一种分布式驱动电动汽车多模式电子差速控制系统的制作方法

本发明涉及一种电动汽车动力学控制系统，尤其涉及一种分布式驱动电动汽车的转向动力学控制系统。

背景技术：

节能、环保和安全已成为现代汽车发展的主题，为了解决汽车保有量增加所带来的能源危机和环境污染，新能源汽车的研发成为各国研究的焦点之一。纯电动汽车是全部由电能驱动电机作为动力系统的汽车，因其零排放、结构简单、效率高、技术相对成熟的优点，已成为新能源汽车的重要发展形式。如果电动汽车采用四轮独立驱动形式，不仅可以省略传统汽车所需的机械传动装置，使驱动系统和整车结构简洁、紧凑，提高传动效率而降低能源消耗，而且每个车轮通过电机独立驱动，能够实现快速驱动力和制动力的控制，增强行驶稳定性和通过性。鉴于以上原因，分布式驱动电动汽车是电动汽车研究领域的热点之一。

分布式驱动电动汽车包括电机安装于轮毂的轮毂电机驱动电动汽车，以及电机安装于车身，通过驱动轴连接轮毂的轮边电机驱动电动汽车。由于分布式驱动电动汽车没有机械式差速器，而每个车轮能独立产生驱动转矩，不协调的驱动转矩可能会导致轮胎过快磨损和车辆横向失稳。如何有效地实现车辆转向时的差速控制，是分布式驱动电动汽车研究的重点和难点。目前关于差速控制的方案主要包括两个方面：一是设计具有自适应差速功能的特殊电机驱动系统；二是应用各种电子差速控制策略实时调节电机转速或转矩。具有自适应差速功能的驱动电机由一个定子和两个转子组成，其差速原理与机械式差速器类似。该类型电机通过控制两个转子的相对转速，获得由两个转子转速相加或相减的最终转速。由于两个转子的输出转矩和旋转方向相反，因此需安装其他机械装置实现换向和减速，使得差速控制系统的算法和结构变得复杂，难以充分发挥分布式驱动电动汽车车轮独立驱动的优势。另一种方案是将同轴两个电机的驱动电路串联在一起，在车辆转向时自动调整内外侧车轮转速，不需要专门的差速控制单元。在此基础上，还可借助控制器实现变工况和变路况下的差速控制。但这种将电机串联的差速控制方案的原理同样类似于机械式差速器，内外侧车轮输出转矩相同，而且要求两个电机性能一致，转向时的路面阻力一致，且无侧滑。这些条件在车辆实际行驶过程中很难保证。更重要的是，如果内外侧车轮输出转矩一致，则无法通过调整内外侧车轮转矩实现助力转向和横向稳定性控制。

电子差速控制的实质是对同轴内外侧两个车轮的转速进行控制，避免内侧车轮因拖滑而过快磨损。常用方法中，基于阿克曼转向模型的电子差速控制方法需要计算4个车轮的目标转速，然后通过电机转速控制方法实现电子差速控制。但是，基于阿克曼转向模型的电子差速控制方法没有考虑轮胎的纵向滑移率，只能在低速时有效。而且这种控制方法限制了运动自由度，如果行驶过程中出现控制误差，易产生车轮滑转的不稳定现象。因此，基于转矩的差速控制成为研究重点。基于转矩的控制策略不会对两侧驱动轮的运动自由度产生限制，车辆转向时对于外界环境复杂性所导致的矛盾不再突出，有利于对车轮纵向滑移率进行控制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能适应车速范围宽和复杂行驶工况的分布式驱动电动汽车电子差速控制系统，该系统利用简单的控制系统结构，采取多模式控制策略实现4个驱动电机的转矩控制，避免轮胎纵向滑转，减小轮胎磨损。本发明为分布式驱动电动汽车差速控制提供一种结构简单、适应车速范围宽、控制实时性高的技术方案。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是提供了一种分布式驱动电动汽车多模式电子差速控制系统，该系统包括加速踏板、方向盘、车速估计器、信号预处理器、电子差速控制器、电机控制器、轮速传感器、驱动电机，其特征在于：

分布式驱动电动汽车的4个车轮由4个独立的驱动电机直接驱动；4个驱动电机分别与4个电机控制器相连并受其控制；

信号预处理器接收加速踏板的行程信号、方向盘的转角信号，以及来自于车速估计器的车速信号，计算出期望驱动转矩和临界车速；

电子差速控制器接收信号预处理器的期望驱动转矩、临界车速，以及4个轮速传感器的车轮轮速信号，根据转向行驶工况计算每个车轮的驱动转矩；

电子差速控制器与4个电机控制器相连；电子差速控制器向4个电机控制器发送转矩控制目标信号。

进一步地，信号预处理器计算期望驱动转矩和临界车速的公式为

T_d = R_w(F_air + F_w+ F_a+ F_i)

V_c=0.5sqrt(g/h_s/sinδ) t_w

其中T_d为期望驱动转矩，用于克服行驶阻力和实现车辆加速和爬坡，F_air为空气阻力，F_w为车轮滚动阻力，F_a为加速阻力，F_i为爬坡阻力，V_c为临界车速，sqrt( )为求算术平方根的函数，t_w为车辆轮距，g为重力加速度，h_s为车辆重心高度，δ为前轮转角，等于方向盘转角乘以转向系统传动比i_sw。

进一步地，电子差速控制器采用的多模式电子差速控制策略为

1）模式1，当车速小于临界车速V_c时，车辆通过前轴两轮驱动，前轴承担车辆的期望驱动转矩，需要输出的驱动转矩T_{m_f}为

T_{m_f} = T_d

分配给前轴内外侧车轮的驱动转矩分别为

T_{in_f}= T_{m_f}/ 2-△T_f

T_{out_f}=T_{m_f}/ 2+△T_f

其中T_{in_f}和T_{out_f}分别表示前轴内外侧车轮的驱动转矩，后轴内外侧车轮不输出驱动转矩；△T_f为前轴内外侧车轮的驱动转矩差，计算公式为

△T_f=T_{m_f}(1-K_{T_f}) / (1+K_{T_f})

其中K_{T_f}为前轴内外侧车轮的驱动转矩比，计算公式为

K_{T_f}= (0.5l_rt_wg/h_s-v²sinδ) / (0.5l_rt_wg/h_s+v²sinδ)

其中v为车速，l_r为车辆质心到后轴的距离；

2）模式2，当车辆采用模式1进行电子差速控制时，如果外侧车轮发生纵向滑转，车辆驱动模式由两轮驱动模式切换至四轮驱动模式；四轮驱动模式下，前后轴的驱动转矩采用等值分配法，前后轴需要输出的驱动转矩T_{m_f}和T_{m_r}为

T_{m_f}=T_{m_r}=T_d / 2

前轴内外侧车轮的驱动转矩分配方法如模式1；分配给后轴内外侧车轮的驱动转矩分别为

T_{in_r}= T_{m_r} / 2-△T_r

T_{out_r}= T_{m_r}/ 2+△T_r

其中T_{in_r}和T_{out_r}分别表示后轴内外侧车轮的驱动转矩；后轴内外侧车轮的转矩差和转矩比的计算公式分别为

△T_r=T_{m_r}(1-K_{T_r}) / (1+K_{T_r})

K_{T_r}= (0.5l_ft_wg/h_s-v²sinδ) / (0.5l_ft_wg/h_s+v²sinδ)

其中l_f为车辆质心到前轴的距离；

3）模式3，当车速大于临界车速Vc时，由对角线上的外侧前轮和内侧后轮驱动车辆行驶，且每个车轮输出的转矩为期望驱动转矩的一半，即

T_{in_r}=T_{out_f}= T_d / 2

模式3时，对角线上的内侧前轮和外侧后轮不输出转矩。

进一步地，本发明还提出一种分布式驱动电动汽车多模式电子差速控制系统制进行差速控制的方法，其特征在于：

首先，信号预处理器根据加速踏板的行程信号和方向盘的转角信号，结合车速估计器估计的车速，计算出期望驱动转矩和临界车速；

然后，电子差速控制器根据车速、期望驱动转矩和4个轮速传感器的轮速信号，参考临界车速确定差速控制模式和计算4个车轮的驱动转矩，并将驱动转矩作为目标转矩信号输出给电机控制器；

最后，电机控制器根据目标转矩信号，对与之相连的驱动电机采用直接转矩控制方法进行电机驱动控制。

本发明具有以下优点：

（1）参考临界车速的多模式电子差速控制策略，适合行驶工况广、车速范围宽；

（2）基于转矩的控制目标，不会对两侧驱动轮的运动自由度产生限制，车辆转向时对于外界环境复杂性所导致的矛盾不再突出，有利于对车轮纵向滑移率控制；

（3）基于规则的控制策略，确保控制系统结构简单、控制实时性高；

（4）能实现同轴两轮驱动、对角线两轮驱动、四轮驱动的灵活切换，充分利用分布式驱动的特点，在实现差速控制的基础上，还能保证车辆横向稳定性。

附图说明：

图1是本发明的分布式驱动电动汽车多模式电子差速控制系统结构框图；

图2是本发明的分布式驱动电动汽车多模式电子差速控制策略结构框图；

图3是方向盘角阶跃输入图；

图4是高附着路面条件下车速小于临界车速时的车轮输出转矩图（模式1）；

图5是高附着路面条件下车速小于临界车速时的轮胎纵向滑移率图（模式1）；

图6是低附着路面条件下车速小于临界车速时的车轮输出转矩图（模式1）；

图7是低附着路面条件下车速小于临界车速时的轮胎纵向滑移率图（模式1）；

图8是低附着路面条件下车速小于临界车速时的车轮输出转矩图（模式2）；

图9是低附着路面条件下车速小于临界车速时的轮胎纵向滑移率图（模式2）；

图10是车速大于临界车速时的车轮输出转矩图（模式1）；

图11是车速大于临界车速时的轮胎纵向滑移率图（模式1）；

图12是车速大于临界车速时的车轮输出转矩图（模式3）；

图13是车速大于临界车速时的轮胎纵向滑移率图（模式3）；

图14是车速大于临界车速时的车辆质心横摆角速度图（模式3）。

具体实施：

分布式驱动电动汽车多模式电子差速控制系统结构框图如图1所示，该控制系统包括加速踏板、方向盘、车速估计器、信号预处理器、电子差速控制器、电机控制器、轮速传感器、驱动电机，其特征在于：

分布式驱动电动汽车的4个车轮由4个独立的驱动电机（81，82，83，84）直接驱动，4个驱动电机（81，82，83，84）分别与4个电机控制器（61，62，63，64）相连并受其控制。

信号预处理器（40）接收加速踏板（10）的行程信号、方向盘（20）的转角信号，以及来自于车速估计器（30）的车速信号，计算出期望驱动转矩和临界车速。

电子差速控制器（50）接收信号预处理器（40）的期望驱动转矩、临界车速，以及4个轮速传感器（71、72、73、74）的车轮轮速信号，根据转向行驶工况计算每个车轮的驱动转矩。

电子差速控制器（50）与4个电机控制器（61，62，63，64）相连，电子差速控制器（50）向4个电机控制器（61，62，63，64）发送转矩控制目标信号。

分布式驱动电动汽车多模式电子控制系统采用的控制策略框图如图2所示。在车辆进入转向行驶工况时，首先由信号预处理器根据油门踏板行程、方向盘转角、车辆结构参数和车速估计器估计的车速，计算出期望驱动转矩、临界车速，公式分别如下：

T_d = R_w(F_air + F_w+ F_a+ F_i) (1)

V_c=0.5sqrt(g/h_s/sinδ) t_w (2)

其中T_d为期望驱动转矩，用于克服行驶阻力和实现车辆加速和爬坡，F_air为空气阻力，F_w为车轮滚动阻力，F_a为加速阻力，F_i为爬坡阻力；sqrt( )为求算术平方根的函数，V_c为临界车速，t_w为车辆轮距，g为重力加速度，h_s为车辆重心高度，δ为前轮转角，等于方向盘转角乘以转向系统传动比i_sw。

然后电子差速控制器根据转向时的车速和轮胎纵向滑移率，参考临界车速确定差速控制模式。

当车速小于临界车速V_c时，控制策略采用模式1，车辆通过前轴两轮驱动，前轴承担车辆的期望驱动转矩，需要输出的驱动转矩T_{m_f}为

T_{m_f} = T_d (3)

分配给前轴内外侧车轮的驱动转矩分别为

T_{in_f}= T_{m_f}/ 2-△T_f (4)

T_{out_f}=T_{m_f}/ 2+△T_f (5)

其中T_{in_f}和T_{out_f}分别表示前轴内外侧车轮的驱动转矩，后轴两个车轮不输出驱动转矩；△T_f为内外侧车轮的驱动转矩差，计算公式为

△T_f=T_{m_f}(1-K_{T_f}) / (1+K_{T_f}) (6)

其中K_{T_f}为前轴内外侧车轮的驱动转矩比，计算公式为

K_{T_f}= (0.5l_rt_wg/h_s-v²sinδ) / (0.5l_rt_wg/h_s+v²sinδ) (7)

其中v为车速，l_r为车辆质心到后轴的距离。

当车辆采用模式1进行电子差速控制时，如果外侧车轮发生纵向滑转，控制策略采用模式2，车辆驱动模式由两轮驱动模式切换至四轮驱动模式。四轮驱动模式下，前后轴的驱动转矩采用等值分配法，前后轴需要输出的驱动转矩T_{m_f}和T_{m_r}为

T_{m_f}=T_{m_r}=T_d / 2 (8)

前轴内外侧车轮的驱动转矩分配方法如模式1，分配给后轴内外侧车轮的驱动转矩分别为

T_{in_r}= T_{m_r} / 2-△T_r (9)

T_{out_r}= T_{m_r}/ 2+△T_r (10)

其中T_{in_r}和T_{out_r}分别表示后轴内外侧车轮的驱动转矩，后轴内外侧车轮的转矩差和转矩比的计算公式分别为

△T_r=T_{m_r}(1-K_{T_r}) / (1+K_{T_r}) (11)

K_{T_r}= (0.5l_ft_wg/h_s-v²sinδ) / (0.5l_ft_wg/h_s+v²sinδ) (12)

其中l_f为车辆质心到前轴的距离。

当车速大于临界车速Vc时，控制策略采用模式3，由对角线上的外侧前轮和内侧后轮驱动车辆行驶，且每个车轮输出的转矩为期望驱动转矩的一半，即

T_{in_r}=T_{out_f}= T_d / 2 (13)

模式3时，对角线上的内侧前轮和外侧后轮不输出转矩。

下面将通过三个转向行驶工况阐述本发明的工作原理。需要说明的是，本发明不限于只适合这三个转向行驶工况下的电子差速控制。三个转向行驶工况的方向盘角度输入相同，车辆首先直线行驶，然后在2s到3s间方向盘转角从0°上升为100°，最后保持相应的转角行驶。方向盘转角输入如图3所示，车辆向左转弯行驶。分布式驱动电动汽车的部分结构参数如下：t_w=1.45m，h_s=0.54m，i_sw=16，l_f=1.02 m，l_r=1.44 m，高附着路面µ=0.8，高附着路面µ=0.3。采用式(2)计算临界车速，得Vc=37km/h。

1）高附着路面条件下车速小于临界车速的行驶工况

在如图3给定的前轮转向角条件下，当车辆以车速为30km/h匀速行驶时。由于车速小于临界车速，控制策略采用模式1进行差速控制。图4和图5分别是模式1下的4个车轮驱动转矩和轮胎纵向滑移率。由于差速控制策略采用模式1，所以后轴两个车轮输出的驱动转矩为0。根据由式(5)和式(6)表示的内外侧车轮转矩分配规则可知，车辆前轴外侧车轮输出的驱动转矩大于内侧车轮输出的驱动转矩，且相差转矩差△T，这些规律可由图4所示的4个车轮驱动转矩对比可看出。由于外侧车轮输出的驱动转矩大于内侧车轮，即转向时外侧车轮输出较大的转矩，而内侧车轮输出较小的转矩，满足差速要求。

由图5所示的车轮纵向滑移率可知，4个车轮的纵向滑移率都保持在较低值，即4个车轮在转向行驶时都能保持于纯滚动状态。由此可见，当车辆行驶于较低车速时，基于阿克曼转向模型的电子差速控制策略能很好的实现差速功能，有效防止车轮纵向滑动。

2）低附着路面条件下车速小于临界车速的行驶工况

当车辆行驶于低附着路面时，路面可能无法确保外侧车轮输出较大转矩，车轮容易纵向滑转。为避免此种情况发生，可由两轮驱动模式切换至四轮驱动模式，通过减小外侧车轮的驱动转矩来避免车轮纵向滑转。为验证电子差速控制策略模式2的有效性，设定如下车辆转向行驶工况：车辆初始车速为10km/h，在10s内加速至30km/h。

在该工况下若仍采用模式1进行差速控制时，图6和图7是车轮输出驱动转矩和轮胎纵向滑移率。由图可知，外侧车轮输出的驱动转矩最大为400Nm，轮胎的纵向滑移率接近0.8，说明低附着路面无法提供如此大的纵向力，外侧车轮发生纵向滑转。图8和图9为模式2四轮驱动模式下的车轮输出驱动转矩和轮胎纵向滑移率。车辆采用四轮驱动模式后，后轴外侧车轮同样会分配驱动转矩，承担部分原两轮驱动时前轴外侧车轮的输出驱动转矩。相对于两轮驱动模式，由于四轮驱动模式减小了外侧车轮的需求驱动转矩，低附着路面也可提供需要的纵向力。由图可知，四轮驱动模式下外侧车轮的需求驱动转矩由两轮驱动的400Nm降低为200Nm，4个轮胎的纵向滑移率在0.05以内，车轮接近纯滚动。

（3）车速大于临界车速时的行驶工况

在高附着路面条件下，车速提高到60km/h。由于车速大于37km/h的临界车速，如果采用转矩比对同轴内外侧车轮的进行驱动转矩分配，会出现输出转矩为负情况。图10和图11分别是该工况下采用模式1进行电子差速控制时，车轮的驱动转矩和纵向滑移率。由车轮驱动转矩图可知，前轴内侧车轮的驱动转矩出现负值，相当于车轮反转，显然不符合车辆驱动工况要求。同样，从车轮的纵向滑移率也可看出，前轴内侧车轮的纵向滑移率也出现负值，相当于制动工况。由此可见，当车速大于临界车速时，基于阿克曼转向模型的电子差速控制策略不能正确分配车轮驱动转矩。

电子差速控制策略采用模式3时，即车辆采用对角线两轮驱动模式，车轮驱动转矩和轮胎纵向滑移率分别如图12和图13所示。由图可知，两个驱动轮的纵向滑移率保持在较小正值，表明驱动轮处于驱动状态，且接近纯滚动。由于驱动轮关于车辆纵轴对称分布，没有产生附加横摆力矩，不会造成车辆的横向失稳。图14为车辆质心横摆角速度，由图可看出表征车辆横向稳定性的横摆角速度指标没有发散，说明车辆没发生横向失稳。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为落入本发明的保护范围。