CN109177745B - 一种考虑多目标分布式驱动电动汽车的转矩分配控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑多目标分布式驱动电动汽车的转矩分配控制方法，包括步骤：1、通过台架试验获取电机与电机控制器效率场，并计算驱动功率和回馈制动功率；2、根据步骤1得到的各转速下电机与电机控制器的系统功率获取电机转矩的函数，同时计算轮胎耗散能及轮胎利用率；3、计算轮胎的输出力矩的约束范围；4、考虑电机与电机控制器的系统功率、轮胎耗散能和轮胎利用率，建立不同工况情况的转矩分配加权最小二乘优化函数，结合输出力矩的约束范围进行求解，得到转矩分配结果。与现有技术相比，本发明具有车辆经济性好、稳定性高以及轮胎磨损小等优点。

Description

一种考虑多目标分布式驱动电动汽车的转矩分配控制方法

技术领域

本发明涉及汽车控制领域，尤其是涉及一种考虑多目标分布式驱动电动汽车的转矩分配控制方法。

背景技术

分布式驱动电动汽车作为一种先进的电动汽车动力系统，在动力性及经济性方面具有很大优势。由于分布式驱动电动汽车动力系统存在多个驱动单元，因此，如何在各个驱动单元之间实现协调控制和转矩分配是一个研究重点。不同的转矩分配策略对各项动力电池性能影响较大，例如：能量效率、运行稳定性和轮胎磨损等。现有技术的研究以稳定控制为目标的转矩优化控制为主，四轮驱动等分布式驱动电动汽车的转矩分配方式均存在车辆稳定性、动力性和经济性、轮胎的磨损影响等问题。目前的转矩分配控制技术，如转矩平均分配法、搜索法等都存在一定的局限性，缺乏对于电驱动系统能耗、轮胎磨损和车辆稳定性的综合考虑，电动汽车的转矩分配控制效果较差，使得车辆的操纵稳定性及车辆的经济性不高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种控制效率高、车辆操纵稳定性好的考虑多目标分布式驱动电动汽车的转矩分配控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种考虑多目标分布式驱动电动汽车的转矩分配控制方法，该方法包括以下步骤：

S1：通过台架试验获取电机与电机控制器效率场，并计算驱动功率和回馈制动功率，具体包括下列步骤：

11)对电机和电机控制器进行台架试验，获取电机驱动工作时各转矩、转速对应的电机驱动效率和电机控制器效率。

12)对电机和电机控制器进行台架试验，获取电机回馈制动工作时各转矩、转速对应的电机发电效率和电机控制器效率。

13)根据步骤11)结果，计算驱动功率P_di：

式中，T_di为电机驱动工作时的转矩，n_i为转速，η_mdi、η_cdi分别为转矩T_di、转速n_i对应的电机驱动效率和电机控制器效率，i＝1,2,3,4分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮。

14)根据步骤12)结果，计算回馈制动功率P_bi：

P_bi＝T_bi·n_i·η_mbi·η_cbi

式中，T_bi为电机回馈制动工作时的转矩，η_mbi、η_cbi分别为转矩T_bi、转速n_i对应的电机发电效率和电机控制器效率。

S2：将步骤S1得到的驱动功率和回馈制动功率拟合为关于电机转矩的函数，同时计算轮胎耗散能和轮胎利用率，具体步骤为：

21)利用分段的多项式将步骤S1得到的各转速下电机与电机控制器的驱动功率、回馈制动功率拟合为关于电机转矩的函数；

某一转速n_i下电机与电机控制器的驱动功率、回馈制动功率与电机转矩P_i的关系式为：

其中，a_di,b_di,c_di,d_di,a_bi,b_bi,c_bi,d_bi为拟合系数。

22)利用各车轮轮胎纵向力、侧向力、纵向滑移率和侧偏角计算轮胎耗散能；

轮胎耗散能E_di的计算式为：

E_di＝F_xi·s_i·ω_i·r+F_yi·α_i

其中，F_xi,F_yi,s_i,α_i分别为各车轮轮胎纵向力、侧向力、纵向滑移率和侧偏角，ω_i为车轮转速，r为轮胎滚动半径。

轮胎利用率H_i的计算式为：

其中，F_zi和μ_i分别为各车轮轮胎垂向力和轮胎-路面附着系数。

23)利用各车轮轮胎纵向力、侧向力、垂向力和轮胎-路面附着系数计算轮胎利用率。

S3：计算轮胎的输出力矩的约束范围，具体包括以下步骤：

31)根据电机当前转速和外特性曲线，计算得到电机输出能力的范围约束；

32)根据电机的转矩响应特性，计算在离散化控制中电机转矩变化的速率约束；

33)根据轮胎垂向力和路面附着系数，计算当前路面运行的最大电机转矩约束；

34)根据步骤31)得到的电机输出能力的范围约束、步骤32)得到的速率约束以及步骤33)得到的最大电机转矩约束，获取轮胎的输出力矩的约束范围。

所述的轮胎的输出力矩的约束范围为：

式中，u为电机输出能力的范围约束最大值，

为电机输出能力的范围约束最小值，二者的表达式为：

其中，u为车轮的输出力矩，T_imax为当前电机转速所对应的电机峰值转矩，Δt为控制周期。

S4：根据步骤S2得到的驱动功率和回馈制动功率关于电机转矩的函数、轮胎耗散能和轮胎利用率，建立不同工况情况的转矩分配加权最小二乘优化函数，结合步骤S3得到的输出力矩的约束范围进行求解，得到转矩分配结果。具体包括以下步骤：

41)建立不同工况下的最小优化目标函数；

42)根据步骤S2得到的各个控制目标，将步骤41)建立的不同工况下的最小优化目标函数统一为考虑不同工况情况的转矩分配加权最小二乘优化函数；

43)在步骤S3得到的轮胎的输出力矩的约束范围内，对步骤42)中的转矩分配加权最小二乘优化函数进行求解。

优选地，所述的不同工况下的最小优化目标函数包括常规工况下的最小优化目标函数和极限工况下的最小优化目标函数。

所述的考虑不同工况情况的转矩分配加权最小二乘优化函数的表达式为：

其中，v为广义力需求，W_v为调节广义力的权重矩阵，B为效率矩阵，λ_j(j＝1,2,3,4)为各优化目标权重系数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明方法通过台架测试结果拟合和推导，将电机与电机控制器的系统功率、轮胎耗散能和轮胎利用率表示为轮胎输出力(矩)的函数，继而可以构建考虑电驱动系统能耗、轮胎磨损和车辆稳定性等多个目标的优化函数并进行求解，充分利用了分布式驱动电动汽车冗余执行器的优势，提高了车辆经济性和操纵稳定性；

(2)本发明在对转矩分配结果的计算过程中，将常规工况和极限工况两种驾驶工况和电机与电机控制器的系统功率、轮胎耗散能和轮胎利用率多个控制目标的优化函数统一转化成加权最小二乘的问题进行求解，运算步骤简化，减少了计算时间，提高了控制效率；

(3)本发明在对轮胎的输出力矩的约束范围的求解过程中，充分考虑了电机输出能力的范围约束、电机转矩变化的速率约束和当前路面运行的最大电机转矩约束，考虑全面，提高了控制结果的准确性；

(4)本发明在对转矩分配结果的计算过程中，首先考虑了常规工况和极限工况两种情况，并分别建立优化函数，考虑工况全面，适用范围广，且控制精度高。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明实施例中汽车系统内部进行转矩分配算法的流程简图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明涉及一种考虑多目标分布式驱动电动汽车的转矩分配控制方法，如图1、图2所示，该方法包括下列步骤：

步骤一、通过台架试验获取电机与电机控制器效率场，并计算驱动功率和回馈制动功率。具体步骤包括：

11)对电机和电机控制器进行台架试验，得到电机驱动工作时各转矩、转速对应的电机驱动效率和电机控制器效率；

12)根据得到的电机驱动工作时各转矩、转速对应的电机驱动效率和电机控制器效率计算驱动功率；

13)对电机和电机控制器进行台架试验，得到电机回馈制动工作时各转矩、转速对应的电机发电效率和电机控制器效率；

14)根据得到的电机回馈制动工作时各转矩、转速对应的电机发电效率和电机控制器效率计算回馈制动功率。

驱动工作时，当转矩为T_di、转速为n_i、对应的电机驱动效率和电机控制器效率分别为η_mdi和η_cdi时(i＝1,2,3,4分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮，下同)，驱动功率的表达式为：

电机回馈制动工作，当转矩为T_bi、转速为n_i、对应的电机发电效率和电机控制器效率分别为η_mbi和η_cbi时，回馈制动功率的表达式为：

P_bi＝T_bi·n_i·η_mbi·η_cbi

步骤二、根据步骤一得到的各转速下电机与电机控制器的系统功率获取电机转矩的函数，同时计算轮胎耗散能及轮胎利用率。具体步骤包括：

21)根据车辆的纵/侧向加速度、横摆角速度，结合车辆状态估计起获取轮胎纵/侧/垂向力车速、路面附着系数和质心侧偏角；

22)利用分段的多项式将步骤一得到的各转速下电机与电机控制器的系统功率拟合为关于电机转矩的函数；

电机某一转速n_i下功率与转矩关系为：

式中，a_di,b_di,c_di,d_di,a_bi,b_bi,c_bi,d_bi为拟合系数。

23)利用各车轮轮胎纵向力、侧向力、纵向滑移率和侧偏角计算轮胎耗散能；

轮胎耗散能为轮胎力和轮胎状态的函数：

E_di＝F_xi·s_i·ω_i·r+F_yi·α_i

式中，F_xi,F_yi,s_i,α_i分别为各车轮轮胎纵向力、侧向力、纵向滑移率和侧偏角，ω_i为车轮转速，r为轮胎滚动半径。

24)利用各车轮轮胎纵向力、侧向力、垂向力和轮胎-路面附着系数计算轮胎利用率。

轮胎纵向力与电机转矩之间的关系为：

式中，J_w为车轮转动惯量。因此，可以将P_i与T_di,T_bi的函数表示为P_i与F_xi的函数。

轮胎利用率具体为：

其中，F_zi和μ_i分别为各车轮轮胎垂向力和轮胎-路面附着系数。

轮胎纵向力和侧向力存在近似于椭圆的关系，一般可以用以下公式表述：

式中，系数k、m、n、p、q与侧偏角、路面附着系数以及轮胎垂向载荷相关，是拟合参数。针对不同路面附着条件，对结果采用等比例缩放的方式进行选择。

通过对轮胎椭圆进行局部线性化近似，得到轮胎侧向力增量ΔF_yi关于纵向力增量ΔF_xi的线性关系如下：

式中，F_x(t)，F_y(t)为局部线性化点当前计算周期的轮胎纵侧向力。

步骤三、计算轮胎的输出力矩的约束范围：

31)根据电机当前转速和外特性曲线，计算得到电机输出能力的范围约束；

32)根据电机的转矩响应特性，计算在离散化控制中电机转矩变化的速率约束；

33)根据轮胎垂向载荷和路面附着系数，计算当前路面运行的最大电机转矩约束；

34)根据步骤31)得到的范围约束、步骤32)得到的速率约束和步骤33)得到的最大电机转矩约束，综合考虑得到轮胎的输出力矩的约束范围。

本实施例中，电机所能产生的最大纵向力受其外特性约束如下：

式中，T_imax(V)为当前电机转速所对应的电机峰值转矩。根据电机台架试验标定电机的转矩响应特性，计算在离散化控制中电机转矩变化的速率约束，将其转化为车轮纵向力的位置约束为：

根据各车轮轮胎垂向力F_xi和路面附着系数μ_i计算当前路面允许的最大车轮纵向力约束：

-μ_i·F_zi≤F_xi≤μ_i·F_zi

综上所述，对分配力矩的约束进行离散化后，转化为对纵向力增量的约束，如下式所示：

其中，u为电机输出能力的范围约束最大值，

为电机输出能力的范围约束最小值，u为车轮的输出力矩，Δt为控制周期。

步骤四、在常规工况下采用电驱动系统功率和轮胎耗散能的优化目标能够有效提高车辆经济性、减少轮胎磨损，而在极限工况下采用轮胎利用率的优化目标函数有利于车辆稳定性控制。基于此，根据得到的电机与电机控制器的系统功率、轮胎耗散能和轮胎利用率，建立不同工况情况的转矩分配加权最小二乘优化函数，结合步骤三得到的输出力矩的约束范围进行求解，得到转矩分配结果。具体内容为：

41)建立不同工况下的最小优化目标函数；

为了兼顾实时性和控制精度的要求，权衡多个优化目标，将优化分配问题转化成加权最小二乘的问题并利用有效集方法求解：

其中，u为车轮的输出力矩，v为广义力需求(横摆力矩和纵向力)，W_v为调节广义力的权重矩阵，B为效率矩阵，λ_j(j＝1,2,3,4)为各优化目标权重系数。

42)根据步骤二得到的各个控制目标，将步骤41)建立的不同工况下的最小优化目标函数统一为考虑不同工况情况的转矩分配加权最小二乘优化函数；

43)在步骤三得到的输出力矩的约束范围内，对步骤42)中的转矩分配加权最小二乘优化函数进行求解。根据求解获取的转矩分配结果对电机分配进行优化控制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种考虑多目标分布式驱动电动汽车的转矩分配控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)通过台架试验获取电机驱动工作时各转矩、转速对应的电机驱动效率和电机控制器效率，并计算驱动功率和回馈制动功率；

2)将步骤1)得到的驱动功率和回馈制动功率拟合为关于电机转矩的函数，同时计算轮胎耗散能和轮胎利用率，轮胎耗散能为轮胎力和轮胎状态的函数，轮胎利用率为表征轮胎需求力与路面可提供最大附着力之比的目标函数；

3)计算轮胎的输出力矩的约束范围；

4)根据步骤2)得到的驱动功率和回馈制动功率关于电机转矩的函数、轮胎耗散能和轮胎利用率，建立不同工况情况的转矩分配加权最小二乘优化函数，结合步骤3)得到的输出力矩的约束范围进行求解，得到转矩分配结果；

步骤1)具体包括以下步骤：

11)对电机和电机控制器进行台架试验，获取电机驱动工作时各转矩、转速对应的电机驱动效率和电机控制器效率；

12)对电机和电机控制器进行台架试验，获取电机回馈制动工作时各转矩、转速对应的电机发电效率和电机控制器效率；

13)根据步骤11)结果，计算驱动功率P_di；

14)根据步骤12)结果，计算回馈制动功率P_bi；

所述的驱动功率P_di的表达式为：

式中，T_di为电机驱动工作时的转矩，n_i为转速，η_mdi、η_cdi分别为转矩T_di、转速n_i对应的电机驱动效率和电机控制器效率，i＝1,2,3,4分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；

所述的回馈制动功率P_bi的表达式为：

P_bi＝T_bi·n_i·η_mbi·η_cbi

式中，T_bi为电机回馈制动工作时的转矩，η_mbi、η_cbi分别为转矩T_bi、转速n_i对应的电机发电效率和电机控制器效率；

步骤2)具体包括以下步骤：

21)利用分段的多项式将步骤1)得到的各转速下电机与电机控制器的驱动功率、回馈制动功率拟合为关于电机转矩的函数；某一转速n_i下电机与电机控制器的驱动功率、回馈制动功率与电机转矩P_i的关系式为：

其中，a_di,b_di,c_di,d_di,a_bi,b_bi,c_bi,d_bi为拟合系数；

22)利用各车轮轮胎纵向力、侧向力、纵向滑移率和侧偏角计算轮胎耗散能；

23)利用各车轮轮胎纵向力、侧向力、垂向力和轮胎-路面附着系数计算轮胎利用率；

轮胎耗散能E_di的计算式为：

E_di＝F_xi·s_i·ω_i·r+F_yi·α_i

其中，F_xi,F_yi,s_i,α_i分别为各车轮轮胎纵向力、侧向力、纵向滑移率和侧偏角，ω_i为车轮转速，r为轮胎滚动半径；

轮胎利用率H_i的计算式为：

其中，F_zi和μ_i分别为各车轮轮胎垂向力和轮胎-路面附着系数。

2.根据权利要求1所述的一种考虑多目标分布式驱动电动汽车的转矩分配控制方法，其特征在于，步骤3)具体包括以下步骤：

31)根据电机当前转速和外特性曲线，计算得到电机输出能力的范围约束；

32)根据电机的转矩响应特性，计算在离散化控制中电机转矩变化的速率约束；

33)根据轮胎垂向力和路面附着系数，计算当前路面运行的最大电机转矩约束；

34)根据步骤31)得到的电机输出能力的范围约束、步骤32)得到的速率约束以及步骤33)得到的最大电机转矩约束，获取轮胎的输出力矩的约束范围。

3.根据权利要求2所述的一种考虑多目标分布式驱动电动汽车的转矩分配控制方法，其特征在于，所述的轮胎的输出力矩u的约束范围为：

式中，u为电机输出能力的范围约束最大值，

为电机输出能力的范围约束最小值，二者的表达式为：

其中，Δt为控制周期，T_imax为当前电机转速所对应的电机峰值转矩，r为轮胎滚动半径，μ_i为各车轮的轮胎-路面附着系数，k为k时刻。

4.根据权利要求3所述的一种考虑多目标分布式驱动电动汽车的转矩分配控制方法，其特征在于，步骤4)具体包括以下步骤：

41)建立不同工况下的最小优化目标函数；

42)根据步骤2)得到的各个控制目标，将步骤41)建立的不同工况下的最小优化目标函数统一为考虑不同工况情况的转矩分配加权最小二乘优化函数；

43)在步骤3)得到的轮胎的输出力矩的约束范围内，对步骤42)中的转矩分配加权最小二乘优化函数进行求解。

5.根据权利要求4所述的一种考虑多目标分布式驱动电动汽车的转矩分配控制方法，其特征在于，所述的不同工况下的最小优化目标函数包括常规工况下的最小优化目标函数和极限工况下的最小优化目标函数，所述的考虑不同工况情况的转矩分配加权最小二乘优化函数的表达式为：

其中，v为广义力需求，W_v为调节广义力的权重矩阵，B为效率矩阵，λ_j(j＝1,2,3,4)为各优化目标权重系数，E_di为轮胎耗散能，轮胎耗散能为轮胎力和轮胎状态的函数。

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