电动车辆驱动力矩与制动力矩优化分配方法

摘要

一种四轮独立驱动与独立制动电动车辆驱动力矩与制动力矩优化分配方法，考虑能量回馈效率、横摆稳定性需求力矩

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于四轮独立驱动与独立制动电动车辆横向稳定性控制时的驱动力矩 与制动力矩的分配方法，属于电动车辆控制技术领域。

背景技术

四轮独立驱动与独立制动电动车辆与内燃机车辆、单电机中央驱动型电动车辆、两轮独 立驱动电动车辆等相比，在底盘结构、模块化设计、整车动力学控制等方面有其独特优势。 能量回馈制动技术是电动车辆增加续航里程、提高能量利用效率的关键手段之一。由于四个 车轮的驱动力矩与制动力矩可以独立控制，为此需要根据车辆稳定性控制器的输出需求，在 各个车轮间进行驱动力矩与制动力分配（一次分配），另外由于电机回馈制动力矩有限，需要 保留原有的机械制动系统，为此需要把每个车轮上的需求制动力矩在电机回馈制动系统与机 械制动系统之间进行分配（二次分配）。

现有电动车辆的驱动力矩与制动力矩分配上，普遍采用“层次式”的两次分配方法：第 一层，根据车身横向稳定控制器输出的横摆力矩需求M_des，在四个车轮间进行驱动与制动力 矩的一次分配；第二层，在一次分配的结果上，在单个车轮上进行回馈制动力矩与机械制动 力矩的二次分配。第一层的一次分配方法有两种：（1）采用驱（制）动外前轮、制（驱）动 内后轮的方法进行分配，且这两个车轮上的力矩指令数值大小相等（或按照车轮垂向载荷大 小比例进行分配）；（2）驱动左（右）侧车轮、制动右（左）侧车轮，且这两侧车轮上的力矩 指令数值大小相等（或按照车轮垂向载荷大小比例进行分配）。二次分配方法是：对于制动轮， 首先使用电机回馈制动力矩，当电机的回馈制动力矩不满足要求时，再使用机械制动力矩， 以此来提高能量回馈效率。

上述四轮独立驱动与独立制动电动车辆的驱动力矩与制动力矩分配的一次分配过程中没 有考虑能量回馈效率，能量回馈效率较低。

发明内容

本发明针对现有四轮独立驱动与独立制动电动车辆的驱动力矩与制动力矩分配方法存在 的不足，提出一种适用于四轮独立驱动与独立制动的电动车辆驱动力矩与制动力矩优化分配 方法，该方法在维持车辆横向稳定性的同时能取得更高能量回馈效率。

本发明的电动车辆驱动力矩与制动力矩优化分配方法，包括以下步骤：

（1）计算当前各轮胎与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力F_{x_i},i=1,2,3,4的范围 [F_{xmin_i},F_{xmax_i}],i=1,2,3,4，其中i表示车轮标号，F_{xmin_i}和F_{xmax_i}为第i个车轮与地面间沿着轮胎 滚动方向的附着力下界和上界；

（2）计算当前各个车轮与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩M时的对应 力臂L_i,i=1,2,3,4；

（3）确定当前轮胎与地面间的附着力F_{x_i}能够形成的横摆力矩M范围[M_min,M_max]，最 小值$M_{\min }=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{F}_{x\min \_i}{L}_i,i=\mathrm{1,2,3,4},$最大值$M_{\max }=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{F}_{x\max \_i}{L}_i,$i=1,2,3,4；

（4）如果车身横向稳定控制器的横摆需求力矩M_des∈[M_min,M_max]，考虑各车轮与地面 间的附着力形成横摆力矩时的力臂因素以及地面与轮胎间附着力限制因素，按照最大限度使 用制动力矩与最小限度使用驱动力矩的原则，采用线性规划方法进行驱动力矩与制动力矩分 配，得到期望作用于车轮的力矩指令T_i,i=1,2,3,4，T_i<0表示制动力矩，T_i>0表示驱动力矩。

步骤（4）的具体过程是：

①将“最大限度使用制动力矩与最小限度使用驱动力矩”原则描述为下式：

minJ=T₁+T₂+T₃+T₄   (1)；

②将“考虑车辆横摆力矩需求控制量M_des，考虑各车轮与地面间的附着力形成横摆力 矩时的力臂因素”描述为下式：

$M_{\mathrm{des}}=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{T}_i{L}_i/R---\left(2\right),$

式中：T_i是作用于车轮的力矩指令；L_i是各个车轮与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力 形成横摆力矩M时的对应力臂；R为轮胎滚动半径；

③将“考虑地面与轮胎间附着力限制”描述为下式：

$F_{x\min \_i}\le \frac{T_i}{R}\le F_{x\max \_i}---\left(3\right);$

式中：F_{xmin_i}和F_{xmax_i}为第i个车轮与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力下界和上界；

④将式（1）、（2）、（3）认为是线性规划问题，写为下式：

$\left(\begin{array}{c}\min J=T_1+T_2+T_3+T_4\\ s.t.M_{\mathrm{des}}=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{T}_i{L}_i/R\\ F_{x\min \_i}\le \frac{T_i}{R}\le F_{x\max \_i}\end{array}\right)---\left(4\right)$

⑤采用单纯形法对式（4）进行求解计算，得到各个车轮上的力矩指令T_i,i=1,2,3,4。

如果车身横向稳定控制器的横摆力矩需求力矩则采用现有普遍采 用的“层次式”的驱动力矩与制动力矩分配（一次分配）方法进行分配。

本发明特点在于，在满足车身横向稳定控制器的横摆力矩需求力矩M_des需求的情况下， 对原有的一次分配方法进行改进。考虑地面与轮胎间附着力限制，考虑各车轮与地面间的附 着力形成横摆力矩时的力臂因素，按照最大限度使用制动力矩、最小限度使用驱动力矩原则， 使用线性规划方法，进行驱动力矩与制动力矩一次优化分配，提高能量回馈效率。

具体实施方式

本发明的电动车辆驱动力矩与制动力矩优化分配方法，适用于四轮独立驱动与独立制动 的电动车辆，考虑能量回馈效率、横摆稳定性需求力矩M_des、轮胎与地面间附着力限制，使 用线性规划方法进行驱动力矩与制动力矩分配，具体包括以下步骤：

1．计算当前各轮胎与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力范围F_{x_i},i=1,2,3,4的范围 [F_{xmin_i},F_{xmax_i}],i=1,2,3,4。

F_{xmin_i}和F_{xmax_i}为第i个车轮与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力的下界和上界，可使用 公知方法获得(参见文献：①Eiichi Ono,et al,Estimation of tire grip margin using  electric power steering system[J].Vehicle System Dynamics,2004,vol.41,sup: 421-430；②小野英一等,《使用电子助力转向系统估计轮胎附着力极限》[J],《车辆系统动 力学》杂志,2004,vol.41,sup:421-430；③Yasui Yoshiyuki,et al,Estimation of lateral  grip margin based on self-aligning torque for vehicle dynamics enhancement[J].SAE  Paper,No.2004-01-1070；④安井善行等,《车辆动力学控制中基于自回正力矩的轮胎侧向 附着力极限估计》[J]，SAE论文,No.2004-01-1070）。

2．计算各个车轮与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力F_{x_i},i=1,2,3,4形成横摆力矩时的对 应力臂L_i,i=1,2,3,4

车辆底盘结构尺寸（轮距、轴距、几何中心）已知，车轮转向角度可以通过编码器等角 度传感器测量，则车轮与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力F_{x_i},i=1,2,3,4形成横摆力矩时的 对应力臂L_i,i=1,2,3,4可通过公知的几何方法计算。

3．确定轮胎与地面间附着力可形成的横摆力矩范围[M_min,M_max]

在步骤2和步骤3的基础上，可以得到轮胎与地面间附着力可形成的横摆力矩的最小值 $M_{\min }=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{F}_{x\min \_i}{L}_i,i=\mathrm{1,2,3,4},$和最大值$M_{\max }=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{F}_{x\max \_i}{L}_i,$i=1,2,3,4。

4．如果车身横向稳定控制器的横摆需求力矩M_des∈[M_min,M_max]，考虑车辆横摆力矩需 求控制量M_des、地面与轮胎间附着力限制以及各车轮与地面间的附着力形成横摆力矩时的力 臂因素，以最大限度使用制动力矩与最小限度使用驱动力矩为原则，进行回馈制动力矩与机 械制动力矩分配，得到期望作用于车轮的力矩指令T_i,i=1,2,3,4（T_i<0表示制动力矩，T_i>0表 示驱动力矩）。

上述问题可用数学表达式描述如下：

①“最大限度使用制动力矩与最小限度使用驱动力矩原则”描述为下式（1）。

minJ=T₁+T₂+T₃+T₄   (1)

②“考虑车辆横摆力矩需求控制量M_des，各车轮与地面间的附着力形成横摆力矩时的 力臂因素”描述为下式（2）。

$M_{\mathrm{des}}=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{T}_i{L}_i/R---\left(2\right)$

式中R为轮胎滚动半径。

③“考虑地面与轮胎间附着力限制”描述为下式（3）。

$F_{x\min \_i}\le \frac{T_i}{R}\le F_{x\max \_i}---\left(3\right)$

式（1）、（2）、（3）可认为是线性规划问题，可写为下式（4）：

$\left(\begin{array}{c}\min J=T_1+T_2+T_3+T_4\\ s.t.M_{\mathrm{des}}=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{T}_i{L}_i/R\\ F_{x\min \_i}\le \frac{T_i}{R}\le F_{x\max \_i}\end{array}\right)---\left(4\right)$

采用单纯形法对式（4）进行求解计算，可得到各个车轮上的力矩指令T_i,i=1,2,3,4。

如则采用现有“层次式”的一次分配方法进行分配。

本发明的方法可以在ECU中通过软件编程实现。