CN112440757A - 轮毂分布式驱动运输车辆、控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种轮毂分布式驱动运输车辆、控制方法及控制系统，所述运输车辆包括四个轮毂电机。所述方法包括：获取当前时刻的所述运输车辆的速度和加速度；基于所述速度和所述加速度确定所述运输车辆在当前时刻的加速度阻力、风阻和滚动阻力，并根据所述加速度阻力、所述风阻和所述滚动阻力确定所述运输车辆的总转矩；基于所述运输车辆的总转矩、所述速度和预设轮毂电机效率云图确定四个轮毂电机的转矩分配方案，并根据所述转矩分配方案分别控制四个轮毂电机的转矩。本申请采用上述控制方案，可使得每个所述轮毂电机的转矩都可独立控制，从而可使得在保证所述运输车辆强动力性的前提下，大大降低整车所消耗的能量，进而节约电能。

Description

轮毂分布式驱动运输车辆、控制方法及控制系统

技术领域

本申请涉及新能源车辆技术领域，特别是涉及轮毂分布式驱动运输车辆、控制方法及控制系统。

背景技术

相比于传统的内燃机汽车，新能源汽车具有更加环保、节能、能源安全等优势，因此受到人们越来越多的关注。与传统内燃机汽车相比，新能源汽车的核心动力源从发动机逐渐转为轮毂电机。

由于轮毂电机布置方式不需要离合器、变速器、万向传动轴、主减速器、差速器、分动器、传动节、半轴等，因此具有结构紧凑、动力传递效率高、节省车辆底盘空间、整车重心降低等优势；且轮毂驱动的电机布置方式易于实施动力系统控制策略的优化，提升车辆的行驶动力学性能，提高车辆行驶稳定性。轮毂电机因具有以上独特优势而备受广泛关注。

然而，现有轮毂电机的驱动方案大多都是采用四轮同时驱动，即同时加速或减速等，在保证车辆强动力性的前提下，整车消耗的能量大大增加。

发明内容

基于此，有必要针对现有轮毂电机的驱动方案因采用四轮同时驱动，在保证强动力性的前提下，导致整车消耗的能量大大增加的问题，提供一种轮毂分布式驱动运输车辆、控制方法及控制系统。

一种轮毂分布式驱动运输车辆的控制方法，所述运输车辆包括四个轮毂电机，所述方法包括：

获取当前时刻的所述运输车辆的速度和加速度；

基于所述速度和所述加速度确定所述运输车辆在当前时刻的加速度阻力、风阻和滚动阻力，并根据所述加速度阻力、所述风阻和所述滚动阻力确定所述运输车辆的总转矩；

基于所述运输车辆的总转矩、所述速度和预设轮毂电机效率云图确定四个所述轮毂电机的转矩分配方案，并根据所述转矩分配方案分别控制四个所述轮毂电机的转矩。

在其中一个实施例中，基于所述运输车辆的总转矩、所述速度和预设轮毂电机效率云图确定四个所述轮毂电机的转矩分配方案，并根据所述转矩分配方案分别控制四个所述轮毂电机的转矩的步骤包括：

基于所述速度确定四个所述轮毂电机的转速；

获取所述预设轮毂电机效率云图，并基于所述运输车辆的总转矩和所述转速确定四个所述轮毂电机的所述转矩分配方案；

根据所述转矩分配方案分别控制四个所述轮毂电机的转矩。

在其中一个实施例中，基于所述速度确定四个所述轮毂电机的转速的步骤包括：

基于所述当前时刻的所述运输车辆的速度确定四个所述轮毂电机的转速，公式如下：

其中，n为所述转速，u_a为所述运输车辆的速度，r为车轮半径。

在其中一个实施例中，基于所述速度和所述加速度确定所述运输车辆在当前时刻的加速度阻力、风阻和滚动阻力，并根据所述加速度阻力、所述风阻和所述滚动阻力确定所述运输车辆的总转矩的步骤包括：

基于所述速度和所述加速度确定所述运输车辆在当前时刻的加速度阻力、风阻和滚动阻力；

根据所述加速度阻力、所述风阻和所述滚动阻力确定所述运输车辆的总转矩，公式如下：

其中，C_D为等效风阻系数，A为等效迎风截面积，u_a为所述速度，mg为所述运输车辆的重量，f为路面滚动阻力系数，δ为质量换算系数，

为所述运输车辆的加速度，r为车轮半径。

在其中一个实施例中，所述获取当前时刻的所述运输车辆的速度和加速度的步骤包括：

获取所述运输车辆的循环工况图；

基于所述循环工况图获取所述运输车辆在所述当前时刻的所述速度和所述加速度。

一种控制系统，应用于轮毂分布式驱动运输车辆，所述运输车辆包括四个轮毂电机，所述控制系统包括：

单片机，用于执行如上述任一项实施例所述的控制方法；

四个电机控制器，均与所述单片机电连接，且每个所述电机控制器均与一个所述轮毂电机电连接，所述单片机通过四个所述电机控制器分别控制四个所述轮毂电机的转矩。

在其中一个实施例中，所述控制系统还包括：

四个舵机，均与所述单片机电连接，且每个所述舵机对应一个车轮，所述单片机通过四个所述舵机分别控制四个所述车轮的转向。

在其中一个实施例中，所述控制系统还包括：

电源，分别与四个所述舵机电连接，用于给四个所述舵机提供电能。

在其中一个实施例中，四个所述电机控制器均通过CAN总线与所述单片机电连接。

一种轮毂分布式驱动运输车辆，包括上述实施例所述的控制系统。

与现有技术相比，上述轮毂分布式驱动运输车辆、控制方法及控制系统，首先获取当前时刻的所述运输车辆的速度和加速度；然后基于所述速度和所述加速度确定所述运输车辆在当前时刻的加速度阻力、风阻和滚动阻力，并根据所述加速度阻力、所述风阻和所述滚动阻力确定所述运输车辆的总转矩；最后，基于所述运输车辆的总转矩、所述速度和预设轮毂电机效率云图确定四个所述轮毂电机的转矩分配方案，并根据所述转矩分配方案分别控制四个所述轮毂电机的转矩。采用上述控制方案，可使得每个所述轮毂电机的转矩都可独立控制，从而可使得在保证所述运输车辆强动力性的前提下，大大降低整车所消耗的能量，进而节约电能。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的轮毂分布式驱动运输车辆的控制方法的流程图；

图2为本申请一实施例提供的城建车C-WTVC的循环工况图；

图3为本申请一实施例提供的轮毂电机效率云图；

图4为本申请一实施例提供的控制系统的电气连接框图；

图5为本申请一实施例提供的轮毂分布式驱动运输车辆的电气连接框图。

10 控制系统

100 单片机

101 轮毂电机

102 电池

20 轮毂分布式驱动运输车辆

200 电机控制器

201 CAN总线

300 舵机

400 电源

401 DC/DC模块

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参见图1，本申请一实施例提供一种轮毂分布式驱动运输车辆的控制方法，所述运输车辆包括四个轮毂电机。在一个实施例中，每个所述轮毂电机对应一个车轮。即一个所述轮毂电机控制一个所述车轮。所述控制方法包括：

S102：获取当前时刻的所述运输车辆的速度和加速度。

在一个实施例中，可将所述运输车辆的循环工况图提前存储至单片机或处理器内。在使用时，通过所述单片机或处理器直接调用所述运输车辆的循环工况图，并基于所述当前时刻，获取对应的所述运输车辆的所述速度和所述加速度。

在一个实施例中，如图2所示，在所述运输车辆为城建车C-WTVC时，可通过图2所示的循环工况图确定所述城建车C-WTVC的速度和加速度。例如，当所述当前时刻为600s时，通过图2所示的所述循环工况图可确定所述城建车C-WTVC的速度为52km/h，所述加速度为5m²/s。即只要确定所述当前时刻的具体时间，即可通过所述单片机或处理器基于所述循环工况图确定所述运输车辆的所述速度和所述加速度。

S104：基于所述速度和所述加速度确定所述运输车辆在当前时刻的加速度阻力、风阻和滚动阻力，并根据所述加速度阻力、所述风阻和所述滚动阻力确定所述运输车辆的总转矩。

在一个实施例中，可通过所述单片机或处理器基于所述速度和所述加速度确定所述运输车辆在当前时刻的加速度阻力、风阻和滚动阻力。具体的，可通过如下公式计算所述加速度阻力：

其中，δ为质量换算系数，

为所述运输车辆的加速度，m为所述运输车辆的质量。

在一个实施例中，可通过如下公式计算所述风阻：

其中，C_D为等效风阻系数，A为等效迎风截面积，u_a为所述速度。

在一个实施例中，可通过如下公式计算所述滚动阻力：

mgf

其中，mg为所述运输车辆的重量，f为路面滚动阻力系数。

在一个实施例中，所述单片机或处理器在得到所述运输车辆在当前时刻的加速度阻力、风阻和滚动阻力后，可根据加速度阻力、所述风阻和所述滚动阻力确定所述运输车辆的总转矩(T)，具体公式如下：

其中，r为车轮半径。

在一个实施例中，通过所述单片机或处理器计算得到的所述运输车辆的总转矩，即为四个所述轮毂电机所需要提供的总转矩。

S106：基于所述运输车辆的总转矩、所述速度和预设轮毂电机效率云图确定四个所述轮毂电机的转矩分配方案，并根据所述转矩分配方案分别控制四个所述轮毂电机的转矩。

在一个实施例中，可通过所述单片机或处理器基于所述运输车辆的总转矩、所述速度和预设轮毂电机效率云图确定四个所述轮毂电机的转矩分配方案，并根据所述转矩分配方案分别控制四个所述轮毂电机的转矩。具体的，可先通过所述单片机或处理器基于所述速度确定四个所述轮毂电机的转速；可通过如下公式计算：

其中，n为所述转速，u_a为所述运输车辆的速度，r为车轮半径。

通过所述单片机或处理器计算得到四个所述轮毂电机的转速，则基于所述运输车辆的总转矩和所述预设轮毂电机效率云图(MAP图)确定四个所述轮毂电机的转矩分配方案。因所述运输车辆的总转矩是确定的，所以可基于所述预设轮毂电机效率云图对四个所述轮毂电机的转矩分配方案进行离散化处理，得到有限种可能性，随后遍历每一种电机输出转矩组合并计算他们消耗的能量之和，在所有结果中取能耗最小的最优解，即得到优化后的分布式驱动策略。

例如，在所述运输车辆的总转矩为：352Nm，所述运输车辆的速度为：52km/h，基于所述预设轮毂电机效率云图(如图3所示)可得到四个所述轮毂电机的最优效率值分别为：左前0.93，右前0.93，左后0.91，右后0.91；此时即可确定四个所述轮毂电机的转矩最优分配方案为：左前71(Nm)，右前71(Nm)，左后105(Nm)，右后105(Nm)。即在当前时刻，可通过所述单片机或处理器根据上述最优转矩分配方案分别控制四个所述轮毂电机的转矩，从而可使得所述运输车辆在保证强动力性的前提下，降低整车所消耗的能量，具有高性能、低能耗的优势。

在一个实施例中，所述运输车辆上的四个所述轮毂电机可采用型号参数均相同的电机。在一个实施例中，所述运输车辆上的四个所述轮毂电机也可采用型号参数均不相同的电机。此时每个所述轮毂电机对应一个轮毂电机效率云图(MAP图)。可将这些轮毂电机效率云图都存储在所述单片机或处理器内，在使用时，可直接调用。

本实施例中，首先获取当前时刻的所述运输车辆的速度和加速度；然后基于所述速度和所述加速度确定所述运输车辆在当前时刻的加速度阻力、风阻和滚动阻力，并根据所述加速度阻力、所述风阻和所述滚动阻力确定所述运输车辆的总转矩；最后，基于所述运输车辆的总转矩、所述速度和预设轮毂电机效率云图确定四个所述轮毂电机的转矩分配方案，并根据所述转矩分配方案分别控制四个所述轮毂电机的转矩。采用上述控制方案，可使得每个所述轮毂电机的转矩都可独立控制，从而可使得在保证所述运输车辆强动力性的前提下，大大降低整车所消耗的能量，进而节约电能。

在一个实施例中，步骤S106包括：基于所述速度确定四个所述轮毂电机的转速；获取所述预设轮毂电机效率云图，并基于所述运输车辆的总转矩和所述转速确定四个所述轮毂电机的所述转矩分配方案；根据所述转矩分配方案分别控制四个所述轮毂电机的转矩。

在一个实施例中，所述预设轮毂电机效率云图可直接存储在所述单片机或处理器内。在一个实施例中，所述预设轮毂电机效率云图也可存储在云端服务器内，在使用时，可通过所述单片机或处理器获取存储在所述云端服务器内的所述预设轮毂电机效率云图。

请参见图4，本申请一实施例提供一种控制系统10，应用于轮毂分布式驱动运输车辆，所述运输车辆包括四个轮毂电机101。所述控制系统包括：单片机100和四个电机控制器200。所述单片机100用于执行如上述任一项实施例所述的控制方法。四个所述电机控制器200均与所述单片机100电连接，且每个所述电机控制器200均与一个所述轮毂电机101电连接。所述单片机100通过四个所述电机控制器200分别控制四个所述轮毂电机101的转矩。

在一个实施例中，所述单片机100可采用STM32单片机。通过该STM32单片机执行上述任一项实施例所述的控制方法。在一个实施例中，每个所述电机控制器200对应一个所述轮毂电机101，即一个所述电机控制器200控制一个所述轮毂电机101，从而与所述单片机100配合，可实现对每个所述轮毂电机101的转矩进行独立控制。

在一个实施例中，可选用如下表所示的性能参数的所述轮毂电机101：

在一个实施例中，所述单片机100与四个所述电机控制器200电连接的方式不限，只要保证所述单片机100能够通过四个所述电机控制器200分别控制四个所述轮毂电机101的转矩的功能即可。在一个实施例中，所述单片机100可通过CAN总线201与四个所述电机控制器200电连接。采用所述CAN总线201进行通信，具有实时性强的特点。

在一个实施例中，四个所述电机控制器200可通过电池102供电。在一个实施例中，所述电池102可采用36V锂电池。因36V锂电池的最大输出电流为20A，而所述轮毂电机101的额定电流为9.3A，一块锂电池仅能满足两个所述轮毂电机101的用电需求，因此需使用两块。36V锂电池的正负极与所述电机控制器200相连。通过所述电机控制器200转换为三相电流U、V、W，输入到所述轮毂电机101中。即利用强电，完成对所述轮毂电机101的控制。

在一个实施例中，所述控制系统10还包括：四个舵机300。四个所述舵机300均与所述单片机100电连接，且每个所述舵机300对应一个车轮。所述单片机100通过四个所述舵机300分别控制四个所述车轮的转向。

在一个实施例中，可通过所述单片机100分别对四个所述舵机300进行控制，从而分别控制四个所述车轮的转向。在一个实施例中，所述单片机100可通过四个不同的PWM波(输出通道输出占空比为5％-25％的波形)完成对四个所述舵机300的0-270°的控制。由于在整车安装时，所述舵机300有正反装的区别，因此在控制时需注意对反装的所述轮毂电机101进行控制时，应该按相反的逻辑输出相应的PWM波。在一个实施例中，所述舵机300可设置于所述车轮质心的正上方，便于对所述车轮进行转向控制。

在一个实施例中，所述控制系统10还包括：电源400。所述电源400分别与四个所述舵机300电连接。所述电源400用于给四个所述舵机300提供电能。在一个实施例中，所述电源400可采用最大输出电流达10A的24V锂电池。

在一个实施例中，所述舵机300的工作电压范围为6-8.4V，在高扭矩瞬态输出下，其电流达到2.5A。因此将最大输出电流达10A的24V锂电池与DC/DC模块401配合，将锂电池的电压降至6-8.4V后再对四个所述舵机300供电。

本实施例中，通过所述单片机100执行上述任一项实施例所述的控制方法，并与四个所述电机控制器200配合，可对每个所述轮毂电机101的转矩进行独立控制，从而可使得在保证所述运输车辆强动力性的前提下，大大降低整车所消耗的能量，进而节约电能。

请参见图5，本申请另一实施例一种轮毂分布式驱动运输车辆20，包括如上述实施例所述的控制系统10。在一个实施例中，所述轮毂分布式驱动运输车辆20还可包括感知系统。在一个实施例中，所述感知系统可以是激光雷达。在一个实施例中，所述轮毂分布式驱动运输车辆20还可包括定位系统。在一个实施例中，所述定位系统可以由全球卫星定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)组成。

在一个实施例中，全球卫星定位系统也可采用北斗卫星定位系统代替。在一个实施例中，所述定位系统还可包括加速度传感器(IMU)。通过所述加速度传感器(IMU)与所述北斗卫星定位系统配合，通过将所述加速度传感器信息和所述北斗卫星定位系统信息进行信息处理及融合，可以减少定位误差，提高定位精度。

在一个实施例中，所述轮毂分布式驱动运输车辆20还可包括可视化模块RVIZ。RVIZ通过话题(topic)进行数据的接收与发布。RVIZ在每一帧都会订阅所有需要的话题，获得相应的信息，经过相应的函数处理反映到可视化界面上。主要的需要传输的信息包括道路的信息、车辆的信息等。

综上所述，本申请首先获取当前时刻的所述运输车辆的速度和加速度；然后基于所述速度和所述加速度确定所述运输车辆在当前时刻的加速度阻力、风阻和滚动阻力，并根据所述加速度阻力、所述风阻和所述滚动阻力确定所述运输车辆的总转矩；最后，基于所述运输车辆的总转矩、所述速度和预设轮毂电机效率云图确定四个所述轮毂电机101的转矩分配方案，并根据所述转矩分配方案分别控制四个所述轮毂电机101的转矩。本申请采用上述控制方案，可使得每个所述轮毂电机101的转矩都可独立控制，从而可使得在保证所述运输车辆强动力性的前提下，大大降低整车所消耗的能量，进而节约电能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种轮毂分布式驱动运输车辆的控制方法，所述运输车辆包括四个轮毂电机，其特征在于，所述方法包括：

获取当前时刻的所述运输车辆的速度和加速度；

基于所述速度和所述加速度确定所述运输车辆在当前时刻的加速度阻力、风阻和滚动阻力，并根据所述加速度阻力、所述风阻和所述滚动阻力确定所述运输车辆的总转矩；

基于所述运输车辆的总转矩、所述速度和预设轮毂电机效率云图确定四个所述轮毂电机的转矩分配方案，并根据所述转矩分配方案分别控制四个所述轮毂电机的转矩。

2.如权利要求1所述的轮毂分布式驱动运输车辆的控制方法，其特征在于，基于所述运输车辆的总转矩、所述速度和预设轮毂电机效率云图确定四个所述轮毂电机的转矩分配方案，并根据所述转矩分配方案分别控制四个所述轮毂电机的转矩的步骤包括：

基于所述速度确定四个所述轮毂电机的转速；

获取所述预设轮毂电机效率云图，并基于所述运输车辆的总转矩和所述转速确定四个所述轮毂电机的所述转矩分配方案；

根据所述转矩分配方案分别控制四个所述轮毂电机的转矩。

3.如权利要求2所述的轮毂分布式驱动运输车辆的控制方法，其特征在于，基于所述速度确定四个所述轮毂电机的转速的步骤包括：

基于所述当前时刻的所述运输车辆的速度确定四个所述轮毂电机的转速，公式如下：

其中，n为所述转速，u_a为所述运输车辆的速度，r为车轮半径。

4.如权利要求1所述的轮毂分布式驱动运输车辆的控制方法，其特征在于，基于所述速度和所述加速度确定所述运输车辆在当前时刻的加速度阻力、风阻和滚动阻力，并根据所述加速度阻力、所述风阻和所述滚动阻力确定所述运输车辆的总转矩的步骤包括：

基于所述速度和所述加速度确定所述运输车辆在当前时刻的加速度阻力、风阻和滚动阻力；

根据所述加速度阻力、所述风阻和所述滚动阻力确定所述运输车辆的总转矩，公式如下：

其中，C_D为等效风阻系数，A为等效迎风截面积，u_a为所述速度，mg为所述运输车辆的重量，f为路面滚动阻力系数，δ为质量换算系数，

为所述运输车辆的加速度，r为车轮半径。

5.如权利要求1所述的轮毂分布式驱动运输车辆的控制方法，其特征在于，所述获取当前时刻的所述运输车辆的速度和加速度的步骤包括：

获取所述运输车辆的循环工况图；

基于所述循环工况图获取所述运输车辆在所述当前时刻的所述速度和所述加速度。

6.一种控制系统，应用于轮毂分布式驱动运输车辆，所述运输车辆包括四个轮毂电机(101)，其特征在于，所述控制系统包括：

单片机(100)，用于执行如权利要求1-5任一项所述的控制方法；

四个电机控制器(200)，均与所述单片机(100)电连接，且每个所述电机控制器(200)均与一个所述轮毂电机(101)电连接，所述单片机(100)通过四个所述电机控制器(200)分别控制四个所述轮毂电机(101)的转矩。

7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，还包括：

四个舵机(300)，均与所述单片机(100)电连接，且每个所述舵机(300)对应一个车轮，所述单片机(100)通过四个所述舵机(300)分别控制四个所述车轮的转向。

8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，还包括：

电源(400)，分别与四个所述舵机(300)电连接，用于给四个所述舵机(300)提供电能。

9.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，四个所述电机控制器(200)均通过CAN总线(201)与所述单片机(100)电连接。

10.一种轮毂分布式驱动运输车辆，其特征在于，包括如权利要求6所述的控制系统(10)。

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