实现三电机四驱电动汽车能耗优化的扭矩分配控制方法

本发明属于电动汽车扭矩分配控制。

背景技术：

1、为了缓解全球能源紧缺、环境污染等问题，更加环保、节能的电动汽车领域发展越来越快。相比较传统汽车，电动汽车可以通过轻量化设计以及高效的电驱动系统配置来提高整个电动汽车系统的效率，特别是分布式四驱电动车，由于省略传动系统，简化了整车结构，使得设计更加灵活，优化了控制的可操作性。当车辆在运行过程中，在满足整车动力性的约束下，可以更加自由地实现各动力源间的扭矩分配，提升车辆行驶的经济性。分布式驱动电动车的扭矩分配控制目前多以四电机全驱为研究对象，四电机全驱汽车不仅配置成本高，且四个电机同时工作容易造成动力冗余使得能量损耗增加，故难以达到理想的节能效果。

2、目前还存在以下问题：

3、1、现阶段针对三电机四驱电动汽车节能性方面的研究集中在如何分配总需求扭矩到前轴电机和两个后轮轮毂电机上以降低电机能效损失，主要围绕全局优化和瞬时优化展开，全局优化多用于相对固定的直线工况下，以全局优化结果为基础，为制定出各驱动电机间的扭矩分配比提供依据，此方法虽然优化效果最优，但工况适应性较差；而基于系统功率损耗最小的实时优化虽然可以达到瞬时能耗最优却可能造成动力源输出驱动扭矩的突变，使得各电机的状态变化不够平滑从而产生较多的能量损耗，难以实现最优效果。

4、2、目前已开展的分布式驱动稳定性控制的研究往往首先通过横摆力矩控制严格保证车辆的稳定性，这限制了左右侧电机的扭矩分配比，没有考虑侧转矩分配是否会造成电机的能量损耗从而对车辆经济性产生影响。此外，由于稳定性受到严格约束，不能实现稳定性与经济性的动态协调。

5、3、当车辆在加、减速等动态工况下行驶时，目前研究未考虑到由于前后轴载荷变化造成驱动力饱和而引起的轮胎纵向滑移能量耗散问题；同时也没有考虑在此工况下，由于扭矩不合理分配可能导致车轮抱死而出现的安全性问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是利用轮胎纵向滑移率与车轮驱动扭矩的动力学模型，得到本发明中mpc控制器的预测模型，设计多个代价函数以及调节权重将总驱动扭矩分配给三个驱动电机，设计了前轴电机和两个后轴驱动电机的驱动扭矩约束，保障行驶安全性，最后设计性能评价指标函数的实现三电机四驱电动汽车能耗优化的扭矩分配控制方法。

2、本发明的步骤是：

3、s1、利用轮胎滑移率与车轮驱动扭矩的动力学模型，得到基于能耗优化mpc控制器的预测模型，其状态变量由四个车轮滑移率组成，控制量为驱动轮扭矩；

4、①根据期望纵向车速计算出驾驶员总扭矩需求指令：

5、（1）

6、其中，，为pi控制器参数，，分别为跟踪参考纵向速度以及车辆纵向速度；

7、②通过跟踪车辆质心侧偏角和横摆角速度期望值求解出使车辆稳定驾驶的横摆力矩；

8、s2、获得能耗优化mpc控制器的预测模型

9、①将稳态轮胎滑移率定义为：

10、（2）

11、其中，为轮胎转速，为车轮滑移率，其中分别代表左前轮、右前左后轮和右后轮，轮胎有效半径；

12、纵向力与轮胎滑移率正相关，纵向力的线性表示为：

13、（3）

14、式中、分别为第 i个轮胎的纵、垂向力，为转动惯量；

15、推得车轮滑移率与车轮扭矩关系的动力学模型如下：

16、（4）

17、考虑到，上式写为：

18、（5）；

19、②控制器设计：预测模型的状态变量由四个车轮滑移率组成，控制量为驱动轮扭矩，预测模型如下：

20、（6）

21、其中，，该系统的状态向量定义为：

22、，控制量为四个驱动轮输出扭矩：，其中为前轴电机输出驱动扭矩，为前轴电机到左右两侧车轮的驱动扭矩的分配系数；

23、预测模型根据欧拉方程进行离散化，设为采样时间，得到离散后的预测模型为：

24、（7）

25、其中，；

26、将总驱动扭矩分配给各个车轮，使各车轮的最小，满足总驱动力；而由左右两侧驱动力产生的差异，满足了所需的横摆力矩，各轮驱动力与总驱动扭矩，以及的关系如下：

27、（8）；

28、s3、设计4个代价函数，具体如下：

29、第一个目标函数：

30、（9）

31、其中，为左右轮距，，为权重系数；

32、第二个目标函数：

33、（10）

34、最小化轮胎滑移功率损失，设计的目标函数如下：

35、（11）

36、第三个目标函数：

37、（12）

38、其中，纵向滑移的边界约束值，、为权重因子；

39、第四个目标函数：

40、将电机效率写成转矩的函数，使用六阶多项式对电机map数据进行拟合，六阶多项式写成：

41、（13）

42、其中，为拟合后的电机效率，为拟合系数，为电机转矩；

43、当电机处于驱动模式时目标函数为：

44、（14）

45、电机处于制动能量回收模式时目标函数为：

46、（15）

47、受电机自身负载限制，对三个电机输出驱动扭矩的上下限约束如下：

48、（16）

49、即可得到控制量约束：

50、（17）

51、得到目标函数如下：

52、（18）

53、s4、在前后轴的驱动扭矩分配时，应使得使前轴驱动扭矩不大于后轴驱动扭矩，设计控制器约束，即：

54、（19）

55、前轴单电机为前轴左右两轮提供动力，约束前轴控制量同时输出驱动力或制动力即：

56、（20）

57、通过扭矩分配避免后轮抱死，使，以免造成车辆侧滑，对驾驶员安全构成威胁，控制器约束如下：

58、（21）

59、将前后轴制动力约束在理想i曲线和ece法规下限之间，保证制动过程的稳定：

60、（22）

61、即

62、（23）

63、其中， l为前轴到后轴的距离，是质心高度， g是重力加速度；

64、求解的带约束问题如下：

65、（24）

66、优化求解上述目标函数，得到控制量为车轮驱动扭矩；

67、s5、从操纵稳定性、电机节能性能、轮胎滑移能量损耗和纵向车速跟踪四个方面设计了性能指标评价函数；

68、①操纵稳定性：

69、（25）

70、②电机节能性能：

71、（26）

72、③轮胎滑移能量损耗：

73、（27）

74、④纵向车速跟踪性能：

75、（28）。

76、本发明的有益效果是：

77、1. 本发明基于模型预测控制设计能量管理策略，利用六次多项式，对电机能效map图进行拟合，通过滚动优化将实时反馈的电机驱动状态变化考虑在内，在线求解各电机的高效率工作点，分配扭矩使前轴电机和两个后轮轮毂电机都尽可能运行在其最优效率区，该策略不受工况限制，可以最小化电机的能量损失，且兼顾实时性和经济性；

78、2. 本发明考虑多种动态工况，对于车辆转弯以及加减速情况下前后轴载荷传递变化而造成车轮过度滑动现象，设计车轮滑移功率损失矩阵以及惩罚矩阵，抑制由于车轮滑移产生的能量损失，同时避免在加速、制动情况下车辆因轴荷改变所带来的安全隐患，设置了相应约束进行限制；

79、3. 本发明为了实现更好地稳定性和经济性协调控制，在满足总驱动扭矩的需求下，并没有在横摆稳定控制中严格的静态分配附加横摆力矩，而是设计代价函数使各动力源在扭矩分配的过程中产生合理的横摆力矩以确保稳定性的同时使前轴电机以及两个后轮轮毂电机都尽可能在高效率区工作，在不影响操纵稳定性的前提下最大程度地实现了车辆节能目标。