本发明有益效果是：
1)基于轮胎试验分别测定前后轮胎的侧偏刚度，进而建立非线性的轮胎力模型和车辆模型，所求得的车辆期望横摆角速度和质心侧偏角满足路面附着能力的限制，本发明所述方法不仅适用于常规工况，也适用于高速、低附着等极限工况；
2)对车辆模型进行了简化，降低了优化问题的优化维数，减小了计算负担。同时采用两级转矩分配方案，使得车辆节能控制与稳定控制独立进行，进一步降低计算负担。
3)本发明所述四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法考虑了轮胎侧向力的饱和，减小了保证车辆操纵稳定所需的附加横摆力矩，降低了车辆能耗并避免了车辆侧滑带来的能量损耗。同时利用轮毂电机效率MAP图，使得轮毂电机尽可能地工作在高效率区域，
进一步降低了能耗，改善了车辆节能性。
附图说明
图1是本发明所述四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法的结构框图；
图2是车辆简化模型示意图；
图3是车辆轮胎侧向力和轮胎侧偏刚度示意图；
图4是轮毂电机效率MAP图。
具体实施方式
本发明是克服现有方法存在的不足，针对四轮均为轮毂电机的电动汽车，提供一种基于分层式控制结构的电动汽车节能控制方法。该分层式控制方法分为上下两层，
上层根据驾驶员需求计算理想的车辆状态，并通过输出附加横摆力矩，使车辆实际状态跟踪理想状态，更确切的说，是使车辆实际的横摆角速度跟踪上理想值，进而达到节能和稳定的目的。下层根据上层输出的附加横摆力矩，将驾驶员总转矩需求通过两级分配优化分配至四个轮毂电机，其中，第一级分配基于模型预测控制方法，利用轮毂电机效率MAP图，考虑多种目标和约束，将驾驶员输出的总转矩优化分配至车辆的前轴和后轴，
第二级分配考虑车辆稳定所需求的附加横摆力矩，将第一级分配到前轴和后轴的转矩再次分配到四个轮毂电机，实现车辆的节能和稳定。
本发明包括如下步骤：
S1：对于四轮均为轮毂电机的电动汽车，将其同一轴的左轮和右轮视为一个车轮，考虑车辆轮胎力的非线性特征，由轮胎试验测定侧偏刚度，建立面向控制的车辆简化模型。定义虚拟的前轮和后轮，建立轮胎纵向滑移模型。
S2：基于步骤S1已经建立的车辆模型，根据驾驶员给出的车辆前轮转向角和传感器测得的车辆纵向速度，考虑路面附着能力的限制，得到期望的车辆横摆角速度和质心侧偏角。
S3：基于反馈控制理论，利用横摆角速度的期望值和实际值，得到使车辆稳定需求的附加横摆力矩。
S4：基于模型预测控制理论，引入前轮纵向滑移率和后轮纵向滑移率两个虚拟状态量，利用驾驶员给出的总转矩，考虑多种优化目标和约束条件，将总转矩优化分配至车辆的虚拟前轮和虚拟后轮。当某一轴上分配的转矩为0时，车辆不再向该轴上的两个轮毂电机供电，此时四轮驱动转变为两轮驱动。
S5：根据车辆动力学原理，考虑步骤S3得到的附加横摆力矩，将步骤S4得到的车辆虚拟前轮转矩分配至车辆的左前轮和右前轮，将步骤S4得到的车辆虚拟后轮转矩分配至车辆的左后轮和右后轮。
本发明步骤S1具体为：
将具有四个车轮的电动汽车简化为只具有前轮和后轮的车辆模型，考虑轮胎力的非线性特征，把轮胎力划分为线性区和非线性区，通过轮胎试验分别测定前轮和后轮的侧偏刚度，进而建立非线性的车辆简化模型。
本发明步骤S4具体为：
S4.1：确定***预测模型和预测方程；
S4.2：确定代价函数；
S4.3：确定约束条件。
本发明步骤S4.2具体为：
在车辆加速或减速阶段，当驾驶员给出的车辆总转矩需求大于等于0时，将车辆简化模型后轮转矩接近电机高效率区、车辆简化模型前轮转矩最小、车辆总转矩与驾驶员转矩需求之差最小作为优化问题代价函数的组成部分。当驾驶员给出的车辆总转矩需求小于0时，除上述代价函数组成部分之外，增加车辆轮胎纵向滑移率最小的代价函数组成部分。在车辆匀速或近似匀速阶段，将车辆简化模型前轮和后轮转矩尽可能小、车辆总转矩与驾驶员转矩需求之差最小作为优化问题代价函数的组成部分。
本发明步骤S4.3具体为：
为防止步骤S4得到的车辆虚拟前轮和虚拟后轮的转矩超过轮毂电机的物理极限，将轮毂电机的输出转矩极限作为优化问题的约束条件。
以下对本发明做进一步详细描述：
本发明包括以下步骤：结构框图如图1所示
步骤1：对四轮轮毂电机驱动电动汽车进行建模。具体方法为：
将其同一轴的左轮和右轮视为一个车轮，同时假定其纵向速度始终不变或在较短时间内不变，仅考虑车辆侧向运动和横摆运动两个自由度，建立面向控制的车辆简化模型，如图2所示。其中x轴正方向为汽车向前直线行驶的方向，与该方向垂直向左的方向为y轴正方向，垂直地面向上的方向为z轴正方向，符号定义及量纲在表1中列出。
表1符号定义及量纲
Figure BDA0002144767720000081
上述面向控制的车辆简化模型的动力学方程为：
Figure BDA0002144767720000082
Figure BDA0002144767720000083
四个轮胎纵向力产生的附加横摆力矩为：
Figure BDA0002144767720000084
根据轮胎摩擦椭圆约束，轮胎侧向力与纵向力是强耦合的，同时，随着轮胎侧偏角的增大，侧向力会进入非线性饱和区域，如图3所示。通过轮胎试验可以测定不同轮胎侧偏角情况下的轮胎侧偏刚度，进而可以更好的表述轮胎力的非线性特征。
Fyf＝-2Cfαf (4)
Fyr＝-2Crαr (5)
Cf＝fc(αf) (6)
Cr＝fc(αr) (7)
前轮、后轮的轮胎侧偏角分别为：
Figure BDA0002144767720000085
Figure BDA0002144767720000091
为了建立轮胎纵向力与纵向滑移的关系，从而实现车辆驱动力的合理分配，本实施例采用如下轮胎纵向滑移模型：
假定车辆左前轮和右前轮转矩相等，定义虚拟的前轮，其纵向滑移率为左前轮和右前轮纵向滑移率绝对值的平均值，垂向载荷为左前轮和右前轮垂向载荷绝对值的平均值，定义虚拟的后轮，其纵向滑移率为左后轮和右后轮纵向滑移率绝对值的平均值，垂向载荷为左后轮和右后轮垂向载荷绝对值的平均值。
Figure BDA0002144767720000092
假定车轮旋转中心速度与车辆质心纵向速度相等，得到车轮纵向滑移动力学方程：
Figure BDA0002144767720000093
Figure BDA0002144767720000094
将轮胎纵向力简化为：
Fx＝Cκ·κ (13)
式中，Cκ为轮胎纵向滑移刚度系数。
前轮和后轮的垂向载荷的转移考虑如下：
Figure BDA0002144767720000095
Figure BDA0002144767720000096
式中，ax和ay分别为车辆纵向和侧向加速度。
步骤2：计算车辆期望的横摆角速度和质心侧偏角。具体方法为：
线性二自由度参考模型如下：
Figure BDA0002144767720000097
Figure BDA0002144767720000098
考虑轮胎力的非线性特性、路面附着能力的限制，通过轮胎试验标定轮胎的侧偏刚度，使得上述线性二自由度参考模型改进为非线性二自由度参考模型。
Cf＝fc(αf) (18)
Cr＝fc(αr) (19)
进而计算得到考虑轮胎力非线性特征的期望横摆角速度和质心侧偏角：
Figure BDA0002144767720000101
Figure BDA0002144767720000102
在本发明的一种可选实施例中，步骤3：通过反馈控制方法进行车辆横摆稳定控制，计算附加横摆力矩。具体方法为：
本实施例定义e＝γ*-γ，得：
Figure BDA0002144767720000103
本实施例定义
Figure BDA0002144767720000104
当KP＞0，KI＞0，KD＞0时，***稳定。
在本发明的一种可选实施例中，步骤3：通过滑模变结构控制方法进行车辆横摆稳定控制，计算附加横摆力矩。具体方法为：
本实施例定义e'＝γ-γ*，滑模面s＝e'＝0。
本实施例选取趋近律
Figure BDA0002144767720000105
Figure BDA0002144767720000106
式中，ρ为边界值，
Figure BDA0002144767720000107
且p，q均为奇数。
进而，得到车辆附加横摆力矩：
Figure BDA0002144767720000108
为保证稳定，式中0＜a＜1，K＞0。
步骤4：车辆第一级转矩分配，计算虚拟前轮和虚拟后轮的转矩。具体方法为：
第一级转矩分配为非线性优化问题，采用模型预测控制方法，***的状态空间方程可以描述为：
Figure BDA0002144767720000109
Figure BDA00021447677200001010
Figure BDA0002144767720000111
其中状态量x＝[κf,κr]T，控制量u＝[Tf,Tr]T，
Figure BDA0002144767720000112
下标i＝f,r。
将状态空间方程通过前向欧拉公式描述为离散的非线性形式：
x(k+1)＝fk(x(k),u(k))·Ts+x(k) (29)
其中Ts表示离散时间，k表示采样时刻，每当***运行时间为离散时间的整数倍时，***采样一次，离散预测模型具体形式为：
Figure BDA0002144767720000113
Figure BDA0002144767720000114
本实施例设置预测时域Np＝5，控制时域Nc＝5。
为达到节能的目的，同时保证驾驶员对车辆良好的操控性，本实施例设计以下代价函数：
当车辆在非匀速状态，驾驶员给出的车辆总转矩大于等于0时，本实施例使车辆的虚拟后轮的转矩尽可能的跟踪期望的转矩，使车辆的虚拟前轮的转矩尽可能的小，同时虚拟前轮与虚拟后轮的转矩之和应跟踪驾驶员给出的转矩需求。
Figure BDA0002144767720000115
式中，ΓQ，ΓH和ΓF为权重系数，T*为当前转速下轮毂电机最大效率对应的电机转矩，其正负与车辆虚拟后轮的转矩正负相同，Tdriver为驾驶员给出的期望的车辆总转矩。
当车辆在非匀速状态，驾驶员给出的车辆总转矩小于0时，除上述代价函数组成部分以外，为减小车轮纵向滑移率，防止车轮抱死，同时不影响优化问题的求解速度，增加轮胎纵向滑移率软约束。
Figure BDA0002144767720000116
Figure BDA0002144767720000121
式中，ΓQ，ΓH，ΓF和ΓG为权重系数，xmax为纵向滑移率的最大值。
当车辆在匀速状态或者近似匀速状态，驾驶员给出的车辆总转矩较小，难以调整转矩提高轮毂电机效率。因此，本实施例设计以下目标函数，使车辆虚拟前轮和虚拟后轮的转矩的平方和较小，同时尽可能满足驾驶员总转矩需求，以在节能和驾驶员动力需求方面寻求平衡。
Figure BDA0002144767720000122
式中，ΓS和ΓF为权重系数。
为满足实际应用需要，本实施例设计以下约束条件：
轮毂电机的输出转矩存在极限值，当分配给电机的转矩大于极限值时，可能导致电机损坏或无法达到应有的控制效果。
umin≤ui≤umax (36)
步骤5：车辆第二级转矩分配，计算四个轮毂电机的转矩。具体方法为：
当车辆为非匀速状态，驾驶员给出的车辆总转矩与步骤4得到的车辆虚拟前轮转矩之积小于等于0时，第二级转矩分配方案如下：
Tfl＝Tfr＝0 (37)
Trl＝Tr-ReΔMz/d+Tf (38)
Trr＝Tr+ReΔMz/d+Tf (39)
当车辆为非匀速状态，驾驶员给出的车辆总转矩与步骤4得到的车辆虚拟前轮转矩之积大于0时，第二级转矩分配方案如下：
Tfl＝Tfr＝Tf (40)
Trl＝Tr-ReΔMz/d (41)
Trr＝Tr+ReΔMz/d (42)
当车辆为匀速状态或近似匀速状态，第二级转矩分配方案如下：
Tfl＝(Tf-ReΔMz/d)/2
Tfr＝(Tf+ReΔMz/d)/2
Trl＝(Tr-ReΔMz/d)/2
Trr＝(Tr+ReΔMz/d)/2 (43)
当某一轮毂电机分配到的转矩为0时，不再向该电机供电，该轮毂电机所在轮成为从动轮。
采用上述实施例所涉及的四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法的优点是：①考虑了车辆轮胎力非线性特性，使得期望的横摆角速度和质心侧偏角不超出路面附着能力的限制，进而减小了维持稳定所需要的附加横摆力矩，降低了能耗，改善了稳定性。②采用分层式的结构，分为上层和下层，在提高四轮轮毂电机驱动电动汽车节能性的同时保证其稳定；③面向控制的模型考虑了轮胎侧向力的饱和，能够适用于常见的道路工况和高速、低附着等极限工况。在下层第一级转矩分配中，根据不同的车辆行驶状态，设计不同的优化问题代价函数，能够适应不同的驾驶情景，适用范围广；④简化了车辆模型，降低了运算量，同时将转矩分配分为两级，使得车辆节能性和稳定性能够分别考虑，进一步降低了运算量，提高了实时性。⑤下层第一级转矩分配过程中，利用电机效率MAP图，合理分配车辆虚拟前轮和虚拟后轮的转矩，使得电机尽可能的工作在高效率区，提高了电机效率，降低了能耗。

Claims (1)

1.一种四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法，其特征在于：其步骤是：
S1：对于四轮均为轮毂电机的电动汽车，将其同一轴的左轮和右轮视为一个车轮，考虑车辆轮胎力的非线性特征，由轮胎试验测定侧偏刚度，建立面向控制的车辆简化模型；
定义虚拟的前轮和后轮，建立轮胎纵向滑移模型；
所述的轮胎纵向滑移模型：
步骤1：对四轮轮毂电机驱动电动汽车进行建模
面向控制的车辆简化模型的动力学方程为：
Figure FDA0002771775440000011
其中m是车辆质量，Fyf和Fyr是前、后轮胎侧向力，Vx是车辆纵向速度，γ是横摆角速度，β是质心侧偏角；
Figure FDA0002771775440000012
其中Lf和Lr是质心到前后轴的距离，ΔMz是附加横摆力矩，Iz是车辆绕z轴转动惯量；
四个轮胎纵向力产生的附加横摆力矩为：
Figure FDA0002771775440000013
其中d是车辆轮距，Fxfl，Fxfr，Fxrl，Fxrr分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的纵向力；
通过轮胎试验测定不同轮胎侧偏角情况下的轮胎侧偏刚度，表述轮胎力的非线性特征
Fyf＝-2Cfαf (4)
Fyr＝-2Crαr (5)
Cf＝fc(αf) (6)
Cr＝fc(αr) (7)
其中Cf和Cr是轮胎侧偏刚度，αf和αr是前、后轮侧偏角，Fyf和Fyr分别为前轮和后轮的侧向力；
前轮、后轮的轮胎侧偏角分别为：
Figure FDA0002771775440000021
Figure FDA0002771775440000022
其中δf是车辆前轮转向角；
步骤2：轮胎纵向滑移模型
Figure FDA0002771775440000023
其中κ是轮胎纵向滑移率，Re是轮胎滚动半径，ω是轮胎转速；
车轮纵向滑移动力学方程：
Figure FDA0002771775440000024
Figure FDA0002771775440000025
其中Fx是轮胎纵向力，J是轮胎转动惯量，Te是轮胎转矩；
将轮胎纵向力简化为：
Fx＝Cκ·κ (13)
式中，Cκ为轮胎纵向滑移刚度系数。
前轮和后轮的垂向载荷的转移考虑如下：
Figure FDA0002771775440000026
Figure FDA0002771775440000027
式中，ax和ay分别为车辆纵向和侧向加速度；Fzf和Fzr分别为前轮和后轮的垂向载荷，hg是车辆质心高度，g为重力加速度；
S2：基于步骤S1已经建立面向控制的车辆简化模型，根据驾驶员给出的车辆前轮转向角和传感器测得的车辆纵向速度，考虑路面附着能力的限制，得到期望的车辆横摆角速度和质心侧偏角；
所述的车辆期望的横摆角速度和质心侧偏角：
线性二自由度参考模型如下：
Figure FDA0002771775440000031
Figure FDA0002771775440000032
线性二自由度参考模型改进为非线性二自由度参考模型
Cf＝fc(αf) (18)
Cr＝fc(αr) (19)
进而计算得到考虑轮胎力非线性特征的期望横摆角速度和质心侧偏角：
Figure FDA0002771775440000033
Figure FDA0002771775440000034
其中γ*是理想的横摆角速度，β*是理想的质心侧偏角；
S3：基于反馈控制理论，利用横摆角速度的期望值和实际值，得到使车辆稳定需求的附加横摆力矩；
所述的附加横摆力矩：
定义e＝γ*-γ，得：
Figure FDA0002771775440000035
定义
Figure FDA0002771775440000041
当KP＞0，KI＞0，KD＞0时，***稳定；
通过滑模变结构控制方法进行车辆横摆稳定控制，计算附加横摆力矩：
定义e'＝γ-γ*，滑模面s＝e'＝0；
选取趋近律
Figure FDA0002771775440000042
Figure FDA0002771775440000043
式中，ρ为边界值，
Figure FDA0002771775440000044
且p，q均为奇数；
得到车辆附加横摆力矩：
Figure FDA0002771775440000045
为保证稳定，式中0＜a＜1，K＞0；
S4：基于模型预测控制理论，引入前轮纵向滑移率和后轮纵向滑移率两个虚拟状态量，利用驾驶员给出的总转矩，考虑多种优化目标和约束条件，将总转矩优化分配至车辆的虚拟前轮和虚拟后轮，即虚拟前轮和虚拟后轮的转矩；当某一轴上分配的转矩为0时，车辆不再向该轴上的两个轮毂电机供电，此时四轮驱动转变为两轮驱动；
所述的虚拟前轮和虚拟后轮的转矩：
***的状态空间方程可以描述为：
Figure FDA0002771775440000046
Figure FDA0002771775440000047
Figure FDA0002771775440000048
其中状态量x＝[κf,κr]T，控制量u＝[Tf,Tr]T，
Figure FDA0002771775440000049
下标i＝f,r；
通过前向欧拉公式描述为离散的非线性形式：
x(k+1)＝fk(x(k),u(k))·Ts+x(k) (29)
其中Ts表示离散时间，k表示采样时刻，每当***运行时间为离散时间的整数倍时，***采样一次，离散预测模型具体形式为：
Figure FDA0002771775440000051
Figure FDA0002771775440000052
设计以下代价函数：
Figure FDA0002771775440000053
式中，ΓQ，ΓH和ΓF为权重系数，T*为当前转速下轮毂电机最大效率对应的电机转矩，
其正负与车辆虚拟后轮的转矩正负相同，Tdriver为驾驶员给出的期望的车辆总转矩；
轮胎纵向滑移率软约束
Figure FDA0002771775440000054
Figure FDA0002771775440000055
式中，ΓQ，ΓH，ΓF和ΓG为权重系数，xmax为纵向滑移率的最大值；
设计以下目标函数
Figure FDA0002771775440000061
式中，ΓS和ΓF为权重系数；
约束条件：
umin≤ui≤umax (36)；
四个轮毂电机的转矩：
第二级转矩分配方案如下：
Tfl＝Tfr＝0 (37)
Trl＝Tr-ReΔMz/d+Tf (38)
Trr＝Tr+ReΔMz/d+Tf (39)
当车辆为非匀速状态，驾驶员给出的车辆总转矩与步骤4得到的车辆虚拟前轮转矩之积大于0时，第二级转矩分配方案如下：
Tfl＝Tfr＝Tf (40)
Trl＝Tr-ReΔMz/d (41)
Trr＝Tr+ReΔMz/d (42)
当车辆为匀速状态或近似匀速状态，第二级转矩分配方案如下：
Tfl＝(Tf-ReΔMz/d)/2
Tfr＝(Tf+ReΔMz/d)/2
Trl＝(Tr-ReΔMz/d)/2
Trr＝(Tr+ReΔMz/d)/2 (43)
当某一轮毂电机分配到的转矩为0时，不再向该电机供电，该轮毂电机所在轮成为从动轮；
S5：根据车辆动力学原理，考虑步骤S3得到的附加横摆力矩，将步骤S4得到的车辆虚拟前轮转矩分配至车辆的左前轮和右前轮，将步骤S4得到的车辆虚拟后轮转矩分配至
车辆的左后轮和右后轮。
CN201910680991.5A 2019-07-26 2019-07-26 四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法 Active CN110422053B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910680991.5A CN110422053B (zh) 2019-07-26 2019-07-26 四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910680991.5A CN110422053B (zh) 2019-07-26 2019-07-26 四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110422053A CN110422053A (zh) 2019-11-08
CN110422053B true CN110422053B (zh) 2020-12-29

Family

ID=68412561

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910680991.5A Active CN110422053B (zh) 2019-07-26 2019-07-26 四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110422053B (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111497826B (zh) * 2020-04-15 2021-08-03 北京理工大学 一种电动汽车横摆稳定性协调控制方法及***
CN111546907B (zh) * 2020-05-22 2022-04-08 西南交通大学 一种四轮转向轮毂电机驱动车辆的轮速分配方法
WO2022085168A1 (ja) * 2020-10-22 2022-04-28 日産自動車株式会社 電動四輪駆動車両の制御方法及び電動四輪駆動車両の制御装置
EP4249312A1 (en) 2020-11-18 2023-09-27 Zhejiang Zeekr Intelligent Technology Co., Ltd. Torque distribution method for four-wheel drive of electric vehicle, and system and vehicle
CN113353061A (zh) * 2021-07-14 2021-09-07 广东工业大学 一种基于滑模控制的四电机驱动fsae赛车电子差速算法
CN113635780B (zh) * 2021-08-17 2023-09-08 长春工业大学 四轮驱动电动汽车驱动节能与操稳底盘一体化控制方法
CN114312346B (zh) * 2021-11-24 2024-05-07 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 多点独立轮边驱动铰接车辆转矩分配方法及设备
CN114148411B (zh) * 2021-12-16 2022-12-13 北京理工大学 一种轮式无人平台的漂移控制方法
CN114670675B (zh) * 2022-03-25 2023-09-15 的卢技术有限公司 电动汽车的力矩分配方法、装置、计算机设备和存储介质
CN115071440B (zh) * 2022-06-15 2024-06-07 东风越野车有限公司 基于轮毂电机输出能力的附加横摆转矩分配方法及装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017511271A (ja) * 2014-03-19 2017-04-20 ツェットエフ、フリードリッヒスハーフェン、アクチエンゲゼルシャフトＺｆ Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈｓｈａｆｅｎ Ａｇ ハイブリッドモジュール及びハイブリッドモジュールを有するドライブトレーン

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105555592B (zh) * 2013-08-05 2018-05-08 日产自动车株式会社 车辆控制装置及车辆控制方法
KR102195805B1 (ko) * 2013-09-24 2020-12-28 엘지이노텍 주식회사 모터, 모터 제어 장치 및 그 방법
WO2016125686A1 (ja) * 2015-02-02 2016-08-11 Ntn株式会社 車両の制駆動トルク制御装置
CN107985315A (zh) * 2017-11-29 2018-05-04 吉林大学 轮式装载机轮胎纵向力动态估计方法
CN108394313B (zh) * 2018-01-22 2020-04-21 武汉理工大学 一种基于滑移率的四驱电动汽车转矩控制分配方法
CN108482363B (zh) * 2018-04-09 2020-03-17 吉林大学 车辆横摆稳定性预测模型控制方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017511271A (ja) * 2014-03-19 2017-04-20 ツェットエフ、フリードリッヒスハーフェン、アクチエンゲゼルシャフトＺｆ Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈｓｈａｆｅｎ Ａｇ ハイブリッドモジュール及びハイブリッドモジュールを有するドライブトレーン

Also Published As

Publication number Publication date
CN110422053A (zh) 2019-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110422053B (zh) 四轮轮毂电机驱动电动汽车节能控制方法
CN108189705B (zh) 一种兼顾节能和稳定的分布式驱动电动汽车控制方法
CN109795502B (zh) 智能电动汽车路径跟踪模型预测控制方法
CN109204317B (zh) 轮毂驱动电动汽车纵、横和垂向力集成控制优化方法
CN109606133B (zh) 基于双层控制的分布式驱动电动汽车转矩矢量控制方法
CN112644457B (zh) 一种分布式驱动车辆转向稳定性控制***及其控制方法
CN110422052B (zh) 分布式驱动电动汽车稳定与节能控制***
CN104443022B (zh) 一种四轮独立驱动电动汽车稳定性控制方法及***
CN111391822B (zh) 一种极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制方法
CN108859862B (zh) 一种分布式驱动越野车辆的自适应驱动控制***
CN111976504A (zh) 一种四电机驱动汽车的扭矩分配控制器、控制方法、设备及存储介质
CN107117073A (zh) 一种四轮轮毂电动汽车牵引力控制方法
CN104175902A (zh) 电动轮汽车轮毂电机转矩分配***的转矩分配控制方法
CN106985813A (zh) 一种智能轮电驱动汽车的稳定性集成控制方法
CN112373459B (zh) 一种四轮毂电机驱动车辆上层运动状态控制方法
CN110962626B (zh) 一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法
CN110605975B (zh) 一种多轴分布式电驱动车辆转矩分配集成控制器和控制方法
CN111796522B (zh) 一种车辆状态估计方法
KR20150062779A (ko) 인휠 전기자동차의 휠 토크 제어 시스템 및 방법
Liu et al. Integrated torque vectoring control for a three-axle electric bus based on holistic cornering control method
CN116512934A (zh) 实现三电机四驱电动汽车能耗优化的扭矩分配控制方法
CN113147736B (zh) 基于独立轮系的电动车辆稳定性控制方法
CN111204332B (zh) 一种全工况下优化车辆横摆动态性能的滑模控制方法
CN112346337A (zh) 极限工况下基于后轮主动转向的车辆稳定性控制方法
CN115723590A (zh) 一种轮毂电机驱动汽车的节能转矩矢量控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant