CN108674254A - 一种基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法，包括：获取汽车参数并且得到左右两侧车身需求转矩差值，对左侧或右侧车身单独施加总转矩差值后，对单侧车身需求转矩是否大于单侧车身所有驱动电机所能输出的最大转矩进行判断，根据目标函数及约束条件进行数据初始优化，对各车轮驱动转矩进行第一次分配；计算各驱动车轮滑转率，拟合电驱动系统损耗特性曲线得到拟合系数；结合所述拟合系数，通过如下优化目标函数再次进行数据优化，得到整车性能最优时的各车轮驱动转矩。

Description

一种基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分 配方法

技术领域

本发明涉及电动轮驱动车辆车轮转矩分配方法，具体涉及一种基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法。

背景技术

在环境污染和能源短缺的双重压力下，各国政府纷纷出台政策支持电动汽车的发展，电动汽车得到了前所未有的发展机会。作为电动车辆的一种，电动轮驱动车辆的各个车轮驱动转矩独立可控，通过驱动转矩在各驱动车轮之间的合理分配，不光可以提高电动车辆的稳定性还可以提高行驶经济性，电动轮驱动车辆也因此得到了越来越多汽车厂商的青睐。电动轮驱动车辆能够实现较好的操纵稳定性、动力性和通过性，并具备相当的驾驶机动性和驾驶乐趣，是未来高性能车辆的理想驱动形式。同时，省去了变速器、差速器等机械结构、底盘结构更加紧凑，这就使得车辆底盘布置更加灵活，车辆内部空间利用率更高，整车成本也更低，代表着未来汽车的发展方向。

目前针对电动轮驱动车辆转矩分配方法的研究主要集中在电子驱动防滑控制、直接横摆力偶矩稳定性控制以及减少驱动系统能量损失等几方面。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。电动轮驱动车辆各车轮驱动转矩独立可控，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。电机在不同的工作点，驱动效率也明显不同，通过合理的分配各个驱动车轮的驱动转矩，还可以提高多个电机的综合工作效率，减少驱动系统的能量损失，从而提高电动车辆的续航里程。但是，目前的研究一般是单独研究稳定性或者经济性，很少能同时兼顾考虑电动轮驱动车辆的稳定性和经济性，追求一种性能的同时必然导致其他性能的恶化，这限制了高性能电动轮驱动车辆的进一步发展。

发明内容

本发明设计开发了一种基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法，本发明的发明目的是通过对车身施加横摆力偶矩，控制车辆达到中性转向，从而实现电动轮驱动车辆横向力控制，在保证车辆横向稳定性的同时减少车辆横向滑移能量损失。

本发明提供的技术方案为：

一种基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法，包括如下步骤：

步骤一、获取汽车参数并且得到左右两侧车身需求转矩差值ΔT；

步骤二、对左侧或右侧车身单独施加总转矩差值ΔT后，对单侧车身需求转矩是否大于单侧车身所有驱动电机所能输出的最大转矩进行判断，从而进行判断单侧车身的需求转矩；

步骤三、根据如下目标函数及约束条件进行数据初始优化，得到车辆不同行驶状态单侧车身的电驱动系统功率损失最小时的轴间转矩分配系数矩阵K(V,T)，对各车轮驱动转矩进行第一次分配：

式中，C_p(T_mi)为对应电驱动系统功率损失；T_dl/dr为对应单侧车身的总需求转矩；

步骤四、计算各驱动车轮滑转率，如果存在驱动车轮滑转率大于门限值λ₀，则进行驱动防滑控制过程；如果各驱动车轮滑转率都没有大于门限值λ₀，则拟合电驱动系统损耗特性曲线得到拟合系数；

步骤五、结合所述拟合系数，通过如下优化目标函数再次进行数据优化，得到整车性能最优时的各车轮驱动转矩：

式中，σ_t为车轮纵向滑移权重系数；C_p(T_mi)为电驱动系统功率损失目标函数；C_t(T_mi)为车轮滑转率控制目标函数；

其中，所述各车轮驱动转矩满足如下车辆总驱动转矩要求和电机外特性约束条件：

优选的是，在所述步骤二中，需求转矩判断包括：

如果单侧车身需求转矩不大于单侧车身所有驱动电机所能输出的最大转矩，则左右两侧车身的需求转矩T_dl和T_dr为

以及

如果单侧车身需求转矩大于单侧车身所有电机所能输出的最大转矩，则需求转矩较大的一侧车身输出电机所能输出的最大转矩T_max(V)和需求转矩较小的一侧车身输出T_d-T_max(V)为

优选的是，在所述步骤三中，通过查表的方式得到左右两侧车身的各自的轴间转矩分配系数K(V,T_dl)和K(V,T_dr)。

优选的是，在所述步骤四中，计算各驱动车轮滑转率包括如下步骤：

根据车辆质心纵向加速度侧向加速度a_y得到在车辆的纵向速度V_x、侧向速度V_y，根据多轴驱动车辆各车轮转角关系计算各车轮转角δ_i，结合横摆角速度值通过下式计算各车轮轮心速度：

得到各驱动车轮轮心速度后，通过下式计算车轮滑转率：

式中，δ_i为第i车轮的转角；B为轮距；l_i为第i车轮所在车轴距离质心的位置；λ_i是当前车轮滑转率；ω_i是当前车轮转动角速度；u_i是当前车轮轮心速度。

优选的是，在所述步骤四中，根据所述驱动防滑控制的惩罚函数以及各车轮驱动转矩需要同时满足的车辆总驱动转矩要求和电机外特性约束得到所述驱动防滑控制过程每一个控制周期各驱动车轮的输出转矩；

其中，所述惩罚函数为

以及

所述约束为

优选的是，在所述步骤四中，拟合电驱动系统损耗特性曲线包括：在电驱动系统万有特性图上对起始点附近正负50Nm区间进行拟合，拟合公式如下：

C_p(T_mi)＝p₂T_mi ²+p₁T_mi+p₀；

式中，p₀、p₁、p₂是对应拟合系数，对照所述万有特性图得到所述拟合系数。

优选的是，在所述步骤五中，通过控制轮胎滑移能耗来控制车轮滑转率；其中，轮胎纵向滑移能量损失为

式中，F_xi为轮胎纵向力；v_xi为车轮纵向滑移速度；n₀为电机转速；T_mi为电机转矩；N为多轴驱动电动车辆的轴数；λ_i为车轮滑转率。

优选的是，在所述步骤五中，当车辆行驶在高附着路面时σ_t＝1；以及

当车辆行驶在低附着路面时，

式中，k定值权重系数；λ_max是车身参数估算到的各驱动车轮滑转率的最大值；λ₀是车轮滑转率门限值。

优选的是，在所述步骤一中，所述转矩差值ΔT计算过程包括：

获取汽车参数，当侧向加速度a_y大于0.6g，则左右两侧车身总驱动转矩差值ΔT＝0；

当侧向加速度a_y不大于0.6g，计算中性转向对应的理想横摆角速度此时，当横摆角速度大于横摆角速度门限值时，则左右两侧车身总驱动转矩差值ΔT＝0；当横摆角速度不大于横摆角速度门限值计算左右两侧车身的需求驱动转矩差值ΔT，ΔT的计算公式为

式中，P为比例系数；I为积分系数；D为微分系数；ω_r为车身横摆角速度传感器测量得到的角速度值；ΔT₀(V,δ_sw)为当前车速、方向盘转角条件下的前馈横摆力偶矩值；

所述理想横摆角速度为

式中，横摆角速度控制过程允许的最大偏差。

优选的是，在所述步骤一中，所述转矩差值ΔT计算过程包括：

获取汽车参数，当侧向加速度a_y大于0.6g，则左右两侧车身总驱动转矩差值ΔT＝0；

当侧向加速度a_y不大于0.6g，计算中性转向对应的理想侧向加速度，再进行计算左右两侧车身的需求驱动转矩差值ΔT，ΔT的计算公式为

ΔT＝P(a_y-a_yl)；

其中，所述理想侧向加速度a_yl为

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：提出整车驱动能耗最优目标函数，该目标函数不但可以实现整车瞬时能耗最优而且还可以起到主动控制车轮滑转率作用，保证车辆的行驶稳定性。提出了轮胎滑移能耗的估算方法，该估算方法不但可以精确估算轮胎滑移能耗，而且工程上比较容易实现。提出了首先左右车身解耦，然后在离线优化的基础上进行在线寻优的优化方法，该优化方法不但可以同时兼顾控制车身横向稳定性控制，而且把全局优化转换为局部优化，在提高优化速度的同时，也保证了优化的准确性。同时，本发明还提出了两种横向力控制方法，通过转矩的定向分配控制车辆达到中性转向，不但可以减少轮胎纵向滑移能耗，而且还提高了车辆横向稳定性裕度。

附图说明

图1为本发明所述基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法中的横向力控制方法实施例1流程图。

图2为本发明所述基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法中的横向力控制方法实施例2流程图。

图3为本发明所述基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法中的纵向力控制方法流程图。

图4为本发明所述基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法中的轴间转矩分配系数MAP图。

图5为本发明所述基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法中的电驱动损耗特性MAP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。

电动轮驱动车辆每个车轮的驱动转矩都是可以独立控制的，因此电动轮驱动车辆相比于传统车辆拥有更多的控制自由度，通过转矩定向分配不光可以实现纵向力控制，还可以实现横向力控制。传统横向力控制一般是通过施加横摆力偶矩跟踪理想横摆角速度实现的，而理想横摆角速度一般是通过线性二自由度车辆模型计算得到。对于线性二自由度模型来说，稳定横摆角速度增益可以通过下式计算得到：

式中，ω_r为横摆角速度；δ为前轮转角；u为车速；L为前后轴轴距；K为稳定性因子，当K＞0时车辆具有不足转向特性，当K＜0时车辆具有过多转向特性，当K＝0时车辆具有中性转向特性，稳定性因子K可以用下式计算得到：

式中，a为前轴轴距；b为后轴轴距；k₁为前轴侧向刚度；k₂为后轴侧向刚度。

由于过多转向车辆在车速较高时转弯容易失去稳定性，传统车辆在设计过程中，一般具有一定的不足转向特性；如果控制电动轮驱动车辆达到线性二自由度车辆模型所决定的理想横摆角速度，电动轮驱动车辆仍然具有传统车辆的不足转向特性，虽然可以保证车辆在车速较高时的行驶稳定性，但是不足转向特性也增加了轮胎侧向滑移能耗，影响了转向系统的指向准确性，同时，降低了驾驶乐趣。

以四轮驱动车辆为例，车辆在转弯行驶过程中，前后轴车轮所提供的侧向力需要满足车辆的侧向加速度要求，车速和转弯半径都确定时应该为定值。当方向盘转角较小时，满足下式：

k_fα_f+k_rα_r＝C；

式中，α_f和α_r为前后轴侧偏角；k_f和k_r为前后轴侧偏刚度；

轮胎横向滑移造成的功率损失可以用下式表示：

P_yloss＝k_fα_f ²u_f+k_rα_r ²u_r；

式中，u_f和u_r为前后轴纵向速度，当前轮转角较小时可以认为u_f＝u_r＝u。

如果假设前后轴轮胎侧偏刚度相等，即k_f＝k_r，此时α_f＝α_r轮胎横向滑移能耗最低；对于满足阿克曼转向原理的车辆来说，前后轴侧偏角相等对应的是中性转向，在非中性转向中α_f≠α_r，在非中性转向中，前后轴侧偏角不相等，不但降低了整车横向稳定性裕度，而且增加了横向滑移能量损失。

对于传统车辆来说，车辆的转弯特性在出厂时已经确定，很难去改变；但是，电动轮驱动车辆不同，电动轮驱动车辆可以通过左右两侧车轮的不等转矩，对车身施加直接横摆力偶矩，从而主动改变车辆的转弯特性。

借助于电动轮驱动车辆可以主动改变车辆转弯特性，本专利提出通过对车身施加横摆力偶矩，控制车辆达到中性转向，从而实现电动轮驱动车辆横向力控制，在保证车辆横向稳定性的同时减少车辆横向滑移能量损失。需要特别注意的是，该横向力控制方法并没有改变车辆本身固有的转向特性，在不对车辆施加横摆力偶矩时该车仍然是原有的不足转向特性车辆。

通过以下两个实施例的任意一种能够对车辆进行横向力控制：

实施例1

如图1所示，通过控制车身横摆角速度实现横向力控制，控制流程包括如下步骤：

步骤一、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，并通过总线或传感器获取汽车的行驶速度V、方向盘转向角δ_sw、横摆角速度以及侧向加速度a_y；

其中，对两轴驱动汽车，汽车轴距l是前后轴的轴距，对于多轴驱动车辆来说参数l为转弯瞬心至汽车纵轴线的垂足距离前轴的距离；汽车轴距l可以根据汽车轴数和转向轴数的以及分布位置通过各轴之间的距离计算得到，具体车型有所差异，可简单根据达到最小转弯半径时的外前轮转角按下式计算得到：

式中，R_min是汽车最小转弯半径，δ_{fo_minR}是汽车达最小转弯半径R_min时的外前轮转角，δ_{sw_minR}是汽车达最小转弯半径R_min时的方向盘转向角；

步骤二、判断侧向加速度a_y是否大于0.6g；其中，g为重力加速度，如果侧向加速度a_y大于0.6g，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，故此时令左右两侧车身总驱动转矩差值ΔT＝0；如果侧向加速度a_y不大于0.6g，则进入步骤三；

作为一种优选，如果没有侧向加速度传感器，侧向加速度a_y也可以通过下式计算得到：

步骤三、计算中性转向对应的理想横摆角速度其中，中性转向时，稳定性因子K＝0，中性转向对应的理想横摆角速度可以通过下式计算得到：

步骤四、判断横摆角速度是否大于横摆角速度门限值式中，横摆角速度控制过程允许的最大偏差；如果横摆角速度大于横摆角速度门限值则表明车辆存在失稳危险，此时不应在考虑转弯节能，故此时令左右两侧车身驱动转矩差值ΔT＝0；如果横摆角速度不大于横摆角速度门限值，则进入步骤五；

步骤五、计算左右两侧车身的需求驱动转矩差值ΔT；横摆角速度是速度量，控制周期较长，为了达到更好的控制效果，左右两侧车身的需求驱动转矩差值ΔT可以通过前馈PID控制器获取，ΔT的计算公式如下：

式中，P为比例系数；I为积分系数；D为微分系数；ω_r为车身横摆角速度传感器测量得到的角速度值；ΔT₀(V,δ_sw)为当前车速、方向盘转角条件下的前馈横摆力偶矩值，前馈横摆力偶矩值可以通过事先的仿真或者实车实验得到，然后通过二维查表的方式提供给前馈PID控制；其中，ΔT₀和ΔT都可正可负。

实施例2

如图2所示，通过控制侧向加速度实现横向力控制，控制流程如下：

步骤一、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、前后轴轴距l；并通过总线或传感器获取汽车的行驶速度V、方向盘转向角δ_sw、横摆角速度以及侧向加速度a_y；

汽车轴距l的定义与实施例1中相同，不再赘述；

步骤二、判断侧向加速度a_y是否大于0.6g；其中，g为重力加速度；如果侧向加速度a_y大于0.6g，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，故此时令左右两侧车身总驱动转矩差值ΔT＝0；如果侧向加速度a_y不大于0.6g，进入步骤三；

步骤三、计算中性转向对应的理想侧向加速度；车速和方向盘转角一定时，不同的稳定性因子K对应不同的转弯半径，从而对应的侧向加速度也不同，控制车辆侧向加速度为中性转向对应的理想侧向加速度，即可控制车辆得到中性转向，车辆在转弯行驶中，中性转向时的理想侧向加速度可以用下式表示：

步骤四、通过下式计算左右两侧车身的需求驱动转矩差值ΔT：

ΔT＝P(a_y-a_yl) (6)

式中，ΔT可正可负；相比于控制横摆角速度达到中性转向，控制侧向加速度达到中性转向的优点是，侧向加速度为加速度量，当横摆力偶矩发生变化时，加速度也随之变化，反应时间短，控制更加方便。

按如图1或图2所示得到车辆横向力控制所需ΔT后，需要最后将整车总驱动转矩和左右两侧车身需求的驱动转矩差分配给多轴驱动电动车辆的各个驱动轮，即需要完成对车辆的纵向力控制；在现有技术中，在进行车辆纵向力控制时一般只是简单地通过如下公式计算得到左右两侧各驱动轮的驱动转矩：

式中，T_d为整车由驾驶员决定的总需求转矩；T_dl和T_dr为左、右两侧车身的各自总需求转矩；T_il和T_ir为左、有两侧每个车轮的驱动转矩指令，其中i,j代表汽车的驱动轴序号，i,j＝1,2,3,,N，且i≠j，N为多轴驱动电动车的轴数，N≥2；

上式(7)是最简单的转矩分配方法，即全部驱动车轮的转矩之和等于总驱动转矩T_d，左侧全部驱动车轮转矩之和与右侧全部驱动车轮转矩之和的差值等于车辆需求的横向力控制驱动转矩差值ΔT；而且，左侧全部驱动车轮的转矩两两之间完全相同，右侧全部驱动车轮的转矩两两之间完全相同；然而由于按式(7)的转矩分配方法没有考虑转矩分配时的驱动能量最优问题，这将会导致整车在转矩分配时驱动能量有浪费，整车经济性较差，为此不能简单采用按式(7)所示的平均分配方法。

如图3所示，本发明提出了一种基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法。在进行各轮转矩优化分配、即车辆纵向力控制时，电机工作效率和驱动车轮滑转率是两个比较重要的参数，即驱动部件的整体效率是影响整车驱动效率和行驶经济性的主要因素；另外，驱动车轮滑转率也直接影响电动车辆的驱动效率和行驶稳定性，为了更好的控制这两个参数，同时兼顾车载处理器的运算性能，本发明提出了一种基于离线瞬时优化的在线快速寻优方法，该方法包括两部分，首先是根据离线优化得到的数据，对各车轮驱动转矩进行初次分配，并以此作为在线快速寻优的起始点，然后在离线瞬时优化的基础上进行在线快速寻优，从而得到整车综合性能最优时的各车轮驱动转矩；该优化方法的好处是，离线瞬时优化可以找到各车轮最佳驱动转矩的大致范围，在线寻优算法只需要在离线瞬时优化得到的各车轮驱动转矩附近进行寻优，可以把在线优化过程中的全局寻优变为局部寻优，不但提高了在线寻优的速度，还保证了在线寻优的准确性。

驱动电机在不同的电机工作点驱动效率不同，通过合理的轴间转矩分配，可以让更多的电机工作在高效率区间，从而提高电机的工作效率，减少电机驱动功率损失；而电机控制器(逆变器)同样存在效率问题，电机控制器的电效率随着输出功率的不同而不同，电机控制器的输出功率由电机输出功率决定，轴间转矩分配改变电机工作点的同时也改变了电机控制器的电效率。本专利中把包含电机控制器的电机效率统称为电驱动系统效率。考虑到电驱动系统(驱动电机和电机控制器)的效率对于整车驱动能耗的影响较大，为了最大限度的减少电驱动系统功率损失，在转矩优化分配时应该同时考虑电机功率损失和电机控制器功率损失。

如图3所示，本发明所述的应用于多轴驱动电动车辆的基于整车驱动能量在线优化的车辆车轮转矩分配方法即纵向力控制方法流程如下：

步骤一、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、车辆轮距B、驱动轴数量N、各轴到质心的距离l_i。并通过总线或传感器获取汽车的行驶速度V、方向盘转向角δ_sw、总需求转矩T_d、横摆角速度以及纵向加速度a_x、侧向加速度a_y；其中，总需求转矩T_d由驾驶员加速踏板开度决定；

步骤二、根据实施例1或实施例2进行横向力控制，得到左右两侧车身需求转矩差值ΔT；

步骤三、判断如果对左侧或右侧车身单独施加总转矩差值ΔT后，单侧车身的需求转矩是否大于单侧车身所有驱动电机所能输出的最大转矩，即判断下式是否成立：

式中，T_max(V)是当前车速条件下单侧车身所有驱动电机所能输出的最大转矩。

如果单侧车身需求转矩不大于单侧车身所有驱动电机所能输出的最大转矩，根据下式计算得到左右两侧车身的需求转矩T_dl和T_dr：

如果存在单侧车身需求转矩大于单侧车身所有电机能输出的最大转矩，车辆无法满足横向力控制要求，此时，优先满足车辆总驱动转矩需求，需求转矩较大的一侧车身输出电机所能输出的最大转矩T_max(V)，需求转矩较小的一侧车身输出T_d-T_max(V)，即：

步骤四、根据离线瞬时优化数据，对各车轮驱动转矩进行第一次分配；离线优化过程只考虑电驱动系统驱动能耗，以电驱动系统驱动功率损失最少为目的，车辆在直线行驶过程中，可以近似认为左右两侧车身完全相同，因此离线优化轴间转矩分配系数矩阵K(V,T)时，只考虑单侧车身；同时，转矩的轴间分配对各车轮转速影响很小，在进行单侧车身轴间转矩分配时可以默认各车轮转速相同而且在转矩分配过程中不发生变化，通过电机实验得到电驱动系统在不同工作点的功率损失大小后，离线优化可以得到车辆不同行驶状态单侧车身的电驱动系统功率损失最小时的轴间转矩分配系数矩阵K(V,T)；离线优化的目标函数及约束可以写成：

式中，C_p(T_mi)为对应电驱动系统功率损失；T_dl/dr为对应单侧车身的总需求转矩。

轴间转矩分配系数矩阵K(V,T)为N维矩阵，矩阵内各元素和为1，由单侧车身的需求转矩T和车速V共同决定，轴间转矩分配系数矩阵乘以单侧车身总需求转矩即可得到各驱动车轮转矩大小；

在离线瞬时优化过程中，首先，通过查表的方式得到左右两侧车身的各自的轴间转矩分配系数K(V,T_dl)和K(V,T_dr)；然后，左右两侧车身的轴间转矩分配系数分别乘以左右两侧车身的需求转矩，即可得到离线瞬时优化后的各驱动车轮的驱动转矩；轴转矩分配系数MAP表如图4所示。

步骤五、估算各驱动车轮滑转率；

电动轮驱动车辆车轮滑转率估算方法有很多种，在本实施例中，作为一种优选，通过以下方法估算各车轮滑转率：

首先，在已知车辆质心纵向加速度a_x、侧向加速度a_y的基础上积分得到在车辆的纵向速度V_x、侧向速度V_y；

其次，根据多轴驱动车辆各车轮转角关系计算各车轮转角δ_i，结合横摆角速度传感器测得的横摆角速度值通过下式计算各车轮轮心速度：

式中，δ_i为第i车轮的转角；B为轮距；l_i为第i车轮所在车轴距离质心的位置；

得到各驱动车轮轮心速度后，可以通过下式计算车轮滑转率：

式中，λ_i是当前车轮滑转率；ω_i是当前车轮转动角速度；u_i是当前车轮轮心速度；

步骤六、判断驱动车轮滑转率是否大于门限值λ₀，如果存在驱动车轮滑转率大于门限值λ₀，车辆存在失稳危险，进入驱动防滑控制，驱动防滑控制不考虑电驱动系统能耗，只控制车轮滑转率，因此对车轮滑转有较好的控制效果，此时，驱动轮滑转率超限、汽车有失稳危险时，以节能为目的的转矩优化分配已经失去意义，另外车轮的过度打滑从能量角度本身也是一种损耗，驱动效率受到影响，汽车整车驱动能耗增加，故必须优先限制车轮打滑；如果各驱动车轮滑转率都没有大于门限值λ₀则进入下一步骤；

驱动防滑控制是现有技术，可以采用多种方法实现，具体选用哪种方法不构成对本发明所述权利要求保护范围的限定；在本实施例中，作为一种优选，驱动防滑控制的惩罚函数可以写成下式：

T_mi为电机转矩，λ_i为车轮滑转率。

上述惩罚优化函数中各车轮驱动转矩还需要同时满足如下式所示的车辆总驱动转矩要求和电机外特性(即任意电机转速点对应的最大输出转矩)约束：

T_mmax(n_i)为电机转速点对应的最大输出转矩；

通过求解如式(14)所示的惩罚函数可以得到驱动防滑控制过程每一个控制周期各驱动车轮的输出转矩；

步骤七、拟合电驱动系统损耗特性曲线；电驱动系统损耗特性比较复杂，很难用数学表达式去表示；但是，对于在线优化来说，电机转速一定，而且在线优化后的结果一般会出现在初始点(离线瞬时优化点)的附近，因此只需要在电驱动系统万有特性图(图中任意一点的效率数据为电机万有特性图中每点的效率数据与电机控制器效率的乘积)上对电驱动系统当前转速下的起始转矩点附近一小段区间进行拟合；在本实施例中，作为一种优选，只对起始点附近正负50Nm区间进行二次拟合，拟合公式如下：

C_p(T_mi)＝p₂T_mi ²+p₁T_mi+p₀ (16)

式中，p₀、p₁、p₂是对应拟合系数；对照电机实际的万有特性图拟合得到拟合系数后，把系数传递给在线优化目标函数，进行在线优化；电驱动损耗特性MAP图如图5所示。

步骤八、进行在线快速寻优；驱动转矩的定向分配可以改变各驱动车轮的驱动转矩，但是对各驱动车轮转速影响很小，且在线寻优速度较快，因此默认在线优化过程中各驱动车轮的转速基本不变；在线寻优的优化目标函数可以用下式表示：

式中，σ_t为车轮纵向滑移权重系数；C_p(T_mi)为电驱动系统功率损失目标函数；C_t(T_mi)为车轮滑转率控制目标函数；

其中，在线快速寻优目标函数的第一项用来控制电驱动系统功率损失大小，步骤七拟合得到相应拟合系数后，可以直接用公式(14)计算电驱动系统的功率损失大小；在线优化目标函数中的第二项用来控制驱动车轮滑转率，驱动车轮滑转率由轮胎纵向力、垂向力、路面附着系数等轮胎参数共同决定；

通过简单的数学表达式很难建立车轮滑转率和电机驱动转矩对应关系的数学表达式，为此本专利提出通过控制轮胎滑移能耗来控制车轮滑转率，轮胎纵向滑移能量损失可以用下式表示：

式中，F_xi为轮胎纵向力；v_xi为车轮纵向滑移速度；n₀为电机转速；T_mi为电机转矩；N为多轴驱动电动车辆的轴数；λ_i为车轮滑转率，通过步骤五估算得到；

需要特别指出的是表达式(18)中的λ_i是当前时刻通过车身参数估算得到的驱动车轮滑转率，并不能反映车轮滑转随驱动转矩的变化关系，但是由于车轮滑转率在相邻的两个控制周期变化很小，而且在线优化也是一个反复迭代优化的过程，这种近似方式的误差很小，故可近似用于计算。

在本实施例中，作为一种优选，由于车轮滑转率一般较小，轮胎纵向滑移能量损失也可以近似为下式，同样可以达到较好的控制效果。

作为另一种优选，目标函数的第二项也可以不考虑车轮转速n₀，写成以下形式：

或：

车轮纵向滑移权重系数σ_t，可以根据实际需求进行选取，当车辆行驶在高附着路面时可以取σ_t＝1，此时在线优化得到的结果是考虑到电机功率损失、电机控制器(逆变器)功率损失以及轮胎纵向滑移功率损失的驱动系统功率损失最小的轴间转矩分配系数；而在低附着路面，为了更好的限制车轮滑转可以选取较高的权重系数；在本实施例中，作为一种优选，可以按下式选取σ_t，使之可以根据各驱动车轮滑转情况自适应变化，如下式所示：

式中，k定值权重系数；λ_max是车身参数估算到的各驱动车轮滑转率的最大值；λ₀是车轮滑转率门限值，一般为0.5；当车轮滑转率比较低时，σ_t近似为1，此时的在线优化是以整车驱动能耗最小为目的；而随着车轮滑转率的增加，σ_t逐渐变大，车轮滑转率控制的权重在在线优化过程中越来越大，当车轮滑转率最大值趋近与λ₀时，σ_t无限大，此时在线优化的目标是控制打滑车轮；当车轮滑转率达到或大于λ₀时，在线优化退出，交给底层驱动防滑控制策略；

按照式(17)进行在线快速寻优计算时，各车轮驱动转矩还需要满足如下式所示的车辆总驱动转矩要求和电机外特性约束：

最终，电驱动系统功率损失和轮胎纵向滑移功率损失都可以写成只和各车轮驱动电机转矩相关的数学表达式，在线快速寻优可以转化成有约束的非线性规划问题，大大简化了在线寻优计算的工作量，提高了寻优速度；通过数值的方法求解该问题，可以较快得到整车性能最优时的各车轮驱动转矩；作为一种优选，可以用序列二次规划算法求解该问题，为了提高在线快速寻优的速度和寻优准确性，在线寻优的起始点应该设置为离线瞬时优化得到的各车轮驱动转矩，在线快速寻优得到各驱动车轮驱动转矩后，输出各车轮转矩，完成一个控制周期。

本发明提出了首先进行左右两侧车身解耦，然后在离线瞬时优化的基础上进行在线快速寻优的驱动能量管理方法；左右两侧车身解耦控制，可以满足车辆横向力控制要求，而在线快速寻优可以满足纵向力控制要求。

本发明给出的在线快速寻优目标函数中只考虑了电驱动系统功率损失控制和车轮滑转率控制两部分；但是，根据实际需求，在线快速寻优目标函数中同样可以加入对其他参数控制的部分(例如，质心侧偏角)，这些并不影响对本发明所提驱动能量管理方法的保护。

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 (10)

1.一种基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、获取汽车参数并且得到左右两侧车身需求转矩差值ΔT；

步骤二、对左侧或右侧车身单独施加总转矩差值ΔT后，对单侧车身需求转矩是否大于单侧车身所有驱动电机所能输出的最大转矩进行判断，从而进行判断单侧车身的需求转矩；

步骤三、根据如下目标函数及约束条件进行数据初始优化，得到车辆不同行驶状态单侧车身的电驱动系统功率损失最小时的轴间转矩分配系数矩阵K(V,T)，对各车轮驱动转矩进行第一次分配：

式中，C_p(T_mi)为对应电驱动系统功率损失；T_dl/dr为对应单侧车身的总需求转矩；

步骤四、计算各驱动车轮滑转率，如果存在驱动车轮滑转率大于门限值λ₀，则进行驱动防滑控制过程；如果各驱动车轮滑转率都没有大于门限值λ₀，则拟合电驱动系统损耗特性曲线得到拟合系数；

步骤五、结合所述拟合系数，通过如下优化目标函数再次进行数据优化，得到整车性能最优时的各车轮驱动转矩：

式中，σ_t为车轮纵向滑移权重系数；C_p(T_mi)为电驱动系统功率损失目标函数；C_t(T_mi)为车轮滑转率控制目标函数；

其中，所述各车轮驱动转矩满足如下车辆总驱动转矩要求和电机外特性约束条件：

2.如权利要求1所述的基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法，其特征在于，在所述步骤二中，需求转矩判断包括：

如果单侧车身需求转矩不大于单侧车身所有驱动电机所能输出的最大转矩，则左右两侧车身的需求转矩T_dl和T_dr为

以及

如果单侧车身需求转矩大于单侧车身所有电机所能输出的最大转矩，则需求转矩较大的一侧车身输出电机所能输出的最大转矩T_max(V)和需求转矩较小的一侧车身输出T_d-T_max(V)为

3.如权利要求1所述的基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法，其特征在于，在所述步骤三中，通过查表的方式得到左右两侧车身的各自的轴间转矩分配系数K(V,T_dl)和K(V,T_dr)。

4.如权利要求1所述的基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法，其特征在于，在所述步骤四中，计算各驱动车轮滑转率包括如下步骤：

根据车辆质心纵向加速度a_x、侧向加速度a_y得到在车辆的纵向速度V_x、侧向速度V_y，根据多轴驱动车辆各车轮转角关系计算各车轮转角δ_i，结合横摆角速度值通过下式计算各车轮轮心速度：

得到各驱动车轮轮心速度后，通过下式计算车轮滑转率：

式中，δ_i为第i车轮的转角；B为轮距；l_i为第i车轮所在车轴距离质心的位置；λ_i是当前车轮滑转率；ω_i是当前车轮转动角速度；u_i是当前车轮轮心速度。

5.如权利要求1所述的基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法，其特征在于，在所述步骤四中，根据所述驱动防滑控制的惩罚函数以及各车轮驱动转矩需要同时满足的车辆总驱动转矩要求和电机外特性约束得到所述驱动防滑控制过程每一个控制周期各驱动车轮的输出转矩；

其中，所述惩罚函数为

以及

所述约束为

6.如权利要求1所述的基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法，其特征在于，在所述步骤四中，拟合电驱动系统损耗特性曲线包括：在电驱动系统万有特性图上对起始点附近正负50Nm区间进行拟合，拟合公式如下：

C_p(T_mi)＝p₂T_mi ²+p₁T_mi+p₀；

式中，p₀、p₁、p₂是对应拟合系数，对照所述万有特性图得到所述拟合系数。

7.如权利要求1所述的基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法，其特征在于，在所述步骤五中，通过控制轮胎滑移能耗来控制车轮滑转率；其中，轮胎纵向滑移能量损失为

式中，F_xi为轮胎纵向力；v_xi为车轮纵向滑移速度；n₀为电机转速；T_mi为电机转矩；N为多轴驱动电动车辆的轴数；λ_i为车轮滑转率。

8.如权利要求1所述的基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法，其特征在于，在所述步骤五中，当车辆行驶在高附着路面时σ_t＝1；以及

当车辆行驶在低附着路面时，

式中，k定值权重系数；λ_max是车身参数估算到的各驱动车轮滑转率的最大值；λ₀是车轮滑转率门限值。

9.如权利要求1所述的基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述转矩差值ΔT计算过程包括：

获取汽车参数，当侧向加速度a_y大于0.6g，则左右两侧车身总驱动转矩差值ΔT＝0；

当侧向加速度a_y不大于0.6g，计算中性转向对应的理想横摆角速度此时，当横摆角速度大于横摆角速度门限值时，则左右两侧车身总驱动转矩差值ΔT＝0；当横摆角速度不大于横摆角速度门限值计算左右两侧车身的需求驱动转矩差值ΔT，ΔT的计算公式为

式中，P为比例系数；I为积分系数；D为微分系数；ω_r为车身横摆角速度传感器测量得到的角速度值；ΔT₀(V,δ_sw)为当前车速、方向盘转角条件下的前馈横摆力偶矩值；

所述理想横摆角速度为

式中，横摆角速度控制过程允许的最大偏差。

10.如权利要求1所述的基于驱动能量在线优化的多轴驱动电动车辆车轮转矩分配方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述转矩差值ΔT计算过程包括：

获取汽车参数，当侧向加速度a_y大于0.6g，则左右两侧车身总驱动转矩差值ΔT＝0；

当侧向加速度a_y不大于0.6g，计算中性转向对应的理想侧向加速度，再进行计算左右两侧车身的需求驱动转矩差值ΔT，ΔT的计算公式为

ΔT＝P(a_y-a_yl)；

其中，所述理想侧向加速度a_yl为