CN110667402B - 四轮驱动电动汽车电子差速控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轮驱动电动汽车电子差速控制方法，包括：根据车轮转角和轮胎侧偏角分别计算两前轮转向半径和两后轮转向半径；根据参考车速和得到的两前轮转向半径和两后轮转向半径分别计算四个车轮的目标轮速；实时监控四轮实际轮速和目标轮速的差异，通过乘以预设的扭矩修正比例系数确定各轮输出修正反馈扭矩，对输出扭矩进行修正；将内侧驱动轮减去扭矩差，外侧驱动轮加上扭矩差，同时各自加上基于目标轮速修正的反馈扭矩，得到前后轴内外侧驱动轮实际转矩。适用于四轮独立驱动电动汽车，每个驱动轮转向半径和目标扭矩独立计算，能进行快速和精准的扭矩控制，引入轮胎侧偏角参与计算，提高了精度。

Description

四轮驱动电动汽车电子差速控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电动汽车的电子差速控制方法，具体地涉及一种四轮驱动电动汽车电子差速控制方法及系统。

背景技术

随着日益严峻的环保形势，我国正在大力扶持新能源汽车产业的发展，其中采用轮毂电机作为动力源的新能源汽车，因其具有扭矩输出平稳、动力传递链程短、能量利用率高、可控自由度多，结构布置紧凑，使其在安全、舒适、动力、节能、环保等诸多方面有着独特的优势。

装有轮毂电机的新能源车辆取消了离合器、变速箱、半轴和差速器等传统传动部件，大大降低了底盘结构的复杂度，也降低了制造成本。然而由于取消了差速器，车辆在转向时内外侧驱动轮轮速无法满足理论速差，导致车辆在转向过程中出现转向困难，特别是现代汽车为了迎合国人的喜好，喜欢将轴距拉长，车身和轮距加宽，随着车速越高，转向角度越大，转向不足的趋势就会愈发明显。

目前很多以轮毂电机作为动力源的驱动控制方法，大多是直接由当前参考车速和电子油门开度查表得到的总需求扭矩平均分配给各驱动轮，这种控制方法在车辆转向时内侧车轮易产生滑转趋势，外侧车轮易产生拖滞趋势，轮胎由滚动摩擦夹杂着部分滑动摩擦，致使内外侧轮胎造成过度磨损。同时由于摩擦阻力的增大，会降低轮胎的抓地力，增加车辆侧滑的风险，不必要的摩擦阻力矩也增加了电机的功耗，降低了能源利用率，削减了行驶里程，一定程度上影响了整车行驶经济性。

根据阿克曼转向几何学原理，可以知道车辆在转弯时，内外侧车轮行驶的距离不同，但两者行驶的时间却相同，因此为了保证轮胎始终处于纯滚动状态，则内外侧车轮必定存在轮速差。传统内燃机或集中式动力驱动车辆使用机械差速器来完成内外侧驱动轮的差速，而在四轮独立驱动的电动汽车中，由于使用四台轮毂电机直接驱动四个车轮，因此取消了机械差速器。但是势必会存在车辆转向差速问题，车辆转向性能差，轮胎磨损高等问题。

中国专利文献CN 108177693 A公开了一种轮毂驱动电动汽车的电子差速控制系统，电子差速控制器包括Ackerman转向模型计算模块和PID神经元网络PIDNN控制模块Ackerman转向模型计算模块根据角度传感器所测得的车辆转向角δ和油门位置传感器所测得的车辆目标行驶速度vc，计算得到车辆转向行驶时内、外侧驱动轮目标速度分别为v1、v2；驱动轮实际转速检测模块通过检测轮毂电机霍尔信号计算得到内、外侧驱动轮实际速度分别为v1′、v2′；将内、外侧驱动轮实际速度与目标速度的偏差分别作为PIDNN控制模块的输入，计算得到各驱动轮PWM调速信号，并通过电机驱动器完成对驱动轮转速的闭环控制，使驱动轮实际速度跟随目标速度，实现差速控制。该方法是针对前轮转向、两后轮采用轮毂电机独立驱动的电动汽车，不能适用于四轮独立驱动的电动汽车，并且无法进行快速和精准的扭矩控制。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种四轮驱动电动汽车电子差速控制方法及系统，适用于四轮独立驱动电动汽车，每个驱动轮转向半径和目标扭矩独立计算，能进行快速和精准的扭矩控制，引入轮胎侧偏角参与计算，提高了精度。

本发明的技术方案是：

一种四轮驱动电动汽车电子差速控制方法，包括以下步骤：

S01：根据车轮转角和轮胎侧偏角分别计算两前轮转向半径和两后轮转向半径；

S02：根据参考车速和得到的两前轮转向半径和两后轮转向半径分别计算四个车轮的目标轮速；

S03：实时监控四轮实际轮速和目标轮速的差异，通过乘以预设的扭矩修正比例系数确定各轮输出修正反馈扭矩，对输出扭矩进行修正；

S04：将内侧驱动轮减去扭矩差，外侧驱动轮加上扭矩差，同时各自加上基于目标轮速修正的反馈扭矩，得到前后轴内外侧驱动轮实际转矩。

优选的技术方案中，所述步骤S01之前还包括，当方向盘转角绝对值大于阈值时，进行电子差速控制。

优选的技术方案中，所述步骤S01中，在计算两前轮转向半径时，将车辆简化为内侧前轮、后轮二自由度模型和外侧前轮、后轮二自由度模型，则前内轮转向半径：

前外轮转向半径：

在计算后轮转向半径时，参考前轮简化后的二自由度模型，则后内轮转向半径：

后外轮转向半径：

其中，L为轴距，δ_fl为前内轮转角，δ_fr为前外轮转角，α_fl为前内轮侧偏角，α_fr为前外轮侧偏角，α_rl为后内轮侧偏角，α_rr为后外轮侧偏角。

优选的技术方案中，所述步骤S02中计算四个车轮的目标轮速包括：

正常差速转向时，所有车轮都处于滚动状态，每个车轮滚动的时间都是一样的，可知车速和转向半径是成比例的，即：

v_fl+v_fr＝2v_ref，v_rl+v_rr＝2v_ref (9)；

其中，v_fl，v_fr，v_rl，v_rr分别为前轮内外侧轮速和后轮内外侧轮速，v_ref为参考车速；

得到四个车轮的目标轮速：

优选的技术方案中，所述步骤S04包括：

轮毂电机前后轴分配的扭矩分别为T_Fa和T_Ra，车辆转向时内外轮扭矩差为：

前轴：

后轴：

其中，K(v_ref，δ)为左右驱动轮的转矩比，

B为前轴B_f或后轴B_r轮距，h为车辆质心到地面的高度，g为重力加速度，δ为前轮转向角；

将内侧驱动轮减去扭矩差，外侧驱动轮加上扭矩差，同时各自加上基于目标轮速修正的反馈扭矩，得到前后轴内外侧驱动轮实际转矩为：

T_{Fa_i}＝T_Fa-ΔT_{Fa_Diff}+T_{Fa_i_mod} (15)

T_{Fa_o}＝T_Fa+ΔT_{Fa_Diff}+T_{Fa_o_mod} (16)

T_{Ra_i}＝T_Ra-ΔT_{Ra_Diff}+T_{Ra_i_mod} (17)

T_{Ra_o}＝T_Ra+ΔT_{Ra_Diff}+T_{Ra_o_mod} (18)

其中，T_{Fa_i_mod}为前内轮基于目标轮速修正的反馈扭矩，T_{Fa_o_mod}为前外轮基于目标轮速修正的反馈扭矩，T_{Ra_i_mod}为后内轮基于目标轮速修正的反馈扭矩，T_{Ra_o_mod}为后外轮基于目标轮速修正的反馈扭矩。

本发明还公开了一种四轮驱动电动汽车电子差速控制系统，包括：

车轮转向半径计算模块，根据车轮转角和轮胎侧偏角分别计算两前轮转向半径和两后轮转向半径；

车轮目标轮速计算模块，根据参考车速和得到的两前轮转向半径和两后轮转向半径分别计算四个车轮的目标轮速；

输出扭矩修正模块，实时监控四轮实际轮速和目标轮速的差异，通过乘以预设的扭矩修正比例系数确定各轮输出修正反馈扭矩，对输出扭矩进行修正；

驱动轮实际转矩输出模块，将内侧驱动轮减去扭矩差，外侧驱动轮加上扭矩差，同时各自加上基于目标轮速修正的反馈扭矩，得到前后轴内外侧驱动轮实际转矩。

优选的技术方案中，还包括判断模块，当方向盘转角绝对值大于阈值时，进行电子差速控制。

优选的技术方案中，车轮转向半径计算模块的计算包括，在计算两前轮转向半径时，将车辆简化为内侧前轮、后轮二自由度模型和外侧前轮、后轮二自由度模型，则前内轮转向半径：

前外轮转向半径：

在计算后轮转向半径时，参考前轮简化后的二自由度模型，则后内轮转向半径：

后外轮转向半径：

其中，L为轴距，δ_fl为前内轮转角，δ_fr为前外轮转角，α_fl为前内轮侧偏角，α_fr为前外轮侧偏角，α_rl为后内轮侧偏角，α_rr为后外轮侧偏角。

优选的技术方案中，所述车轮目标轮速计算模块中计算四个车轮的目标轮速包括：

正常差速转向时，所有车轮都处于滚动状态，每个车轮滚动的时间都是一样的，可知车速和转向半径是成比例的，即：

v_fl+v_fr＝2v_ref，v_rl+v_rr＝2v_ref (9)；

其中，v_fl，v_fr，v_rl，v_rr分别为前轮内外侧轮速和后轮内外侧轮速，v_ref为参考车速；

得到四个车轮的目标轮速：

优选的技术方案中，所述驱动轮实际转矩输出模块计算包括：

轮毂电机前后轴分配的扭矩分别为T_Fa和T_Ra，车辆转向时内外轮扭矩差为：

前轴：

后轴：

其中，K(v_ref，δ)为左右驱动轮的转矩比，

B为前轴B_f或后轴B_r轮距，h为车辆质心到地面的高度，g为重力加速度，δ为前轮转向角；

将内侧驱动轮减去扭矩差，外侧驱动轮加上扭矩差，同时各自加上基于目标轮速修正的反馈扭矩，得到前后轴内外侧驱动轮实际转矩为：

T_{Fa_i}＝T_Fa-ΔT_{Fa_Diff}+T_{Fa_i_mod} (15)

T_{Fa_o}＝T_Fa+ΔT_{Fa_Diff}+T_{Fa_o_mod} (16)

T_{Ra_i}＝T_Ra-ΔT_{Ra_Diff}+T_{Ra_i_mod} (17)

T_{Ra_o}＝T_Ra+ΔT_{Ra_Diff}+T_{Ra_o_mod} (18)

其中，T_{Fa_i_mod}为前内轮基于目标轮速修正的反馈扭矩，T_{Fa_o_mod}为前外轮基于目标轮速修正的反馈扭矩，T_{Ra_i_mod}为后内轮基于目标轮速修正的反馈扭矩，T_{Ra_o_mod}为后外轮基于目标轮速修正的反馈扭矩。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明的电子差速控制方法适用于四轮独立驱动电动汽车，可以使车辆始终保持中性转向，改善车辆寻迹性；减小轮胎磨损，增加轮胎使用寿命；中和转向阻力矩，提高方向盘转向手感。

2、每个驱动轮转向半径和目标扭矩独立计算，能进行快速和精准的扭矩控制，引入轮胎侧偏角参与计算，提高模型精度；通过基于目标轮速的回馈算法，实时动态调节输出扭矩，对系统进行修正。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明车辆转向模型的示意图；

图2为本发明四轮驱动电动汽车电子差速控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步说明。

本发明四轮驱动电动汽车电子差速控制方法，适用于四轮驱动的电动汽车，由于车辆左右转向具有对称性，本发明均以左转向为例进行说明，右转向参照左转向进行差速控制，且规定参数计算，测量标定过程中左转向为负号，右转向为正号。车辆模型如图1所示，为了实现四轮驱动轮毂电机的差速功能，现阐述本发明的主要技术方案如下：

如图2所示，从CAN总线得到电子油门踏板信号和车速信号，根据电机扭矩map表查得总请求扭矩T_tol，按照系统前后轴扭矩分配算法得到前轴分配扭矩T_Fa和后轴分配扭矩T_Ra，其中

T_tol＝T_Fa+T_Ra (1)

由CAN总线得到方向盘转角信号δ_str经过转向比计算后得到前轮转向角为δ。根据阿克曼转向理论特性，当车辆在转向行驶过程中，全部车轮都必须始终绕着同一个瞬时中心点做圆周滚动，且前轴内侧转向轮和外侧转向轮的转角满足关系式：

cotδ_fr-cotδ_fl＝K/L (2)

其中，δ_fr：前外轮转角；δ_fl：前内轮转角；K：两主销中心距；L：轴距。

一般情况下，基于阿克曼转向梯形的方程满足：δ_fr＝f(δ_fl)，即以前内轮转角值确定前外轮转角值，因此驾驶员意图的前轮转向角和实际前轮转角的关系近似为：

δ_fl≈δ (3)

本发明分别计算出两前轮转向半径和两后轮转向半径，并通过引入轮胎侧偏角参与计算，使转向半径模型更符合实际转向几何关系，保证后续目标轮速计算的准确性。同样以图示1左转向为例，O_j为瞬时转向中心到车辆中轴垂线交点，在计算两前轮转向半径时，将车辆简化为内侧前轮、后轮二自由度模型和外侧前轮、后轮二自由度模型，则前内轮转向半径：

前外轮转向半径：

其中，δ_fl为前内轮转角，δ_fr为前外轮转角，α_rl为前内轮侧偏角，α_fr为前外轮侧偏角，α_rl为后内轮侧偏角，α_rr为后外轮侧偏角。

在计算后轮转向半径时，参考前轮简化后的二自由度模型，则后内轮转向半径：

后外轮转向半径：

正常差速转向时，所有车轮都处于滚动状态，每个车轮滚动的时间都是一样的，可知车速和转向半径是成比例的，即

v_fl+v_fr＝2v_ref，v_rl+v_rr＝2v_ref (9)

其中，v_fl，v_fr，v_rl，v_rr分别为前轮内外侧轮速和后轮内外侧轮速，v_ref为参考车速，由上述(8)、(9)方程可知四个车轮的目标轮速是关于参考车速、转向角和轮胎侧偏角的变量：

本发明采用轮速负反馈对输出扭矩进行修正，实时监控四轮实际轮速和目标轮速的差异，通过乘以预设的扭矩修正比例系数H，同时乘以基于前轮转向角的符号函数，确定各轮输出修正反馈扭矩的大小为：

其中，比例系数H是关于参考车速和油门踏板开度的关联量，可以通过预设的map图查询；v_{fr_act}、v_{fl_act}、v_{rl_act}、v_{rr_act}为从轮速传感器上得到的四轮实际轮速。当实际轮速和目标轮速的差值扩大时，轮毂电机的输出修正扭矩就会增大，以使轮速尽快趋向于目标轮速。

利用如下公式可以计算出左右驱动轮的转矩比为：

其中，B为前轴B_f或后轴B_r轮距，h为车辆质心到地面的高度，g为重力加速度。从公式(12)可以看出分布式车辆驱动转矩比是关于车速和前轮转向角的函数，在电子差速控制下，需要提高外侧电机输出扭矩，减小内侧电机输出扭矩，使内外侧电机输出扭矩差值增加，同时内外侧轮胎角速度差速也随着增大，来帮助车辆提升转向性能。

如前文所述，轮毂电机前后轴的分配扭矩分别为T_Fa和T_Ra，车辆转向时内外轮扭矩差为：

前轴：

后轴：

将内侧驱动轮减去扭矩差，外侧驱动轮加上扭矩差，同时各自加上基于目标轮速修正的反馈扭矩，得到前后轴内外侧驱动轮实际转矩分配大小为：

T_{Fa_i}＝T_Fa-ΔT_{Fa_Diff}+T_{Fa_i_mod} (15)

T_{Fa_o}＝T_Fa+ΔT_{Fa_Diff}+T_{Fa_o_mod} (16)

T_{Ra_i}＝T_Ra-ΔT_{Ra_Diff}+T_{Ra_i_mod} (17)

T_{Ra_o}＝T_Ra+ΔT_{Ra_Diff}+T_{Ra_o_mod} (18)

根据式(15)～(18)就可以得到差速转向过程中各驱动轮的扭矩分配值。为了防止车辆在高速行驶时系统误干预，还需要设置最小转向角触发门限，当方向盘转角绝对值大于这一门限值时差速功能才工作，小于这一值时系统默认为车辆处于直线行驶状态，此时系统退出。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.一种四轮驱动电动汽车电子差速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：根据车轮转角和轮胎侧偏角分别计算两前轮转向半径和两后轮转向半径；

S02：根据参考车速和得到的两前轮转向半径和两后轮转向半径分别计算四个车轮的目标轮速；

S03：实时监控四轮实际轮速和目标轮速的差异，通过预设的扭矩修正比例系数确定各轮输出修正反馈扭矩，对输出扭矩进行修正；

S04：将内侧驱动轮减去扭矩差，外侧驱动轮加上扭矩差，同时各自加上基于目标轮速修正的反馈扭矩，得到前后轴内外侧驱动轮实际转矩；

所述步骤S01中，在计算两前轮转向半径时，将车辆简化为内侧前轮、后轮二自由度模型和外侧前轮、后轮二自由度模型，则前内轮转向半径：

前外轮转向半径：

在计算后轮转向半径时，参考前轮简化后的二自由度模型，则后内轮转向半径：

后外轮转向半径：

其中，L为轴距，δ_fl为前内轮转角，δ_fr为前外轮转角，α_fl为前内轮侧偏角，α_fr为前外轮侧偏角，α_rl为后内轮侧偏角，α_rr为后外轮侧偏角；

所述步骤S02中计算四个车轮的目标轮速包括：

正常差速转向时，所有车轮都处于滚动状态，每个车轮滚动的时间都是一样的，可知车速和转向半径是成比例的，即：

v_fl+v_fr＝2v_ref,v_rl+v_rr＝2v_ref (9)；

其中，v_fl，v_fr，v_rl，v_rr分别为前轮内外侧轮速和后轮内外侧轮速，v_ref为参考车速；

得到四个车轮的目标轮速：

所述步骤S04包括：

轮毂电机前后轴分配的扭矩分别为T_Fa和T_Ra，车辆转向时内外轮扭矩差为：

前轴：

后轴：

其中，K(v_ref,δ)为左右驱动轮的转矩比，

B为前轴B_f或后轴B_r轮距，h为车辆质心到地面的高度，g为重力加速度，δ为前轮转向角；

将内侧驱动轮减去扭矩差，外侧驱动轮加上扭矩差，同时各自加上基于目标轮速修正的反馈扭矩，得到前后轴内外侧驱动轮实际转矩为：

T_{Fa_i}＝T_Fa-ΔT_{Fa_Diff}+T_{Fa_i_mod} (15)

T_{Fa_o}＝T_Fa+ΔT_{Fa_Diff}+T_{Fa_o_mod} (16)

T_{Ra_i}＝T_Ra-ΔT_{Ra_Diff}+T_{Ra_i_mod} (17)

T_{Ra_o}＝T_Ra+ΔT_{Ra_Diff}+T_{Ra_o_mod} (18)

其中，T_{Fa_i_mod}为前内轮基于目标轮速修正的反馈扭矩，T_{Fa_o_mod}为前外轮基于目标轮速修正的反馈扭矩，T_{Ra_i_mod}为后内轮基于目标轮速修正的反馈扭矩，T_{Ra_o_mod}为后外轮基于目标轮速修正的反馈扭矩。

2.根据权利要求1所述的四轮驱动电动汽车电子差速控制方法，其特征在于，所述步骤S01之前还包括，当方向盘转角绝对值大于阈值时，进行电子差速控制。

3.一种四轮驱动电动汽车电子差速控制系统，其特征在于，包括：

车轮转向半径计算模块，根据车轮转角和轮胎侧偏角分别计算两前轮转向半径和两后轮转向半径；

车轮目标轮速计算模块，根据参考车速和得到的两前轮转向半径和两后轮转向半径分别计算四个车轮的目标轮速；

输出扭矩修正模块，实时监控四轮实际轮速和目标轮速的差异，通过乘以预设的扭矩修正比例系数确定各轮输出修正反馈扭矩，对输出扭矩进行修正；

驱动轮实际转矩输出模块，将内侧驱动轮减去扭矩差，外侧驱动轮加上扭矩差，同时各自加上基于目标轮速修正的反馈扭矩，得到前后轴内外侧驱动轮实际转矩；

车轮转向半径计算模块的计算包括，在计算两前轮转向半径时，将车辆简化为内侧前轮、后轮二自由度模型和外侧前轮、后轮二自由度模型，则前内轮转向半径：

前外轮转向半径：

在计算后轮转向半径时，参考前轮简化后的二自由度模型，则后内轮转向半径：

后外轮转向半径：

其中，L为轴距，δ_fl为前内轮转角，δ_fr为前外轮转角，α_fl为前内轮侧偏角，α_fr为前外轮侧偏角，α_rl为后内轮侧偏角，α_rr为后外轮侧偏角；

所述车轮目标轮速计算模块中计算四个车轮的目标轮速包括：

正常差速转向时，所有车轮都处于滚动状态，每个车轮滚动的时间都是一样的，可知车速和转向半径是成比例的，即：

v_fl+v_fr＝2v_ref,v_rl+v_rr＝2v_ref (9)；

其中，v_fl，v_fr，v_rl，v_rr分别为前轮内外侧轮速和后轮内外侧轮速，v_ref为参考车速；

得到四个车轮的目标轮速：

所述驱动轮实际转矩输出模块计算包括：

轮毂电机前后轴分配的扭矩分别为T_Fa和T_Ra，车辆转向时内外轮扭矩差为：

前轴：

后轴：

其中，K(v_ref,δ)为左右驱动轮的转矩比，

B为前轴B_f或后轴B_r轮距，h为车辆质心到地面的高度，g为重力加速度，δ为前轮转向角；

将内侧驱动轮减去扭矩差，外侧驱动轮加上扭矩差，同时各自加上基于目标轮速修正的反馈扭矩，得到前后轴内外侧驱动轮实际转矩为：

T_{Fa_i}＝T_Fa-ΔT_{Fa_Diff}+T_{Fa_i_mod} (15)

T_{Fa_o}＝T_Fa+ΔT_{Fa_Diff}+T_{Fa_o_mod} (16)

T_{Ra_i}＝T_Ra-ΔT_{Ra_Diff}+T_{Ra_i_mod} (17)

T_{Ra_o}＝T_Ra+ΔT_{Ra_Diff}+T_{Ra_o_mod} (18)

其中，T_{Fa_i_mod}为前内轮基于目标轮速修正的反馈扭矩，T_{Fa_o_mod}为前外轮基于目标轮速修正的反馈扭矩，T_{Ra_i_mod}为后内轮基于目标轮速修正的反馈扭矩，T_{Ra_o_mod}为后外轮基于目标轮速修正的反馈扭矩。

4.根据权利要求3所述的四轮驱动电动汽车电子差速控制系统，其特征在于，还包括判断模块，当方向盘转角绝对值大于阈值时，进行电子差速控制。

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