CN112721652A - 一种用于分布式后驱电动汽车的双模式转矩分配控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于分布式后驱电动汽车的双模式转矩分配控制方法,该分布式后驱电动汽车由双层控制结构进行控制,所述双层控制结构包括上层控制策略和下层控制策略;其特征在于:所述上层控制策略为直接橫摆附加转矩控制模块和驱动防滑附加转矩控制模块的双模式控制模块;所述直接橫摆附加转矩控制模块将横摆角速度和质心侧偏角两个参数的实际和期望的差值作为输入变量,结合模糊PID控制器求解直接橫摆附加转矩;所述驱动防滑附加转矩控制模块将实际和期望的车轮滑转率差值作为输入变量,结合最优滑转率算法和PID控制器求解车辆驱动打滑时所需驱动防滑附加转矩;本发明可以有效改善车辆的操纵稳定性,具有良好的控制效果。
Description
技术领域
本发明涉及汽车驾驶技术领域,特别是一种用于分布式后驱电动汽车的双模式转矩分配控制方法。
背景技术
分布式驱动电动汽车是未来电动汽车发展的重要方向,主要特点是将驱动电机嵌入车轮中,其传动链短、响应快、力矩控制精度高,且装有驱动电机的车轮不仅均可独立控制,而且车轮上的转矩可任意进行分配,可实现更好的控制效果。很多学者在分布式后驱电动汽车的转矩分配控制策略方面做了许多的研究。熊璐等的研究是针对分布式电动汽车设计了分层控制策略,以车辆稳定性为目标,结合动态算法矩阵和极限工况下车辆纵侧耦合特性分析了影响稳定性的因素,对转矩进行再次分配以实现车辆稳定性控制效果。宋宇等的研究是基于仿真软件搭建平台,结合四轮制动逻辑控制器和单轮制动力PID控制器,设计了以横摆角速度为反馈控制的稳定性控制系统,但其车辆模型的动力系统是基于传统内燃机驱动的,且只以橫摆角速度为单一控制目标。黄龙等的研究也是基于仿真软件搭建虚拟平台,以四轮独立驱动电动汽车为载体,以直接橫摆力矩控制策略,采用最优控制理论对驱动转矩再分配和PID控制理论对制动转矩再分配的设计;实验结果表明该设计显著提高了车辆的操纵稳定性。杜荣华等的研究是基于分布式驱动电动汽车提出的一种复合制动系统控制策略,采用滑模控制理论和加权最小二乘控制分配方法设计了分层制动转矩分配结构,保证车辆制动稳定性的同时对转矩进行再分配;验证结果表明该控制策略效果显著。张琳等的研究是基于四轮独立主动转向和直接橫摆转矩的两种控制策略的研究,最后的理论结果结合试验车进行实车仿真验证分析,证明了直接橫摆转矩在控制车辆稳定性方面效果显著。周逢军等的研究是基于分布式驱动电动汽车在常规运动工况下,建立双层架构控制策略,基于自适应滑模控制理论,设计以驾驶员意图解析为基础的跟踪控制算法,再结合控制分配理论,定义了上层滑模控制所输出的广义控制变量与下层实际控制输入之间的线性映射关系。E。Esmailzadeh等的研究为了提高汽车操纵性能,提出了一种新的多层系统的直接横摆力矩最优控制律,通过对车辆采用最优横摆力矩控制时来显著提高了车辆的操纵稳定性。因此,在前述研究的基础上,如何车辆在转向过程中进一步地提高操纵稳定性成为了申请人亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种用于分布式后驱电动汽车的双模式转矩分配控制方法。本发明可以有效改善车辆的操纵稳定性,具有良好的控制效果。
本发明的技术方案:一种用于分布式后驱电动汽车的双模式转矩分配控制方法,该分布式后驱电动汽车由双层控制结构进行控制,所述双层控制结构包括上层控制策略和下层控制策略;所述上层控制策略为直接橫摆附加转矩控制模块和驱动防滑附加转矩控制模块的双模式控制模块;所述直接橫摆附加转矩控制模块将横摆角速度和质心侧偏角两个参数的实际和期望的差值作为输入变量,结合模糊PID控制器求解直接橫摆附加转矩;所述驱动防滑附加转矩控制模块将实际和期望的车轮滑转率差值作为输入变量,结合最优滑转率算法和PID控制器求解车辆驱动打滑时所需驱动防滑附加转矩;
将车轮滑转率最大值作为标准,当实际车轮滑转率大于等于20%且小于70%的车轮滑转率最大值时,上层控制策略启动驱动防滑附加转矩控制模块,下层控制策略将整车总驱动转矩和驱动防滑附加转矩控制模块求解的驱动防滑附加转矩通过再分配策略转换为各个驱动电机上的转矩;当实际车轮滑转率大于等于70%且小于100%情况下,上层控制策略启动直接横摆转矩控制模块,下层控制策略将整车总驱动转矩和直接横摆附加转矩控制模块求解的直接横摆附加转矩通过再分配策略转换为各个驱动电机上的转矩。
上述的用于分布式后驱电动汽车的双模式转矩分配控制方法,所述直接横摆附加转矩的计算如下:
基于线性二自由度车辆模型得出车辆理想状态下的期望横摆角速度γreq和期望质心侧偏角βreq,并获取车辆行驶过程中的实际横摆角速度γreal和实际质心侧偏角βreal,将横摆角速度偏差e1=γreal-γreq和质心侧偏角的偏差e2=βreal-βreq输入值模糊PID控制器:
定义变量S:
S=ξ1×(γreal-γreq)+ξ2×(βreal-βreq)
式中:ξ1和ξ2分别为权值系数;
根据上式得到横摆附加转矩的计算公式:
ΔM1=k1×fuzzy(S);
式中:ΔM1为横摆附加转矩,fuzzy函数为Mamdani型二维模糊PID控制器。
前述的用于分布式后驱电动汽车的双模式转矩分配控制方法,所述驱动防滑附加转矩的计算如下:
基于滑转率的附着系数关系曲线图得出左后轮的期望滑转率λreq1和右后轮的期望滑转率λreq2;
根据左、右后轮速和实时车速,经滑转率计算公式得出实际滑转:
率,公式如下:
式中:λreal1、λreal2分别是左后轮的实际滑转率和右后轮的实际滑转率;w1、w2分别是实际左后轮速和实际右后轮速;ux为实时车速;r为静力半径;
将实际和期望的车轮滑转率差值作为PID控制器的输入变量,经由PID控制器通过最优滑转率算法计算得到附加横摆力矩ΔM2:
ΔM2=k2×fpid(e3).
式中:k2为比例因子,fpid函数为PID控制器的最优滑转率算法;e3为实际和期望的车轮滑转率差值。
前述的用于分布式后驱电动汽车的双模式转矩分配控制方法,通过再分配策略转换为各个驱动电机上的转矩的过程如下:
首先要把驱动防滑附加转矩或直接横摆附加转矩转换成各轮驱动力矩:
ΔM=ΔF×b=(ΔFl-ΔFr)×b/2;
式中:ΔM为驱动防滑附加转矩或直接横摆附加转矩;ΔF为修正驱动力,b为后轮距;ΔFl为左驱动轮修正驱动力,ΔFr为右驱动轮修正驱动力;
车轮的驱动力矩和驱动力之间的关系是:
式中:r为静力半径,ΔT为保证汽车在当前行驶工况下维持车身姿态时电机需要调整的力矩;
合并上面两式得到重新分配后的转矩:
式中:Trl、Trr是经过转矩重新分配后的左、右后轮转矩值,T1、T2是电门开度乘以驱动电机最大输出转矩值的左、右后轮驱动力矩。
前述的用于分布式后驱电动汽车的双模式转矩分配控制方法,当实际车轮滑转率小于20%的车轮滑转率最大值时,驱动电机的转矩由分配策略直接输出。
与现有技术相比,本发明将车轮滑转率最大值作为标准,当实际车轮滑转率大于等于20%且小于70%的车轮滑转率最大值时,上层控制策略启动驱动防滑附加转矩控制模块,下层控制策略将整车总驱动转矩和驱动防滑附加转矩控制模块求解的驱动防滑附加转矩通过再分配策略转换为各个驱动电机上的转矩;当实际车轮滑转率大于等于70%且小于100%情况下,上层控制策略启动直接横摆转矩控制模块,下层控制策略将整车总驱动转矩和直接横摆附加转矩控制模块求解的直接横摆附加转矩通过再分配策略转换为各个驱动电机上的转矩。由此,本发明利用直接横摆附加转矩控制模块用于计算转弯时车辆绕质心产生的直接横摆附加转矩,从而调节车辆的横摆运动状态进而参与车辆的驱动转矩分配模块,以达到抑制车辆转向过度/不足的目的;本发明利用驱动防滑附加转矩控制模块用于计算车辆行驶过程中防止车轮出现滑转需施加的驱动防滑附加转矩,利用路面提供的信息得出控制车辆正常转向行驶所需的力,来达到提高车辆操纵稳定性和行驶安全性的目的,因此本发明结合直接橫摆附加转矩控制模块和驱动防滑附加转矩控制模块的双模式控制策略可有效地提高车辆在转向过程中的操纵稳定性和转弯响应速度,还能够提前规避汽车在转弯行驶时进入危险极限行驶状态,极大地提高了车辆主动安全性。同时由于两种控制模式切换会对转矩分配有振荡超调,因此为提高分布式电动汽车对不同驾驶工况、路况的适应能力,考虑其两种控制模式切换离散特性和车辆状态变化的连续特性的特点,本发明还提出了两种控制模式相应的切换规则和切换流程,进而进一步的提高了汽车的操纵稳定性。本发明可以有效适合小型乘用车、小型货车的的需求,具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的框架示意图;
图2是直接橫摆附加转矩的计算示意图;
图3是驱动防滑附加转矩的计算示意图;
图4是滑转率的附着系数关系曲线图;
图5是模式切换流程示意图;
图6是单移线试验仿真分析中方向盘转角变化曲线图;
图7是单移线试验仿真分析中模式切换变化曲线图;
图8是单移线试验仿真分析中横摆角速度变化曲线图;
图9是单移线试验仿真分析中质心侧偏角变化曲线图;
图10是单移线试验仿真分析中侧向加速度变化曲线图;
图11是单移线试验仿真分析中纵向加速度变化曲线图;
图12是蛇形试验仿真分析中转向盘转角变化曲线图;
图13是蛇形试验仿真分析中模式切换变化曲线图;
图14是蛇形试验仿真分析中横摆角速度变化曲线图;
图15是蛇形试验仿真分析中质心侧偏角变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明,但并不作为对本发明限制的依据。
实施例:一种用于分布式后驱电动汽车的双模式转矩分配控制方法,该分布式后驱电动汽车由双层控制结构进行控制,所述双层控制结构包括上层控制策略和下层控制策略;如图1所示,所述上层控制策略为直接横摆附加转矩控制模块和驱动防滑附加转矩控制模块的双模式控制模块;所述直接横摆附加转矩控制模块将横摆角速度和质心侧偏角两个参数的实际和期望的差值作为输入变量,结合模糊PID控制器求解直接横摆附加转矩(图1中为了显示方便,直接横摆附加转矩控制模块输出的为附加横摆力矩);所述驱动防滑附加转矩控制模块将实际和期望的车轮滑转率差值作为输入变量,结合最优滑转率算法和PID控制器求解车辆驱动打滑时所需驱动防滑附加转矩(图1中为了显示方便,驱动防滑附加转矩控制模块输出的为附加横摆力矩);
具体地,如图2所示,所述直接横摆附加转矩的计算如下:
基于线性二自由度车辆模型得出车辆理想状态下的期望横摆角速度γreq和期望质心侧偏角βreq,并通过ADAMS多体动力学整车模型获取车辆行驶过程中的实际横摆角速度γreal和实际质心侧偏角βreal,
将横摆角速度偏差e1=γreal-γreq和质心侧偏角的偏差e2=βreal-βreq输入值模糊PID控制器:
定义变量S:
S=ξ1×(γreal-γreq)+ξ2×(βreal-βreq)
式中:ξ1和ξ2为权值系数,该权值系数由matlab中建立的模糊PID控制器得出,如下表所示:
根据上式得到横摆附加转矩的计算公式:
ΔM1=k1×fuzzy(S):
式中:ΔM1为横摆附加转矩,fuzzy函数为Mamdani型二维模糊PID控制器。
如图3所示,所述驱动防滑附加转矩的计算如下:
基于如图4所示的滑转率的附着系数关系曲线图,选取在A点处的值为目标值,因为该点的轮胎侧向附着系数为最大,且后左、右轮的纵向动力性最好,得出左后轮的期望滑转率λreq1和右后轮的期望滑转率λreq2;
根据左、右后轮速和实时车速,经滑转率计算公式得出实际滑转:
率,公式如下:
式中:λreal1、λreal2分别是左后轮的实际滑转率和右后轮的实际滑转率;w1、w2分别是实际左后轮速和实际右后轮速;ux为实时车速;r为静力半径;
将实际和期望的车轮滑转率差值作为PID控制器的输入变量,经由PID控制器通过最优滑转率算法计算得到附加横摆力矩ΔM2:
ΔM2=k2×fpid(e3);
式中:k2为比例因子,fpid函数为PID控制器的最优滑转率算法;e3为实际和期望的车轮滑转率差值。
由于两种控制模式切换会对转矩分配有振荡超调,因此为提高分布式电动汽车对不同驾驶工况、路况的适应能力,考虑其两种控制模式切换离散特性和车辆状态变化的连续特性的特点,本发明还提出了两种控制模式相应的切换规则和切换流程,进而进一步的提高了汽车的操纵稳定性。如图5所示,将车轮滑转率最大值作为标准,当实际车轮滑转率大于等于20%且小于70%的车轮滑转率最大值时,上层控制策略启动驱动防滑附加转矩控制模块,下层控制策略将整车总驱动转矩和驱动防滑附加转矩控制模块求解的驱动防滑附加转矩通过再分配策略转换为各个驱动电机上的转矩;当实际车轮滑转率大于等于70%且小于100%情况下,上层控制策略启动直接横摆转矩控制模块,下层控制策略将整车总驱动转矩和直接横摆附加转矩控制模块求解的直接横摆附加转矩通过再分配策略转换为各个驱动电机上的转矩。当实际车轮滑转率小于20%的车轮滑转率最大值时,驱动电机的转矩由分配策略直接输出。
再分配策略过程如下:
首先要把驱动防滑附加转矩或直接横摆附加转矩转换成各轮驱动力矩:
ΔM=ΔF×b=(ΔFl-ΔFr)×b/2;
式中:ΔM为驱动防滑附加转矩或直接横摆附加转矩;ΔF为修正驱动力,b为后轮距;ΔFl为左驱动轮修正驱动力,ΔFr为右驱动轮修正驱动力;
车轮的驱动力矩和驱动力之间的关系是:
式中:r为静力半径,ΔT为保证汽车在当前行驶工况下维持车身姿态时电机需要调整的力矩;
合并上面两式得到重新分配后的转矩:
式中:Trl、Trr是经过转矩重新分配后的左、右后轮转矩值,T1、T2是电门开度乘以驱动电机最大输出转矩值的左、右后轮驱动力矩;图1中修正转矩是由直接横摆附加转矩控制模块或驱动防滑附加转矩控制模块得出,而整车总驱动转矩的上限由驱动电机特性决定的,因此为了简便运算,本实施例中将整车总驱动转矩由驱动电机的转矩值来替代,即T1和T2。
为验证本发明的有效性,在传统车辆基础上更改车辆驱动方式为轮上电机直接驱动,改为转矩由外部模型输入到车轮,搭建了基于ADAMS与MATLAB/Simulink的双电机后驱的电动汽车稳定性控制虚拟仿真平台,来实现控制策略的验证。其中,在ADAMS中建立车辆模型设定相关参数如下表1;
表1
首先进行单移线试验仿真分析,单移线试验仿真指驱动车辆在行驶过程中完成车辆变车道的动作,对车辆稳定性具有重要意义。根据相关标准设计该试验工况为:v=50km/h,μ=0.4,在第1秒后转向盘向左转向100°。仿真结果曲线如下图6-11所示;图6为方向盘转角变化曲线,图7为模式切换变化曲线,图8为横摆角速度在有本发明进行控制和无本发明进行控制两种情况下的变化曲线,图9为质心侧偏角在有本发明进行控制和无本发明进行控制两种情况下的变化曲线,图10为侧向加速度在有本发明进行控制和无本发明进行控制两种情况下的变化曲线,图11为纵向加速度在有本发明进行控制和无本发明进行控制两种情况下的变化曲线。
通过分析单移线试验的仿真结果可知,车辆在仿真开始阶段能够较好的执行变道动作,随着车辆转向行驶时间变化,从无控制的质心侧偏角和横摆角速度曲线可看出,车辆出现失稳情况,且车身速度随着时间不断的下降。在转弯动作进行后的第2s,车轮上的滑转率变化值触发了上层控制策略,从有控制后的行驶轨迹可看出,车辆的横向位移减少了5m;从模式切换曲线变化图可看出此时是驱动防滑附加转矩控制模块的作用,车轮上直接施加驱动防滑附加转矩对车身行驶状态进行控制,经过控制后的质心侧偏角缩减了1.3deg、横摆角速度缩减了5deg/s,纵向加速度的变化量也减少到之前的2/3值,车身速度较无控制前下降的更缓慢。说明在低附着路面时驱动防滑附加转矩控制模块能保证提高车辆转弯时的稳定性和加快转弯响应速度,使车辆转弯又快又稳。在第7秒后车辆行驶方向回正,质心侧偏角和横摆角速度的值都回归原始状态,模式切换图上看出在第6.8s左右开始直接橫摆附加转矩控制模块,用以调节车辆的橫摆运动状态进而参与车辆的驱动转矩分配模块,以达到抑制车辆转向过度/不足的目的。
其次,申请人还进行蛇形试验仿真分析,蛇行仿真试验主要用于评估车辆的侧倾稳定性,是能够反映车辆操纵稳定性及其综合性能的试验,根据相关标准设计该试验工况为:车辆的初始运行速度为v=50km/h,道路摩擦系数μ=0.8,设定方向盘在向右转弯200°再向左转弯400°。仿真试验曲线结果如下图12-15所示;图12为转向盘转角变化曲线,图13为模式切换变化曲线,图14为横摆角速度在有本发明进行控制和无本发明进行控制两种情况下的变化曲线,图15为质心侧偏角在有本发明进行控制和无本发明进行控制两种情况下的变化曲线。
通过分析蛇行仿真试验结果可知,仿真车辆的方向盘转角输出为蛇形试验的一个周期性,在[-200°,200°]范围内变化,仿真第6s后的0.2s内完成第二次转向操作,从图14的横摆角速度变化图和图15的质心侧偏角的变化图可看出,在本发明的控制下车辆横摆角速度以及质心侧偏角在第二次转向后快速趋于稳定,说明本发明的响应足够迅速,对控制车辆横摆方向的运动稳定性有明显效果,车辆表现出良好的响应性。
综上所述,本发明利用直接橫摆附加转矩控制模块用于计算转弯时车辆绕质心产生的直接橫摆附加转矩,从而调节车辆的橫摆运动状态进而参与车辆的驱动转矩分配模块,以达到抑制车辆转向过度/不足的目的;本发明利用驱动防滑附加转矩控制模块用于计算车辆行驶过程中防止车轮出现滑转需施加的驱动防滑附加转矩,利用路面提供的信息得出控制车辆正常转向行驶所需的力,来达到提高车辆操纵稳定性和行驶安全性的目的,因此本发明结合直接橫摆附加转矩控制模块和驱动防滑附加转矩控制模块的双模式控制策略可有效地提高车辆在转向过程中的操纵稳定性和转弯响应速度,还能够提前规避汽车在转弯行驶时进入危险极限行驶状态,极大地提高了车辆主动安全性。
Claims (5)
1.一种用于分布式后驱电动汽车的双模式转矩分配控制方法,该分布式后驱电动汽车由双层控制结构进行控制,所述双层控制结构包括上层控制策略和下层控制策略;其特征在于:所述上层控制策略为直接横摆附加转矩控制模块和驱动防滑附加转矩控制模块的双模式控制模块;所述直接横摆附加转矩控制模块将横摆角速度和质心侧偏角两个参数的实际和期望的差值作为输入变量,结合模糊PID控制器求解直接横摆附加转矩;所述驱动防滑附加转矩控制模块将实际和期望的车轮滑转率差值作为输入变量,结合最优滑转率算法和PID控制器求解车辆驱动打滑时所需驱动防滑附加转矩;
将车轮滑转率最大值作为标准,当实际车轮滑转率大于等于20%且小于70%的车轮滑转率最大值时,上层控制策略启动驱动防滑附加转矩控制模块,下层控制策略将整车总驱动转矩和驱动防滑附加转矩控制模块求解的驱动防滑附加转矩通过再分配策略转换为各个驱动电机上的转矩;当实际车轮滑转率大于等于70%且小于100%情况下,上层控制策略启动直接横摆转矩控制模块,下层控制策略将整车总驱动转矩和直接横摆附加转矩控制模块求解的直接横摆附加转矩通过再分配策略转换为各个驱动电机上的转矩。
2.根据权利要求1所述的用于分布式后驱电动汽车的双模式转矩分配控制方法,其特征在于:所述直接横摆附加转矩的计算如下:
基于线性二自由度车辆模型得出车辆理想状态下的期望横摆角速度γreq和期望质心侧偏角βreq,并获取车辆行驶过程中的实际横摆角速度γreal和实际质心侧偏角βreal,将横摆角速度偏差e1=γreal-γreq和质心侧偏角的偏差e2=βreal-βreq输入值模糊PID控制器:
定义变量S:
S=ξ1×(γreal-γreq)+ξ2×(βreal-βreq)
式中:ξ1和ξ2为分别为权值系数;
根据上式得到横摆附加转矩的计算公式:
ΔM1=k1×fuzzy(S);
式中:ΔM1为横摆附加转矩,fuzzy函数为Mamdani型二维模糊PID控制器。
3.根据权利要求1所述的用于分布式后驱电动汽车的双模式转矩分配控制方法,其特征在于:所述驱动防滑附加转矩的计算如下:
基于滑转率的附着系数关系曲线图得出左后轮的期望滑转率λreq1和右后轮的期望滑转率λreq2;
根据左、右后轮速和实时车速,经滑转率计算公式得出实际滑转:
率,公式如下:
式中:λreal1、λreal2分别是左后轮的实际滑转率和右后轮的实际滑转率;w1、w2分别是实际左后轮速和实际右后轮速;ux为实时车速;r为静力半径;
将实际和期望的车轮滑转率差值作为PID控制器的输入变量,经由PID控制器通过最优滑转率算法计算得到附加横摆力矩ΔM2:
ΔM2=k2×fpid(e3);
式中:k2为比例因子,fpid函数为PID控制器的最优滑转率算法;e3为实际和期望的车轮滑转率差值。
4.根据权利要求1所述的用于分布式后驱电动汽车的双模式转矩分配控制方法,其特征在于:通过再分配策略转换为各个驱动电机上的转矩的过程如下:
首先要把驱动防滑附加转矩或直接横摆附加转矩转换成各轮驱动力矩:
ΔM=ΔF×b=(ΔFl-ΔFr)×b/2;
式中:ΔM为驱动防滑附加转矩或直接横摆附加转矩;ΔF为修正驱动力,b为后轮距;ΔFl为左驱动轮修正驱动力,ΔFr为右驱动轮修正驱动力;
车轮的驱动力矩和驱动力之间的关系是:
式中:r为静力半径,ΔT为保证汽车在当前行驶工况下维持车身姿态时电机需要调整的力矩;
合并上面两式得到重新分配后的转矩:
式中:Trl、Trr是经过转矩重新分配后的左、右后轮转矩值,T1、T2是电门开度乘以驱动电机最大输出转矩值的左、右后轮驱动力矩。
5.根据权利要求1所述的用于分布式后驱电动汽车的双模式转矩分配控制方法,其特征在于:当实际车轮滑转率小于20%的车轮滑转率最大值时,驱动电机的转矩由分配策略直接输出。
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Citations (6)
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-
2020
- 2020-12-31 CN CN202011621280.XA patent/CN112721652B/zh active Active
Patent Citations (6)
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靳彪: "《轮毂电机驱动电动汽车状态参数观测及转矩分配策略研究》", 31 December 2016 * |
Also Published As
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CN112721652B (zh) | 2022-11-25 |
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