[发明专利]一种前后独立驱动四驱电动汽车的转矩分配及驱动防滑协调控制方法

权利要求书

1.一种前后独立驱动四驱电动汽车的转矩分配及驱动防滑协调控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：搭建整车动力学及各部件模型，包括车辆动力学模型、驾驶员模型、电机模型和电池模型；

构建车辆动力学模型：根据车辆动力学原理，构建整车驱动-行驶平衡方程：

式中：T_req表示前后电机所发出的总驱动转矩，单位为Nm；i₀表示主减速比；η_t表示系统的传动效率；r为车轮半径，单位为m；M表示整车整备质量，单位为kg；g为重力加速度；f表示滚动阻力系数；ρ表示空气密度，单位为kg/m³；C_d表示空气阻力系数；A表示迎风面积，单位为m²，v表示车辆质心速度，单位为m/s，δ表示旋转质量转换系数；α表示坡度角，单位为°；

由牛顿运动定律和刚体转动微分方程，得出汽车动力学方程：

式中：F_x表示地面对车辆的总驱动力，单位为N；J表示车轮转动惯量，单位为kg/m²；ω_i表示车轮i的角速度，单位为rad/s，其中i∈{L1,L2,R1,R2}，L1、L2、R1、R2分别表示汽车左前轮、左后轮、右前轮、右后轮；T_i表示车轮i的驱动力矩，单位为Nm；F_xi表示车轮i的纵向驱动力，单位为N；

构建驾驶员模型：采用PID控制来模拟驾驶员操作，以目标车速和实际车速作为控制输入，踏板开度作为输出信号；PID控制算式为：

其中，

e_v＝v_ref-v (5)

e_out＝y_sat-y (6)

式中：K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，K_aw为抗饱和系数，v_ref为目标车速；y表示踏板开度，踏板开度为正时表示加速，踏板开度为负时表示减速，y_sat为输出y的限制边界；

由于车辆总需求转矩与踏板开度成正相关，则定义踏板开度与总需求转矩的变化关系如下：

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)表示转速为n_m时前后电机所能提供的最大转矩之和，单位为Nm；T_{max_mf}(n_m)表示转速为n_m时前电机所能发出的最大转矩，单位为Nm；T_{max_mr}(n_m)表示转速为n_m时后电机能发出的最大转矩，单位为Nm；

构建电机模型：考虑到电机响应具有一定延迟，采用惯性环节表示电机响应特性：

式中：T_m表示电机输出转矩，单位为Nm；T_cmd表示电机的目标转矩，单位为Nm；T_c为时间常数；s为复变量；

电机、减速器、车轮之间通过齿轮啮合传递动力，则对于单个电机而言，其转速、转矩和功率的转换关系为：

式中：n_m为电机转速，单位为rpm；P_{m_out}为电机输出功率，单位为W；P_{m_in}为电机输入功率，单位为W；η_m(T_m,n_m)为电机在相应转矩和转速下的工作效率；

构建电池模型：假设：

(1)内阻恒定；

(2)电池组的电动势恒定；

(3)电池组环境温度稳定；

(4)电池组充放电效率为1；

电池组功率为：

P_b＝P_{m_in}＝EI-I²R₀ (13)

式中：P_b表示电池组的充放电功率，单位为W；E表示电池组的电动势，单位为V；I为充放电电流，单位为A；R₀表示等效内阻，单位为Ω；

对式(13)求解，得出充放电电流为：

电池组荷电状态为：

式中：SOC_initial为电池组初始电荷状态；SOC(t)为时间t时的电荷状态；C_b为电池组额定容量，单位为Ah；

S2：构建基于经济性的转矩分配控制策略，具体包括：前后电机的输出转矩之和应满足驾驶员需求，则总需求转矩为：

T_req＝T_mf+T_mr (16)

式中：T_mf为前电机转矩，单位为Nm；T_mr为后电机转矩，单位为Nm；

前后电机转矩分别表示为：

T_mf＝k·T_req (17)

T_mr＝(1-k)·T_req (18)

式中：k为前电机转矩占总需求转矩的比例；

构造电机驱动条件下的成本函数J为：

式中：n_mf、n_mr分别为前后电机转速，单位为rpm；

因电机转速应小于等于其峰值转速，且转矩应不超过各自的峰值转矩，则提出以下约束：

首先分别离线求解出全工况下满足经济性最优的转矩分配比，然后以表格的形式储存，每次控制器工作时直接查表取值；当J取得最小值时，最佳转矩分配结果表示为：

T_{mf_opt}＝k_opt·T_req (21)

T_{mr_opt}＝(1-k_opt)·T_req (22)

式中：T_{mf_opt}为前电机经济性最优转矩，单位Nm；T_{mr_opt}为后电机经济性最优转矩，单位Nm；k_opt为最优转矩分配比；

S3：构建驱动防滑控制策略，具体包括：车辆在行驶过程中，车轮滑移率λ为：

式中：ω为车轮的角速度，单位为rad/s；

实际滑移率与最佳滑移率的误差e表示为：

e＝λ-λ₀ (24)

式中：λ₀为最佳滑移率；

介于滑模控制的抗干扰特性，采用滑模控制方法来处理车轮的滑移问题；对切换函数m进行如下定义：

m＝e+c∫edt (25)

式中：c为常数；

采用趋近律如下：

式中：ε为控制增益；

将(25)式代入(26)式得：

由公式(2)、(3)、(27)得：

引入稳定性条件对m不同取值情况分别进行讨论：

当m为正值时：

当m为负值时：

式中，β为常数，且β0；

采用饱和函数代替符号函数，饱和函数表达式如下：

式中：为边界层厚度；

此时控制输入表示为：

由于车辆的前后电机分别独立进行控制，则前后电机的输出转矩表示为：

式中：T_{mf_safe}、T_{mr_safe}分别为适应路面条件的前后电机转矩，单位为Nm；λ_f、λ_r分别为前后轮实际滑移率；ω_f、ω_r分别为前后轮角速度，单位为rad/s；c_f、c_r是常数；λ_f0、λ_r0分别为前后轮的最佳滑移率；ε_f、ε_r为前后轮的控制增益，m_f、m_r分别为前后轮滑移率所对应的切换函数；

S4：构建转矩分配及驱动防滑协调控制策略，具体包括：在车辆行驶时，基于经济性的转矩分配控制器和驱动防滑控制器会同时工作，分别得到汽车基于经济性和安全性行驶所需要的前后电机转矩，然后通过协调控制策略决策出前后轴的最佳驱动转矩；在控制器中定义全局变量Mode，有Mode＝1,2,3,4；由于前后电机分别独立控制，所以控制系统中存在两个全局变量Mode_f、Mode_r，且它们的取值不一定相同；

对变量Mode取值的含义：

(1)Mode＝1，该模式下，以整车经济性最优为首要目标，电机的输出转矩为：

T_m∈{T_{mf_opt},T_{mr_opt}} (38)

(2)Mode＝2，该模式下，电机转矩受到控制，使车轮实际滑移率趋近于最佳滑移率，电机的输出转矩为：

T_m∈{T_{mf_safe},T_{mr_safe}} (39)

(3)Mode＝3，若前后电机的经济性最优转矩差异较大或为单电机驱动，且前后轮均处于低附着系数的路面时，对驱动转矩较小的轴实施补偿策略，提高整车的动力性，此时电机输出转矩为：

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

式中，ΔT为补偿转矩，单位为Nm；

(4)Mode＝4，该模式下，整车动力性为第一优先级，当前后轮处于对接路面时，为满足驾驶员需求，使处在良好路面的轴来弥补驱动转矩的不足，以保障整车的动力性不受影响；电机的输出转矩为：

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