CN104709115B - 用于转弯节能的转矩轮间分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于转弯节能的转矩轮间分配方法，包括以下步骤：步骤一、通过传感器测量得到汽车的行驶速度、转向盘转角以及横摆角速度；步骤二、计算出两驱动轮之间的差动转矩；步骤三、保持汽车需求驱动转矩不变，为左右两个驱动轮分配不同的转矩。本发明在保证汽车不失稳的前提下，当车辆有转向盘转角输入进入转向过程后，通过左右轮驱动转矩的重新分配产生内外侧车轮的转矩差，从而产生正横摆力矩，在使车辆完成与无控制时相同的转弯半径行驶的前提下，减小转弯阻力，减小转弯时车速的下降程度，避免了由于转弯阻力导致车速降低后驾驶员增加动力输出导致的额外功率消耗。

Description

用于转弯节能的转矩轮间分配方法

技术领域

本发明涉及汽车转弯时车轮转矩分配方法，特别涉及一种用于转弯节能的转矩轮间分配方法。

背景技术

各轮独立驱动汽车是指各个驱动轮能够独立输出驱动转矩，即转矩可以在各个驱动轮之间按照控制规律任意分配。此类汽车能够实现很好的操纵稳定性、动力性及其通过性，并具备相当的驾驶机动性和驾驶乐趣，是高性能运动型汽车普遍采用的驱动形式。此外，各轮独立驱动不限于动力源的形式，可以是传统内燃机驱动，亦可是混合动力驱动或纯电动驱动，例如，采用轮毂电机或轮边电机实现独立驱动的电动轮驱动系统就是现今各轮独立驱动汽车的典型代表，他代表着未来电动汽车的发展趋势。譬如，本田SH-AWD超级四轮独立驱动、奥迪运动型差速器等传统动力源下的各轮独立驱动系统，以及如三菱Colt EV、Keio Eliica、Mini QED等电动轮独立驱动样车都是各轮独立驱动技术应用的典型代表。

目前针对电动轮转矩独立分配方法方面，主要集中以电子驱动防滑控制、直接横摆力偶矩控制为目的的各轮转矩分配等方面。由于各轮独立驱动汽车各轮转矩独立可控，转速和转矩又易于获得，且电机响应快、控制准确，因此在驱动防滑控制与传统车相比有明显的优势。同时由于其各电机转矩独立可控，可通过对内外侧车轮施加不等的驱动转矩产生直接横摆力矩，提高车轮的操纵稳定性和转弯机动性。目前针对电动汽车节能控制，普遍是基于对电机工作点的调节，使之工作在高效区，或者考虑再生制动对经济性的贡献。然而，车辆在转弯时由于车轮转角和轮胎侧偏角的缘故，其前轮侧向力将产生一个沿着车身纵轴线的反力，从而导致车辆无故降低车速，增加了能量消耗。研究发现，针对电动轮独立驱动汽车在转弯时，可通过合理分配轮间转矩使其转弯阻力减小，从而进一步提高整车经济性。

发明内容

本发明提供了一种用于转弯时汽车的转矩轮间分配方法，其目的是减小转弯时车辆的能耗，在不增加功率的情况下，提高了过弯速度。

本发明提供的技术方案为：

一种用于转弯节能的转矩轮间分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过传感器测量得到汽车的行驶速度V、转向盘转角δ_sw以及横摆角速度

步骤二、使用如下公式，计算出两驱动轮之间的差动转矩

其中，m为车辆质量；V为行驶速度；δ_sw为转向盘转角；r_w为车轮滚动半径；i_s为转向系统角传动比；l为汽车轴距；l_r为质心至后轴的距离；d_T为汽车轮距；

步骤三、保持汽车需求驱动转矩不变，并根据如下公式，为两个驱动轮分配不同的转矩

T_o＝0.5(T_req+ΔT)

T_i＝0.5(T_req-ΔT)

其中，T₀为转弯时外侧驱动轮的转矩，T_i转弯时内侧驱动轮的转矩，T_req为汽车需求驱动转矩。

优选的是，步骤一中，将汽车的行驶速度范围和转向盘转角的范围进行离散，得到若干级数的速度V(i),i＝1...I和若干级数的转角δ_sw(j),j＝1...J，并将当前实际车速V和转向盘转角δ_sw取整到最接近的级数。

优选的是，将汽车行驶速度范围0～V_max离散化为等差数列V(i),i＝1...I，公差为10km/h，即V(1)＝0km/h，V(2)＝10km/h，……，V(I)＝[V_max]，其中并且当V(i)≤V＜V(i+1)时，令V＝V(i)。

优选的是，将转向盘转角的范围0～δ_{sw_max}离散化为等差数列δ_sw(j),j＝1...J，公差为10°，即δ_sw(1)＝0°，δ_sw(2)＝10°，……，δ_sw(J)＝[δ_{sw_max}]，其中并且当δ_sw(j)≤δ_sw＜δ_sw(j+1)时，令δ_sw＝δ_sw(j)。

优选的是，步骤二中，计算两驱动轮之间的差动转矩之前，先利用如下公式计算侧向加速度

并判断侧向加速度是否大于0.6g，其中，g为重力加速度；

若是，则令两驱动轮之间的差动转矩ΔT＝0，并进行步骤三；

若否，则继续进行步骤二。

优选的是，步骤二中，计算得到两驱动轮之间的差动转矩后，利用如下公式计算理想横摆角速度

其中，K_w为汽车稳定性因数；

并判断横摆角速度是否大于理想横摆角速度

若否，则保持计算得到两驱动轮之间的差动转矩ΔT不变；

若是，则表明上一控制周期引入的差动转矩使汽车处于转向过度，故利用如下公式对差动转矩进行修正

其中ΔT(h-1)为上一控制周期输出的差动转矩，ΔT(h)为本次控制周期计算得到的差动转矩，h为控制周期次序号，P为比例系数。

优选的是，步骤二中计算得到差动转矩ΔT后，判断ΔT是否大于汽车最大输出转矩T_max；若是，则令ΔT＝T_max；若否则维持ΔT不变。

优选的是，其特征在于，右转弯时，分配给左右驱动轮的转矩分别为

T_rl＝T₀＝0.5(T_req+ΔT)

T_rr＝T_i＝0.5(T_req-ΔT)

其中，T_rl为左驱动轮的转矩，T_rr为右驱动轮的转矩。

优选的是，左转弯时，分配给左右驱动轮的转矩分别为

T_rr＝T₀＝0.5(T_req+ΔT)

T_rl＝T_i＝0.5(T_req-ΔT)

其中，T_rl为左驱动轮的转矩，T_rr为右驱动轮的转矩。

本发明的有益效果是：

本发明在保证汽车不失稳的前提下，当车辆有转向盘转角输入进入转向过程后，通过左右轮驱动转矩的重新分配产生内外侧车轮的转矩差，从而产生正横摆力矩，在使车辆完成与无控制时相同的转弯半径行驶的前提下，减小转弯阻力，减小转弯时车速的下降程度，避免了由于转弯阻力导致车速降低后驾驶员增加动力输出导致的额外功率消耗。该控制方法不仅适用于传统内燃机驱动的各轮独立驱动汽车，同样适用于由轮毂电机驱动的电动轮独立驱动汽车。

附图说明

图1为本发明所述汽车受力分析图。

图2为本发明所述转矩轮间分配控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，针对电动后轮独立驱动汽车在转弯时，进行受力情况分析。在对车辆进行受力分析时，将电动轮独立驱动汽车简化为二自由度汽车模型。针对前轮21和后轮22的受力情况，可以建立其车辆动力学模型方程如下：

式中，m为车辆质量；J为车辆转动惯量；V为车速；β为质心侧偏角；ψ为横摆角；为横摆角速度；为横摆角加速度；R为车辆转弯半径；δ为前轮转角；l_f为前轴距；l_r为后轴距；F_xf为前轴切向力；F_xr为后轴切向力；F_yf为前轴侧向力；F_yr为后轴侧向力；F_f为车辆滚动阻力；F_w为车身风阻。

又因为向心加速度可表示为：

假设车辆当前为静态工况，即匀速圆周行驶。基于上述假设，同时就有和则由式(1)-式(4)可知全部车轮上的切向力之和为：

去除和直线行驶时相同的轮胎滚动阻力和空气阻力项，那么转弯阻力F_r可以表达如下：

由上式可见，侧向力较小时，侧向力与侧偏角成正比，而侧向力又与侧向加速度成正比。所以，转弯阻力与侧向加速度成二次方关系，与车速成四次方关系。转弯阻力将导致汽车加速踏板开度不变的前提下入弯时，汽车阻力增加、车速自动下降。为了维持不变的过弯速度，必然导致驾驶员过弯时增加加速踏板开度，于是导致额外功率消耗。

如果汽车行驶在弯道时，引入左右驱动轮的差动力ΔF_{x_r}带入动力学平衡方程，可以求得此时的转弯阻力为：

由此可见，差动驱动力的引入减小了转弯阻力的大小，在确保稳定性的前提下适当的提高外后轮驱动转矩，减小内后轮驱动转矩可以明显减小转弯的阻力，从而节省了驱动能量或功率。

转弯节能转矩分配控制主要在汽车中低速稳态转弯时工作，此时质心侧偏角β远小于前轮转角δ，故为了简化控制，根据式7简化计算左右后轮差动转矩ΔT：

式中，m为车辆质量；V为车速；δ_sw为转向盘转角；r_w为车轮滚动半径；i_s为转向系统角传动比；l为汽车轴距；l_r为质心至后轴的距离；d_T为汽车轮距。该式中除了汽车基本参数m、r_w、i_s、l、l_r、d_T以外，其余V和δ_sw均为现有汽车上比较容易测量获得的参数，V可以通过汽车总线获得数据，由于转弯节能控制对于车速准确度要求不高，故V也可以从汽车仪表获得；δ_sw可以通过具备电动助力转向功能或ESP电子稳定控制功能的汽车上布置在转向轴上的转向盘转矩转角传感器获得。上述方法降低了转矩分配控制算法对汽车硬件设备的需求。

电机的工作点的频繁变动将影响电机机械效率，故左右后轮差动转矩ΔT_r变化不大时，应尽可能避免电机工作点变化，即维持左右后轮差动转矩ΔT_r恒定。故为了减少左右后轮差动转矩ΔT_r的波动，依据式8计算时，应首先以等差数列把采集到的车速信号和转向盘转角信号离散化，从而降低了左右后轮差动转矩ΔT_r的波动的灵敏度。

如图2所述，本发明所述转矩轮间分配控制方法流程如下：

首先，获取汽车的基本参数，包括车辆质量m、车轮滚动半径r_w、转向系统角传动比i_s、汽车轴距l、质心至后轴的距离l_r、汽车轮距d_T，并通过总线或传感器获取汽车的行驶速度V、转向盘转角δ_sw以及横摆角ψ。

其次，将汽车的行驶速度范围和转向盘转角的范围进行离散，并将当前实际车速V和转向盘转角δ_sw取整到最接近的级数。根据汽车行驶工况和结构特征确定车速的变化范围0～V_max，将其离散为公差为10km/h的等差数列V(i),i＝1...I，即V(1)＝0km/h，V(2)＝10km/h，……，V(I)＝[V_max]，其中确定转盘的转角范围0～δ_{sw_max}并将其离散为公差为10°的等差数列δ_sw(j),j＝1...J，即δ_sw(1)＝0°，δ_sw(2)＝10°，……，δ_sw(J)＝[δ_{sw_max}]，其中并且当V(i)≤V＜V(i+1)时，令V＝V(i)；当δ_sw(j)≤δ_sw＜δ_sw(j+1)时，令δ_sw＝δ_sw(j)。

然后，计算侧向加速度。采用如下公式

初步计算侧向加速度的值，并判断其是否大于0.6g，其中，g为重力加速度。如果大于，则表明汽车轮胎进入明显非线性区域，表明汽车存在失稳危险，此时不应在考虑转弯节能，故此时令左右驱动轮转矩差ΔT＝0；

如果侧向加速度不大于0.6g，表明汽车不存在失稳危险，可用如下公式计算理想横摆角速度

其中，K_w为汽车稳定性因数。

判断横摆角速度是否大于理想横摆角速度如果小于，则表明汽车并未有过度转向的现象，此时根据公式8计算左右驱动轮转矩差ΔT；

如果大于，则表明上一控制周期引入的差动转矩使汽车处于转向过度，故应该相应减小输出的差动转矩，即左右轮驱动转矩差ΔT。差动转矩减小的值由实际横摆角速度与理想横摆角速度的差值乘以一比例系数P决定，具体计算公式如下：

其中ΔT(h-1)为上一控制周期输出的差动转矩，ΔT(h)为本次控制周期计算得到的差动转矩，h为控制周期次序号，P为比例系数。

计算得到左右轮驱动转矩差ΔT后将其与轮毂电机最大输出转矩T_max，判断ΔT是否大于T_max，如果是，则将电机最大转矩T_max赋值给ΔT；如果不是，则维持ΔT不变。

最后，保持汽车需求驱动转矩不变，为两个驱动轮分配不同的转矩。两驱动轮的扭矩满足如下关系

T_req＝T_o+T_i

ΔT＝T_o-T_i

其中，T₀为转弯时外侧驱动轮的转矩，T_i转弯时内侧驱动轮的转矩，T_req为汽车需求驱动转矩。通过上述关系式可求得为两个驱动轮分配转矩分别为

T_o＝0.5(T_req+ΔT)

T_i＝0.5(T_req-ΔT)。

综上所述，在车辆右转弯时，分配给左右驱动轮的转矩分别为

T_rl＝T₀＝0.5(T_req+ΔT)

T_rr＝T_i＝0.5(T_req-ΔT)

其中，T_rl为左驱动轮的转矩，T_rr为右驱动轮的转矩。

在车辆左转弯时，分配给左右驱动轮的转矩分别为

T_rr＝T₀＝0.5(T_req+ΔT)

T_rl＝T_i＝0.5(T_req-ΔT)

其中，T_rl为左驱动轮的转矩，T_rr为右驱动轮的转矩。

本发明所述的转矩分配方法，在确定左右驱动轮转矩差ΔT以及执行差动驱动的过程中，充分考虑汽车是否有失稳的危险，如果汽车稳定性难以保证，转弯节能转矩分配就没有意义。故转弯节能转矩分配过程要在汽车中低速稳定转弯过程中实施。本发明是针对后轮轮独立驱动车辆适用的一种转矩轮间分配控制方法。通过对于车辆转弯过程中的运动学特性的分析，在车辆转弯过程中的转矩轮间分配控制，可使车辆在转弯过程中减小车速降幅，从而使出弯后的加速过程变短，加速需求降低，最终达到在实际转弯驾驶过程中的节能效果。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种用于转弯节能的转矩轮间分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过传感器测量得到汽车的行驶速度V、转向盘转角δ_sw以及横摆角速度

将汽车的行驶速度范围和转向盘转角的范围进行离散，得到若干级数的速度V(i),i＝1...I和若干级数的转角δ_sw(j),j＝1...J，并将当前实际车速V和转向盘转角δ_sw取整到最接近的级数；将汽车行驶速度范围0～V_max离散化为等差数列V(i),i＝1...I，公差为10km/h，即V(1)＝0km/h，V(2)＝10km/h，……，V(I)＝[V_max]，其中并且当V(i)≤V＜V(i+1)时，令V＝V(i)；

步骤二、使用如下公式，计算出两驱动轮之间的差动转矩

$\mathrm{\Δ}T={\mathrm{mV}}^2\frac{{\mathrm{\δ}}_{sw}{l}_r{r}_w}{i_s{d}_{T}l}$

其中，m为车辆质量；V为行驶速度；δ_sw为转向盘转角；r_w为车轮滚动半径；i_s为转向系统角传动比；l为汽车轴距；l_r为质心至后轴的距离；d_T为汽车轮距；

步骤三、保持汽车需求驱动转矩不变，并根据如下公式，为两个驱动轮分配不同的转矩

T_o＝0.5(T_req+ΔT)

T_i＝0.5(T_req-ΔT)

其中，T₀为转弯时外侧驱动轮的转矩，T_i转弯时内侧驱动轮的转矩，T_req为汽车需求驱动转矩。

2.根据权利要求1所述的转矩轮间分配方法，其特征在于，将转向盘转角的范围0～δ_{sw_max}离散化为等差数列δ_sw(j),j＝1...J，公差为10°，即δ_sw(1)＝0°，δ_sw(2)＝10°，……，δ_sw(J)＝[δ_{sw_max}]，其中并且当δ_sw(j)≤δ_sw＜δ_sw(j+1)时，令δ_sw＝δ_sw(j)。

3.根据权利要求2所述的转矩轮间分配方法，其特征在于，步骤二中，计算得到两驱动轮之间的差动转矩后，利用如下公式计算理想横摆角速度

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_r=\frac{{\mathrm{V\δ}}_{sw}}{i_{s}l(1+K_w{V}^2)}$

其中，K_w为汽车稳定性因数；

并判断横摆角速度是否大于理想横摆角速度

若否，则保持计算得到两驱动轮之间的差动转矩ΔT不变；

若是，则表明上一控制周期引入的差动转矩使汽车处于转向过度，故利用如下公式对差动转矩进行修正

$\mathrm{\Δ}T\left(h\right)=\mathrm{\Δ}T(h-1)+P\[\frac{{\mathrm{V\δ}}_{sw}}{i_{s}l(1+K_w{V}^2)}-\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}\]$

其中ΔT(h-1)为上一控制周期输出的差动转矩，ΔT(h)为本次控制周期计算得到的差动转矩，h为控制周期次序号，P为比例系数。

4.根据权利要求3所述的转矩轮间分配方法，其特征在于，步骤二中计算得到差动转矩ΔT后，判断ΔT是否大于汽车最大输出转矩T_max；若是，则令ΔT＝T_max；若否则维持ΔT不变。

5.根据权利要求1-4中任一项所述转矩轮间分配方法，其特征在于，右转弯时，分配给左右驱动轮的转矩分别为

T_rl＝T₀＝0.5(T_req+ΔT)

T_rr＝T_i＝0.5(T_req-ΔT)

其中，T_rl为左驱动轮的转矩，T_rr为右驱动轮的转矩。

6.根据权利要求1-4中任一项所述转矩轮间分配方法，其特征在于，左转弯时，分配给左右驱动轮的转矩分别为

T_rr＝T₀＝0.5(T_req+ΔT)

T_rl＝T_i＝0.5(T_req-ΔT)

其中，T_rl为左驱动轮的转矩，T_rr为右驱动轮的转矩。