CN113002324A - 一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统，本系统包括信息采集模块、转向决策模块、电子差速控制模块和执行模块。在车辆转向模式和驱动模式可以切换的情况下，合理将速度型电子差速控制策略和转矩型电子差速控制策略相结合，从而使车辆在各种转向模式和驱动模式下均可以保持良好的差速性能，提高汽车的行驶稳定性。

Description

一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统

技术领域

本发明属于电动汽车动力学控制领域，涉及一种电动汽车驱动技术，具体涉及一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统。

背景技术

随着车辆产业技术的不断成熟，车辆被应用于人类生产生活的方方面面。车辆行驶要求和路面状况愈来愈复杂，对车辆的结构和控制策略的设计提出了更高的要求。因此，一种新型的四轮独立转向独立驱动车辆被提出，与传统车辆相比，它具备更好的操作性和灵活性，其设计代表了未来无人车辆的发展方向，也是目前智能车辆领域的前沿课题之一。对于四轮独立转向独立驱动新型车辆系统，其相比于传统车辆的创新与优势主要体现在新的操控方式和驱动方式上。其中，四轮独立转向技术为车辆的操纵增加了新的操控自由度，可使车辆转弯时后轮直接参与横向运动的控制，不仅可以减少转向力产生的滞后，而且还可以独立地控制车辆的运动轨迹与姿态，提高其控制稳定性；四轮独立驱动技术通过独立电机或独立的制动系统，以直接或间接的方式对各个轮胎的驱动力进行控制，从而实现对车辆动力学的控制和补偿，进而提高车辆的控制精度和稳定性。

车辆在弯道行驶时，内外侧车轮的转弯半径是不一样的，这就导致内外侧车轮车速在转向工况下是不一致的；外侧车轮中心速度应该大于内侧车轮，否则可能会导致车轮滑转现象，降低车辆的行驶安全性；传统车辆采用差速器结构解决这个问题，对于四轮独立驱动电动汽车，其采用四个轮毂电机对每个车轮进行独立驱动；因此，我们需要采用新的控制策略来实现对四轮独立驱动电动汽车的差速控制。目前国内外广泛采用的控制策略有两种，一种是速度型电子差速控制策略，一种是转矩型电子差速控制策略。速度型电子差速控制策略是以前轮转向角和目标车速为阿克曼转向模型的输入，算出各车轮的理论轮速，理论轮速与实际轮速的差值作为控制变量，通过相关控制策略控制电机输出转矩。转矩型电子差速控制策略是对轮毂电机采用直接转矩控制，将滑移率、质心侧偏角、横摆角速度等动力学参数作为控制变量计算各车轮的目标转矩，并通过控制轮毂电机输出转矩抑制车辆动力学的干扰，实现轮毂电机协调控制。

速度型电子差速控制策略可以使实际轮速更加精确的跟踪目标轮速、实现轮毂电机的协调控制，但基于阿克曼转向模型的电子差速控制方法没有考虑轮胎的纵向滑移率，只能在低速时有效。而且这种控制方法限制了运动自由度，如果行驶过程中出现控制误差，易产生车轮滑转的不稳定现象。基于转矩的控制策略不会对两侧驱动轮的运动自由度产生限制，车辆转向时对于外界环境复杂性所导致的矛盾不再突出，有利于对车轮纵向滑移率进行控制。目前已有的基于四轮独立驱动电动汽车的电子差速系统存在以下问题：1)电子差速系统都是基于前轮转向车辆进行设计研究的，不适用于四轮驱动汽车；2)电子差速系统控制策略多为单一模式，未能结合速度型电子差速控制策略和转矩型电子差速控制策略的优点。鉴于这些问题，本发明提出了一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统，旨在设计一种在车辆的转向和驱动模式可切换的情况下，均能保持良好差速性能的电子差速系统。

发明内容

本发明的目的在于提出一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统，在车辆转向模式和驱动模式可以切换的情况下，合理将速度型电子差速控制策略和转矩型电子差速控制策略相结合，从而使车辆在各种转向模式和驱动模式下均可以保持良好的差速性能，提高汽车的行驶稳定性。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

电子差速系统包含八种电子差速控制模式，分别为前轮转向前轮驱动模式下基于转速的电子差速控制模式、前轮转向四轮驱动模式下前轮基于转速和后轮基于转矩的电子差速控制模式、前轮转向四轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式、前轮转向对角车轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式、四轮转向前轮驱动模式下基于转速的电子差速控制模式、四轮转向四轮驱动模式下前轮基于转速和后轮基于转矩的电子差速控制模式、四轮转向四轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式和四轮转向对角车轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式；整个系统包括信息采集模块、转向决策模块、电子差速控制模块和执行模块；系统根据车辆当前车速、车辆纵向车速、方向盘转角、加速踏板行程信号、质心侧偏角、横摆角速度、侧向加速度、轮胎滑转率和路面附着系数、坡度的变化情况切换不同的差速控制模式；

技术方案中所述信息采集模块通过车载传感器采集车辆自身运动信息，通过路面附着系数估计器估计路面附着系数，通过路面坡度估计器估计路面坡度；所述车辆自身运动信息包括方向盘转角、车辆当前车速、车辆当前纵向车速、车辆质心侧偏角、横摆角速度、侧向加速度及每个车轮的转速；

技术方案中所述转向决策模块接收信息采集模块获取的电动汽车的当前车速、方向盘转角、质心侧偏角、横摆角速度及侧向加速度，并按照内置的计算公式计算转向模式选择系数并根据其值按相应决策方法确定车辆的转向模式；转向模式包括前轮转向模式和四轮转向模式；进一步地，当确定车辆的转向模式为前轮转向时，转向决策模块根据方向盘转角按照内置的计算公式计算期望的前轮转角；当确定车辆的转向模式为四轮转向时，转向决策模块根据方向盘转角通过一种基于比例控制和横摆角速度反馈控制的方法计算出相应的期望前轮转角和后轮转角；

技术方案中所述电子差速控制模块接收信息采集模块获取的当前车速、四个车轮轮速、加速踏板行程信号、路面附着系数及路面坡度，接收转向决策模块计算出的期望前轮转角和后轮转角；然后按照内置公式计算四个车轮的平均滑转率和临界车速；进一步地，根据平均滑转率、路面附着系数、路面坡度及临界车速按照内置的计算公式和决策方法确定相应的电子差速控制模式；技术方案中所述八种电子差速控制模式中，车轮有两种差速控制策略；分别为基于转速的电子差速控制策略和基于转矩的电子差速控制策略；当车轮采用基于转速的电子差速控制策略时，电子差速控制模块根据接收的车速、期望前轮转角和后轮转角通过一种基于阿克曼转向模型的计算方法得到各车轮理论轮速；进一步地，电子差速控制模块以各车轮理论转速与实测转速的差值作为控制变量，通过比例积分微分控制策略控制四个轮毂电机输出转矩，使实际轮速跟踪目标轮速；当电子差速系统采用基于转矩的电子差速控制策略时，电子差速控制模块根据接收的期望前轮转角和后轮转角信息按照内置公式计算出期望转矩；进一步地，所述电子差速控制器接收期望转矩、临界车速、及来自四个轮速传感器的车轮轮速信号，根据转向驱动模式的选择按照内置公式计算相应差速模式下每个车轮的驱动转矩；所述电子差速控制模块与四个电机控制器相连；电子差速模块向四个电机控制器发送转矩控制目标信号；所述执行模块控制相关的执行机构完成电子差速控制模块输入的控制策略，以实现车辆的差速转向过程；所述执行机构包括四个轮毂电机、四轮独立转向机构、电机控制器。

技术方案所述转向决策模块接收信息采集模块获取的电动汽车的当前车速、当前纵向车速、方向盘转角、质心侧偏角、横摆角速度及侧向加速度，并按照内置的计算公式和决策方法确定车辆转向模式的方法包含一下步骤；

1)计算转向模式选择系数，计算公式如下；

其中，K_s为转向模式选择系数，u,u_h分别为当前车速和高速界限值，δ,δ_l分别为当前方向盘转角和临界方向盘转角，r,r_max分别为当前车辆横摆角速度和横摆角速度稳定极限值，β,β_max分别为车辆质心侧偏角和质心侧偏角稳定极限值，a_y,a_{y max}分别为车辆当前侧向加速度和侧向加速度稳定界限值，w₁,w₂,w₃,w₄,w₅为权重系数；

其中高速界限值的确定方法如下；

当车辆在城市工况下行驶时，u_h＝60km/h；当车辆在高速工况下行驶时，u_h＝90km/h；

临界方向盘转角的取值根据车速的变化采取一种分段取值的方法：

当本车车速v_s≤60km/h时，δ_l＝δ₁；

当60km/h＜u＜90km/h时，δ_l的取值遵循以下公式：

当u≥90km/h时，δ_l＝δ₂；

其中：

90°＜δ₂＜δ₁＜180°

δ₁,δ₂具体取值由生产厂家根据汽车方向盘转向行程自行设定；

横摆角速度的稳定界限计算方法如下；

故，

质心侧偏角的稳定界限计算方法如下；

故，

式中，r表示横摆角速度，F_yf,F_yr分别表示车辆前轴和后轴受到的侧向力，m为整车质量，

为路面附着系数，u_x为车辆纵向速度，β为质心侧偏角，k₂表示车辆后轴的侧偏刚度，a,b分别表示车辆前轴和后轴距离车辆质心的距离，L为车辆轴距；

侧向加速度稳定界限值计算公式如下；

a_ymax＝u(r_max+ω_{β_ref})

式中，u为车辆当前车速，ω_{β_ref}为车辆质心侧偏角速度阈值，ω_{β_ref}的取值由车辆生产厂商根据车辆稳定性能要求设定；

权重系数w₁,w₂,w₃,w₄,w₅的确定方法采用模糊控制，具体方法如下；

该模糊控制方法输入为当前车速与方向盘转角，其模糊子集定义为V＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，A＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，输出为所述权重系数w₁＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，w₂＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，w₃＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，w₄＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，w₅＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}；其中V为车速，A为方向盘转角；

2)根据转向模式选择系数确定车辆转向模式；

当K_s＜1时，选择前轮转向模式；

当K_s≥1时，选择四轮转向模式。

技术方案所述转向决策模块计算出相应的期望前轮转角和后轮转角的方法如下；

1)当电子差速系统采用前轮转向差速模式时，期望前轮转角计算公式如下；

δ_f＝iδ_w

其中δ_f为车辆前轮转角，i为转向系统角传动比，δ_w为方向盘转角；

2)当电子差速系统采用四轮转向差速模式时，所述一种基于比例控制和横摆角速度反馈控制的方法包含以下步骤；

①线控转向器根据输入的方向盘转角计算期望前轮转角，具体公式如下；

δ_f＝iδ_w

②根据前轮期望转角计算后轮期望转角，具体公式如下；

δ_r＝k_fδ_f+k_rr

其中δr为后轮期望转角，k_f,k_r为令车辆稳态时质心侧偏角为零时的前后轮转角比例系数和横摆角速度反馈系数，a,b分别为车辆质心到前后轴的距离，m为车辆整备质量，L为车辆轴距，k₁,k₂分别为前后轮侧偏刚度。

技术方案所述电子差速控制模块按照内置公式计算四个车轮的平均滑转率、临界车速及期望转矩的方法如下；

1)平均滑转率的计算方法如下；

电子差速控制模块建立一个数据库，从电子差速模块运行开始将采集到的当前车轮轮速储存到数据库中，采集周期为0.001秒；同时，采集到每组轮速后，计算每个时刻各车轮滑转率，计算公式如下；

其中，s_i车轮i的滑转率，u为车速，ω_i为车轮i的转速，r为车轮半径；

进一步地，将第车轮i从电子差速模块运行开始后的前100组滑移率计算值记为s_i1,s_i2,…s_i100；采用最小二乘法确定车轮i的平均滑转率，令误差平方和

代入数据s_i1,s_i2,…s_i100；决策模块求得使R值最小时s_ei的值，即为车轮i的平均滑转率；

则四个车轮的平均滑转率为；

其中，s_e为四个车轮的平均滑转率，s_e1，s_e2，s_e3，s_e4分别为左前轮平均滑转率、右前轮平均滑转率、左后轮平均滑转率和右后轮平均滑转率；

2)临界车速的计算方法如下；

当转向决策模块确定转向模式为前轮转向时，临界车速计算公式如下；

当转向决模块确定转向模式为四轮转向时，临界车速计算公式如下；

其中，V_l1，V_l2为临界车速，h_s为车辆质心高度，g为重力加速度；

3)期望转矩计算公式如下；

T_r＝R_w(F_f+F_w+F_i+F_j)

其中T_r为期望转矩，R_w为车轮滚动半径，F_f,F_w,F_i,F_j分别为车辆行驶过程中的滚动阻力、空气阻力、加速阻力和爬坡阻力。

技术方案所述电子差速模块根据平均滑转率、路面附着系数、路面坡度及临界车速按照内置的计算公式和决策方法确定相应电子差速控制模式的方法包含以下步骤；

1)计算差速模式选择系数，计算公式如下；

其中，K_m为差速模式选择系数，

分别为路面附着系数和路面高附着系数界限值，i为路面坡度值，w₆,w₇,w₈为权重系数；

其中，路面高附着系数

权重系数确定方法如下；

若当前车速u＜30km/h，取w₆＝0.2,w₇＝0.2,w₈＝0.6；

若当前车速30km/h≤u＜0.8u_h，取w₆＝0.4,w₇＝0.3,w₈＝0.3；

若当前车速u≥0.8u_h，取w₆＝0.6,w₇＝0.2,w₈＝0.2；

2)根据差速模式选择系数确定相应的电子差速模式；具体包含以下步骤；

①当转向决策模块确定车辆转向模式为前轮转向模式时；

若K_m＜0，电子差速模式为前轮转向前轮驱动模式下基于转速的电子差速控制模式；

若0≤K_m＜0.1，电子差速模式为前轮转向四轮驱动模式下前轮基于转速和后轮基于转矩的电子差速控制模式；

若K_m≥0.1，电子差速模式为前轮转向四轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式；

在前三种模式的基础上，如果当前车速u＞V_l1，电子差速模式直接切换为前轮转向对角车轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式；

②当转向决策模块确定车辆转向模式为四轮转向模式时；

若K_m＜0，电子差速模式为四轮转向前轮驱动模式下基于转速的电子差速控制模式；

若0≤K_m＜0.1，电子差速模式为四轮转向四轮驱动模式下前轮基于转速和后轮基于转矩的电子差速控制模式；

若K_m≥0.1，电子差速模式为四轮转向四轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式；

在前三种模式的基础上，如果当前车速u＞V_l1，电子差速模式直接切换为四轮转向对角车轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式。

技术方案所述电子差速控制模块通过阿克曼前轮转向模型计算各车轮理论轮速的过程包括以下两种情况；

①当电子差速控制模块确定的差速模式包含基于转速的电子差速控制策略时且转向模式为前轮转向时，电子差速控制模块根据输入的期望前轮转角和车速通过阿克曼前轮转向模型计算各车轮理论轮速的公式如下；

其中，V_w1,V_w2,V_w3,V_w4分别为车辆左右前轮、左右后轮的理论轮速，R₁,R₂,R₃,R₄分别为车辆左右前轮、左右后轮相对于阿克曼转向模型理论转向中心的转向半径，R_s为车辆质心相对于阿克曼转向模型理论转向中心的转向半径，B为车辆轮距，L为车辆轴距，b为车辆质心到前轴的距离；

当电子差速控制模块确定的差速模式为前轮基于转速后轮基于转矩的电子差速控制策略时，只需要计算出前轮的理论轮速。

②当电子差速控制模块确定的差速模式包含基于转速的电子差速控制策略时且转向模式为四轮转向时，电子差速控制模块根据输入的期望前后轮转角和车速通过阿克曼前轮转向模型计算各车轮理论轮速的公式如下；

其中，V_w1,V_w2,V_w3,V_w4分别为车辆左右前轮、左右后轮的理论轮速，R₁,R₂,R₃,R₄分别为车辆左右前轮、左右后轮相对于阿克曼转向模型理论转向中心的转向半径，R_s为车辆质心相对于阿克曼转向模型理论转向中心的转向半径，R₀为转向中心与车辆质心之间的横向距离，B为车辆轮距，a₀,b₀分别为转向中心与车辆前轴、后轴之间的纵向距离，x₀为转向中心与车辆质心之间的纵向距离；R₀,a₀,b₀,x₀的计算公式如下；

其中，L为车辆轴距，a为车辆质心到前轴的距离；

当电子差速控制模块确定的差速模式为前轮基于转速后轮基于转矩的电子差速控制策略时，只需要计算出前轮的理论轮速。

技术方案所述电子差速控制器接收期望转矩、临界车速、及来自四个轮速传感器的车轮轮速信号，根据转向驱动模式的选择按照内置公式计算相应差速模式下每个车轮的驱动转矩过程包含以下三种情况；

①当电子差速控制模块确定的差速模式包含基于转矩的电子差速控制策略时且转向模式为前轮转向时，电子差速控制模块根据输入的期望转矩计算车轮的目标转矩的方法如下；

车辆前后轴驱动转矩采用等值分配法，前后轴需要输出的驱动转矩T_{r_r},T_{r_f}为；

T_{r_r}＝T_{r_f}＝T_r/2

分配给前轴内外侧车轮和后轴内外侧车轮的驱动力矩分别为；

T_{in_f}＝T_{r_f}-ΔT_f

T_{out_f}＝T_{r_f}+ΔT_f

T_{in_r}＝T_{r_r}-ΔT_r

T_{out_r}＝T_{r_r}+ΔT_r

其中T_{in_f},T_{out_f},T_{in_r},T_{out_r}分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩和后轴内外侧车轮的驱动转矩，ΔT_f,ΔT_r分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩差和后轮内外侧车轮驱动转矩差，计算公式为；

其中，K_f,K_r分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩比和后轴内外侧车轮的驱动转矩比，计算公式为；

其中a,b分别为车辆质心到前后轴的距离；

当电子差速控制模块确定的差速模式为前轮基于转速后轮基于转矩的电子差速控制策略时，只需要计算出后轮的驱动力矩。

②当电子差速控制模块确定的差速模式包含基于转矩的电子差速控制策略时且转向模式为四轮转向时，电子差速控制模块根据输入的期望转矩计算车轮的目标转矩的方法如下；

车辆前后轴驱动转矩采用等值分配法，前后轴需要输出的驱动转矩T_{r_r},T_{r_f}为；

T_{r_r}＝T_{r_f}＝T_r/2

分配给前轴内外侧车轮和后轴内外侧车轮的驱动力矩分别为；

T_{in_f}＝T_{r_f}-ΔT_f

T_{out_f}＝T_{r_f}+ΔT_f

T_{in_r}＝T_{r_r}-ΔT_r

T_{out_r}＝T_{r_r}+ΔT_r

其中T_{in_f},T_{out_f},T_{in_r},T_{out_r}分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩和后轴内外侧车轮的驱动转矩，ΔT_f,ΔT_r分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩差和后轮内外侧车轮驱动转矩差，计算公式为；

其中，K_f,K_r分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩比和后轴内外侧车轮的驱动转矩比，计算公式为；

其中a,b分别为车辆质心到前后轴的距离；

当电子差速控制模块确定的差速模式为前轮基于转速后轮基于转矩的电子差速控制策略时，只需要计算出后轮的驱动力矩。

③当电子差速控制模块确定的差速模式驱动模为对角车轮驱动模式时，电子差速控制模块根据输入的期望转矩计算车轮的目标转矩的方法如下；

由前轴外侧车轮和后轴内侧车轮驱动转向，且前轴外侧车轮和后轴内侧车轮的驱动转矩均为期望驱动转矩的一半，即；

T_{out_f}＝T_{in_r}＝T_r/2

在对角车轮驱动模式下，前轴内侧车轮和后轴外侧车轮不输出驱动转矩。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1)本系统设计了八种电子差速控制模式，将四轮独立驱动和独立转向电动汽车不同的转向模式和驱动模式通过合理的方式结合，以适应不同的工况，充分利用了其独立驱动和独立转向的特性；

2)在不同转向模式和驱动模式相结合的基础上，本系统在不同工况下对不同车轮采用不同的差速控制策略，将转速型电子差速控制策略与转矩型电子差速控制策略相结合，使车辆始终保持良好的转向差速性能，提高了车辆的行驶稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是所提出的电子差速控制系统结构框图；

图2是所提出的电子差速控制系统工作流程示意图；

图3是二自由度四轮转向车辆模型；

图4是车辆在前轮转向模式下的阿克曼转向示意图；

图5是车辆在四轮转向模式下的阿克曼转向示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的解释。

如图1所示，整个系统包括信息采集模块、转向决策模块、电子差速控制模块和执行模块；信息采集模块通过车载传感器采集车辆自身运动信息，通过路面附着系数估计器估计路面附着系数，通过路面坡度估计器估计路面坡度；所述车辆自身运动信息包括方向盘转角、车辆当前车速、车辆当前纵向车速、车辆质心侧偏角、横摆角速度、侧向加速度及每个车轮的转速；转向决策模块接收信息采集模块获取的电动汽车的当前车速、方向盘转角、质心侧偏角、横摆角速度及侧向加速度，并按照内置的计算公式计算转向模式选择系数并根据其值按相应决策方法确定车辆的转向模式；转向模式包括前轮转向模式和四轮转向模式；进一步地，当确定车辆的转向模式为前轮转向时，转向决策模块根据方向盘转角按照内置的计算公式计算期望的前轮转角；当确定车辆的转向模式为四轮转向时，转向决策模块根据方向盘转角通过一种基于比例控制和横摆角速度反馈控制的方法计算出相应的期望前轮转角和后轮转角；电子差速控制模块接收信息采集模块获取的当前车速、四个车轮轮速、加速踏板行程信号、路面附着系数及路面坡度，接收转向决策模块计算出的期望前轮转角和后轮转角；然后按照内置公式计算四个车轮的平均滑转率和临界车速；进一步地，根据平均滑转率、路面附着系数、路面坡度及临界车速按照内置的计算公式和决策方法确定相应的电子差速控制模式；技术方案中所述八种电子差速控制模式中，车轮有两种差速控制策略；分别为基于转速的电子差速控制策略和基于转矩的电子差速控制策略；当车轮采用基于转速的电子差速控制策略时，电子差速控制模块根据接收的车速、期望前轮转角和后轮转角通过一种基于阿克曼转向模型的计算方法得到各车轮理论轮速；进一步地，电子差速控制模块以各车轮理论转速与实测转速的差值作为控制变量，通过比例积分微分控制策略控制四个轮毂电机输出转矩，使实际轮速跟踪目标轮速；当电子差速系统采用基于转矩的电子差速控制策略时，电子差速控制模块根据接收的期望前轮转角和后轮转角信息按照内置公式计算出期望转矩；进一步地，所述电子差速控制器接收期望转矩、临界车速、及来自四个轮速传感器的车轮轮速信号，根据转向驱动模式的选择按照内置公式计算相应差速模式下每个车轮的驱动转矩；所述电子差速控制模块与四个电机控制器相连；电子差速模块向四个电机控制器发送转矩控制目标信号；执行模块控制相关的执行机构完成电子差速控制模块输入的控制策略，以实现车辆的差速转向过程；所述执行机构包括四个轮毂电机、四轮独立转向机构、电机控制器。

如图2所示，本发明所述的电子差速系统工作流程如下：

首先，信息采集模块通过车载传感器采集车辆自身运动信息，通过路面附着系数估计器估计路面附着系数，通过路面坡度估计器估计路面坡度；所述车辆自身运动信息包括方向盘转角、车辆当前车速、车辆当前纵向车速、车辆质心侧偏角、横摆角速度、侧向加速度及每个车轮的转速；

转向决策模块接收信息采集模块获取的电动汽车的当前车速、方向盘转角、质心侧偏角、横摆角速度及侧向加速度，并按照内置的计算公式计算转向模式选择系数并根据其值按相应决策方法确定车辆的转向模式；

内置的计算公式和决策方法确定车辆转向模式的方法包含一下步骤；

1)计算转向模式选择系数，计算公式如下；

其中，K_s为转向模式选择系数，u,u_h分别为当前车速和高速界限值，δ,δ_l分别为当前方向盘转角和临界方向盘转角，r,r_max分别为当前车辆横摆角速度和横摆角速度稳定极限值，β,β_max分别为车辆质心侧偏角和质心侧偏角稳定极限值，a_y,a_ymax分别为车辆当前侧向加速度和侧向加速度稳定界限值，w₁,w₂,w₃,w₄,w₅为权重系数；

其中高速界限值的确定方法如下；

当车辆在城市工况下行驶时，u_h＝60km/h；当车辆在高速工况下行驶时，u_h＝90km/h；

临界方向盘转角的取值根据车速的变化采取一种分段取值的方法：

当本车车速v_s≤60km/h时，δ_l＝δ₁；

当60km/h＜u＜90km/h时，δ_l的取值遵循以下公式：

当u≥90km/h时，δ_l＝δ₂；

其中：

90°＜δ₂＜δ₁＜180°

δ₁,δ₂具体取值由生产厂家根据汽车方向盘转向行程自行设定；

横摆角速度的稳定界限计算方法如下：

车辆转向过程中，在车体坐标系下的纵向速度u_x近似等于在大地坐标系下的纵向速度u，即：

v_x≈u_x

由图3所示车辆二自由度动力学模型可知车辆质心侧偏角和横摆角速度有如下关系；

式中，β表示质心侧偏角，F_yf,F_yr分别表示车辆前轴和后轴受到的侧向力，m为整车质量，u_x为车辆纵向速度，δ_f表示前轮转角，并假设车辆左前轮和右前轮转角相同，r是车辆横摆角速度；

进一步地，当

趋近于零时，认为车辆动力学状态是稳定的；忽略轮胎纵向力，横摆角速度稳定界限如下所示：

式中，

为路面附着系数；

故，

质心侧偏角的稳定界限计算方法如下：

质心侧偏角的稳定界限的计算依托于对轮胎饱和特性的研究，根据经典的刷子模型推导轮胎的饱和特性，刷子模型表达式如下：

式中，α_f,α_r分别表示车辆前轴和后轴侧偏角，F_zf,F_zr分别表示车辆前轴和后轴的垂向力，C_αf,C_αr分别表示车辆前轴和后轴的侧偏刚度；有刷子模型可知，在小角度假设的条件下，α_r的稳定范围如下：

式中，a₀,b₀分别表示车辆前轴和后轴距离车辆质心的距离；则质心侧偏角稳定界限如下所示：

令C_αr＝k₂

则，

式中，l为车辆轴距；

侧向加速度稳定界限值计算公式如下；

a_ymax＝u(r_max+ω_{β_ref})

式中，u为车辆当前车速，ω_{β_ref}为车辆质心侧偏角速度阈值，ω_{β_ref}的取值由车辆生产厂商根据车辆稳定性能要求设定；

权重系数w₁,w₂,w₃,w₄,w₅的确定方法采用模糊控制，具体方法如下；

该模糊控制方法输入为当前车速与方向盘转角，其模糊子集定义为V＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，A＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，输出为所述权重系数，其模糊集合定义为w₁＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，w₂＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，w₃＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，w₄＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，w₅＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}；其中V为车速，A为方向盘转角；

上述w₁模糊控制规则为：

上述w₂模糊控制规则为：

上述w₁模糊控制规则为：

上述w₁模糊控制规则为：

上述w₁模糊控制规则为：

2)根据转向模式选择系数确定车辆转向模式；

当K_s＜1时，选择前轮转向模式；当K_s≥1时，选择四轮转向模式。

确定了转向模式以后，转向决策模块根据转向模式的选择根据信息采集模块输入的方向盘转角，计算期望前轮和后轮转角，具体过程如下：

1)当电子差速系统采用前轮转向差速模式时，期望前轮转角计算公式如下；

δ_f＝iδ_w

其中δ_f为车辆前轮转角，i为转向系统角传动比，δ_w为方向盘转角；

2)当电子差速系统采用四轮转向差速模式时，所述一种基于比例控制和横摆角速度反馈控制的方法包含以下步骤；

①线控转向器根据输入的方向盘转角计算期望前轮转角，具体公式如下；

δ_f＝iδ_w

②根据前轮期望转角和车辆当前横摆角速度计算后轮期望转角，具体公式如下；

δ_r＝k_fδ_f+k_rr

其中δr为后轮期望转角，k_f,k_r为令车辆稳态时质心侧偏角为零时的前后轮转角比例系数和横摆角速度反馈系数，a,b分别为车辆质心到前后轴的距离，m为车辆整备质量，L为车辆轴距，k₁,k₂分别为前后轮侧偏刚度。

k_f,k_r的确定过程如下：

根据图3所示车辆二自由度动力学模型建立四轮转向汽车动力学方程：

将方程进行变换得到：

带入公式：δ_r＝k_fδ_f+k_rr，并对上式进行拉式变换，可以得到质心侧偏角的响应传递函数：

令质心侧偏角的值为零，则上式为零，即可求得：

进一步地，转向决策模块将确定的转向模式及计算出的前轮和后轮期望转角输入到电子差速控制模块，电子差速控制模块根据信息采集模块输入的信息计算平均滑移率和临界车速，具体过程如下：

1)平均滑转率的计算方法如下；

电子差速控制模块建立一个数据库，从电子差速模块运行开始将采集到的当前车轮轮速储存到数据库中，采集周期为0.001秒；同时，采集到每组轮速后，计算每个时刻各车轮滑转率，计算公式如下；

其中，s_i车轮i的滑转率，u为车速，ω_i为车轮i的转速，r为车轮半径；

进一步地，将第车轮i从电子差速模块运行开始后的前100组滑移率计算值记为s_i1,s_i2,…s_i100；采用最小二乘法确定车轮i的平均滑转率，令误差平方和

代入数据s_i1,s_i2,…s_i100；决策模块求得使R值最小时s_ei的值，即为车轮i的平均滑转率；

则四个车轮的平均滑转率为；

其中，s_e为四个车轮的平均滑转率，s_e1，s_e2，s_e3，s_e4分别为左前轮平均滑转率、右前轮平均滑转率、左后轮平均滑转率和右后轮平均滑转率；

2)临界车速的计算方法如下；

当转向决策模块确定转向模式为前轮转向时，临界车速计算公式如下；

当转向决模块确定转向模式为四轮转向时，临界车速计算公式如下；

其中，V_l1，V_l2为临界车速，h_s为车辆质心高度，g为重力加速度；

计算出平均滑转率和临界车速后，电子差速控制模块按照内置计算公式和决策方法确定相应电子差速控制模式，其具体过程包含以下步骤；

1)计算差速模式选择系数，计算公式如下；

其中，K_m为差速模式选择系数，

分别为路面附着系数和路面高附着系数界限值，i为路面坡度值，w₆,w₇,w₈为权重系数；

其中，路面高附着系数

权重系数确定方法如下；

若当前车速u＜30km/h，取w₆＝0.2,w₇＝0.2,w₈＝0.6；

若当前车速30km/h≤u＜0.8u_h，取w₆＝0.4,w₇＝0.3,w₈＝0.3；

若当前车速u≥0.8u_h，取w₆＝0.6,w₇＝0.2,w₈＝0.2；

2)根据差速模式选择系数确定相应的电子差速模式；具体包含以下步骤；

①当转向决策模块确定车辆转向模式为前轮转向模式时；

若K_m＜0，电子差速模式为前轮转向前轮驱动模式下基于转速的电子差速控制模式；

若0≤K_m＜0.1，电子差速模式为前轮转向四轮驱动模式下前轮基于转速和后轮基于转矩的电子差速控制模式；

若K_m≥0.1，电子差速模式为前轮转向四轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式；

在前三种模式的基础上，如果当前车速u＞V_l1，电子差速模式直接切换为前轮转向对角车轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式；

②当转向决策模块确定车辆转向模式为四轮转向模式时；

若K_m＜0，电子差速模式为四轮转向前轮驱动模式下基于转速的电子差速控制模式；

若0≤K_m＜0.1，电子差速模式为四轮转向四轮驱动模式下前轮基于转速和后轮基于转矩的电子差速控制模式；

若K_m≥0.1，电子差速模式为四轮转向四轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式；

在前三种模式的基础上，如果当前车速u＞V_l1，电子差速模式直接切换为四轮转向对角车轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式。

在确定了差速控制模式以后，电子差速控制模块会判断该种模式下是否有车轮采用基于转速的电子差速控制策略，如果有，则通过阿克曼前轮转向模型计算各车轮理论轮速，具体过程包括以下两种情况；

①当电子差速控制模块确定的差速模式包含基于转速的电子差速控制策略时且转向模式为前轮转向时，电子差速控制模块根据输入的期望前轮转角和车速通过如图4所示阿克曼前轮转向模型计算各车轮理论轮速的公式如下；

其中，V_w1,V_w2,V_w3,V_w4分别为车辆左右前轮、左右后轮的理论轮速，R₁,R₂,R₃,R₄分别为车辆左右前轮、左右后轮相对于阿克曼转向模型理论转向中心的转向半径，R_s为车辆质心相对于阿克曼转向模型理论转向中心的转向半径，B为车辆轮距，L为车辆轴距，b为车辆质心到前轴的距离；

当电子差速控制模块确定的差速模式为前轮基于转速后轮基于转矩的电子差速控制策略时，只需要计算出前轮的理论轮速。

②当电子差速控制模块确定的差速模式包含基于转速的电子差速控制策略时且转向模式为四轮转向时，电子差速控制模块根据输入的期望前后轮转角和车速通过如图5所示阿克曼前轮转向模型计算各车轮理论轮速的公式如下；

其中，V_w1,V_w2,V_w3,V_w4分别为车辆左右前轮、左右后轮的理论轮速，R₁,R₂,R₃,R₄分别为车辆左右前轮、左右后轮相对于阿克曼转向模型理论转向中心的转向半径，R_s为车辆质心相对于阿克曼转向模型理论转向中心的转向半径，R₀为转向中心与车辆质心之间的横向距离，B为车辆轮距，a₀,b₀分别为转向中心与车辆前轴、后轴之间的纵向距离，x₀为转向中心与车辆质心之间的纵向距离；R₀,a₀,b₀,x₀的计算公式如下；

其中，L为车辆轴距，a为车辆质心到前轴的距离；

当电子差速控制模块确定的差速模式为前轮基于转速后轮基于转矩的电子差速控制策略时，只需要计算出前轮的理论轮速。

计算出采用基于转速的电子差速控制策略的车轮理论轮速后，进一步地，电子差速控制模块以车轮理论转速与实测转速的差值作为控制变量，通过比例积分微分控制策略计算出车轮的理论驱动转矩。

进一步地，电子差速控制模块会判断该种模式下是否有车轮采用基于转速的电子差速控制策略，如果有，则先计算期望转矩，计算公式如下；

T_r＝R_w(F_f+F_w+F_i+F_j)

其中T_r为期望转矩，R_w为车轮滚动半径，F_f,F_w,F_i,F_j分别为车辆行驶过程中的滚动阻力、空气阻力、加速阻力和爬坡阻力。

接着电子差速控制器接收期望转矩、临界车速、及来自四个轮速传感器的车轮轮速信号，根据转向驱动模式的选择按照内置公式计算相应差速模式下每个车轮的驱动转矩，具体过程包含以下三种情况；

①当电子差速控制模块确定的差速模式包含基于转矩的电子差速控制策略时且转向模式为前轮转向时，电子差速控制模块根据输入的期望转矩计算车轮的目标转矩的方法如下；

车辆前后轴驱动转矩采用等值分配法，前后轴需要输出的驱动转矩T_{r_r},T_{r_f}为；

T_{r_r}＝T_{r_f}＝T_r/2

分配给前轴内外侧车轮和后轴内外侧车轮的驱动力矩分别为；

T_{in_f}＝T_{r_f}-ΔT_f

T_{out_f}＝T_{r_f}+ΔT_f

T_{in_r}＝T_{r_r}-ΔT_r

T_{out_r}＝T_{r_r}+ΔT_r

其中T_{in_f},T_{out_f},T_{in_r},T_{out_r}分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩和后轴内外侧车轮的驱动转矩，ΔT_f,ΔT_r分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩差和后轮内外侧车轮驱动转矩差，计算公式为；

其中，K_f,K_r分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩比和后轴内外侧车轮的驱动转矩比，计算方法如下；

前轮转向模式下，车辆转向时的向心力为：

其中，R为车身转向半径，在前轮转向模式下，如附图4所示；

考虑向心力后，车轮垂直载荷可表示为：

其中，F_z1,F_z2分别为车辆前轴内外侧车轮垂直载荷；则前轴内外侧车轮的驱动转矩比为：

同理可得，后轴内外侧车轮的驱动转矩比为：

其中a,b分别为车辆质心到前后轴的距离；

当车辆转向模式为前轮转向时，为了保证内侧车轮不出现负的转矩，我们需要设置一个临界车速，其计算方法如下：

T_{in_f}＝T_{r_f}-ΔT_f＞0

即：

即：

当电子差速控制模块确定的差速模式为前轮基于转速后轮基于转矩的电子差速控制策略时，只需要计算出后轮的驱动力矩。

②当电子差速控制模块确定的差速模式包含基于转矩的电子差速控制策略时且转向模式为四轮转向时，电子差速控制模块根据输入的期望转矩计算车轮的目标转矩的方法如下；

车辆前后轴驱动转矩采用等值分配法，前后轴需要输出的驱动转矩T_{r_r},T_{r_f}为；

T_{r_r}＝T_{r_f}＝T_r/2

分配给前轴内外侧车轮和后轴内外侧车轮的驱动力矩分别为；

T_{in_f}＝T_{r_f}-ΔT_f

T_{out_f}＝T_{r_f}+ΔT_f

T_{in_r}＝T_{r_r}-ΔT_r

T_{out_r}＝T_{r_r}+ΔT_r

其中T_{in_f},T_{out_f},T_{in_r},T_{out_r}分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩和后轴内外侧车轮的驱动转矩，ΔT_f,ΔT_r分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩差和后轮内外侧车轮驱动转矩差，计算公式为；

其中，K_f,K_r分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩比和后轴内外侧车轮的驱动转矩比，计算方法如下；

四轮转向模式下，车辆转向时的向心力为：

其中，R₀为车身转向半径，在四轮转向模式下，如附图5所示；

考虑向心力后，车轮垂直载荷可表示为：

其中，F_z1,F_z2分别为车辆前轴内外侧车轮垂直载荷；则前轴内外侧车轮的驱动转矩比为：

同理可得，后轴内外侧车轮的驱动转矩比为：

其中a,b分别为车辆质心到前后轴的距离；

当车辆转向模式为四轮转向时，为了保证内侧车轮不出现负的转矩，我们需要设置一个临界车速，其计算方法如下：

T_{in_f}＝T_{r_f}-ΔT_f＞0

即：

即：

当电子差速控制模块确定的差速模式为前轮基于转速后轮基于转矩的电子差速控制策略时，只需要计算出后轮的驱动力矩。

③当电子差速控制模块确定的差速模式驱动模为对角车轮驱动模式时，电子差速控制模块根据输入的期望转矩计算车轮的目标转矩的方法如下；

由前轴外侧车轮和后轴内侧车轮驱动转向，且前轴外侧车轮和后轴内侧车轮的驱动转矩均为期望驱动转矩的一半，即；

T_{out_f}＝T_{in_r}＝T_r/2

在对角车轮驱动模式下，前轴内侧车轮和后轴外侧车轮不输出驱动转矩。

最后，将通过基于转速的电子差速控制策略计算出的相应车轮理论驱动转矩和基于转矩的电子差速控制策略计算出的相应车轮驱动转矩输入到对应的电机控制器，电机控制器根据目标转矩信号，对与之相连的轮毂电机采用直接转矩控制方法进行电机驱动控制，从而实现差速驱动。

Claims (10)

1.一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统，其特征在于；电子差速系统包含八种电子差速控制模式，分别为前轮转向前轮驱动模式下基于转速的电子差速控制模式、前轮转向四轮驱动模式下前轮基于转速和后轮基于转矩的电子差速控制模式、前轮转向四轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式、前轮转向对角车轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式、四轮转向前轮驱动模式下基于转速的电子差速控制模式、四轮转向四轮驱动模式下前轮基于转速和后轮基于转矩的电子差速控制模式、四轮转向四轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式和四轮转向对角车轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式；整个系统包括信息采集模块、转向决策模块、电子差速控制模块和执行模块；系统根据车辆当前车速、车辆纵向车速、方向盘转角、加速踏板行程信号、质心侧偏角、横摆角速度、侧向加速度、轮胎滑转率和路面附着系数、坡度的变化情况切换不同的差速控制模式；

所述信息采集模块通过车载传感器采集车辆自身运动信息，通过路面附着系数估计器估计路面附着系数，通过路面坡度估计器估计路面坡度；所述车辆自身运动信息包括方向盘转角、车辆当前车速、车辆当前纵向车速、车辆质心侧偏角、横摆角速度、侧向加速度及每个车轮的转速；

所述转向决策模块接收信息采集模块获取的电动汽车的当前车速、方向盘转角、质心侧偏角、横摆角速度及侧向加速度，并按照内置的计算公式计算转向模式选择系数并根据其值确定车辆的转向模式；转向模式包括前轮转向模式和四轮转向模式；进一步地，当确定车辆的转向模式为前轮转向时，转向决策模块根据方向盘转角按照内置的计算公式计算期望的前轮转角；当确定车辆的转向模式为四轮转向时，转向决策模块根据方向盘转角及车辆当前横摆角速度通过一种基于比例控制和横摆角速度反馈控制的方法计算出相应的期望前轮转角和后轮转角；

所述电子差速控制模块接收信息采集模块获取的当前车速、四个车轮轮速、加速踏板行程信号、路面附着系数及路面坡度，接收转向决策模块计算出的期望前轮转角和后轮转角；然后按照内置公式计算四个车轮的平均滑转率和临界车速；进一步地，根据平均滑转率、路面附着系数、路面坡度及临界车速按照内置的计算公式计算差速模式选择系数并根据其值确定相应的电子差速控制模式；

所述八种电子差速控制模式中，车轮有两种差速控制策略；分别为基于转速的电子差速控制策略和基于转矩的电子差速控制策略；当车轮采用基于转速的电子差速控制策略时，电子差速控制模块根据接收的车速、期望前轮转角和后轮转角通过一种基于阿克曼转向模型的计算方法得到各车轮理论轮速；进一步地，电子差速控制模块以各车轮理论转速与实测转速的差值作为控制变量，通过比例积分微分控制策略控制四个轮毂电机输出转矩，使实际轮速跟踪目标轮速；

当电子差速系统采用基于转矩的电子差速控制策略时，电子差速控制模块根据接收的期望前轮转角和后轮转角信息按照内置公式计算出期望转矩；进一步地，所述电子差速控制器接收期望转矩、临界车速、及来自四个轮速传感器的车轮轮速信号，根据转向驱动模式的选择按照内置公式计算相应差速模式下每个车轮的驱动转矩；所述电子差速控制模块与四个电机控制器相连；电子差速模块向四个电机控制器发送转矩控制目标信号；

所述执行模块控制相关的执行机构完成电子差速控制模块输入的控制策略，以实现车辆的差速转向过程；所述执行机构包括四个轮毂电机、四轮独立转向机构、电机控制器。

2.如权利要求1所述的一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统，其特征在于所述转向决策模块接收信息采集模块获取的电动汽车的当前车速、当前纵向车速、方向盘转角、质心侧偏角、横摆角速度及侧向加速度，并按照内置的计算公式和决策方法确定车辆转向模式的方法包含一下步骤；

1)计算转向模式选择系数，计算公式如下；

其中，K_s为转向模式选择系数，u,u_h分别为当前车速和高速界限值，δ,δ_l分别为当前方向盘转角和临界方向盘转角，r,r_max分别为当前车辆横摆角速度和横摆角速度稳定极限值，β,β_max分别为车辆质心侧偏角和质心侧偏角稳定极限值，a_y,a_ymax分别为车辆当前侧向加速度和侧向加速度稳定界限值，w₁,w₂,w₃,w₄,w₅为权重系数；

其中高速界限值的确定方法如下；

当车辆在城市工况下行驶时，u_h＝60km/h；当车辆在高速工况下行驶时，u_h＝90km/h；

临界方向盘转角的取值根据车速的变化采取一种分段取值的方法：

当本车车速v_s≤60km/h时，δ_l＝δ₁；

当60km/h＜u＜90km/h时，δ_l的取值遵循以下公式：

当u≥90km/h时，δ_l＝δ₂；

其中：

90°＜δ₂＜δ₁＜180°

δ₁,δ₂具体取值由生产厂家根据汽车方向盘转向行程自行设定；

横摆角速度的稳定界限计算方法如下；

故，

质心侧偏角的稳定界限计算方法如下；

故，

式中，r表示横摆角速度，F_yf,F_yr分别表示车辆前轴和后轴受到的侧向力，m为整车质量，

为路面附着系数，u_x为车辆纵向速度，β为质心侧偏角，k₂表示车辆后轴的侧偏刚度，a,b分别表示车辆前轴和后轴距离车辆质心的距离，L为车辆轴距；

侧向加速度稳定界限值计算公式如下；

a_ymax＝u(r_max+ω_{β_ref})

式中，u为车辆当前车速，ω_{β_ref}为车辆质心侧偏角速度阈值，ω_{β_ref}的取值由车辆生产厂商根据车辆稳定性能要求设定；

权重系数w₁,w₂,w₃,w₄,w₅的确定方法采用模糊控制，具体方法如下；

该模糊控制方法输入为当前车速与方向盘转角，其模糊子集定义为V＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，A＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，输出为所述权重系数w₁＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，w₂＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，w₃＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，w₄＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}，w₅＝{ZE,PO,PS,PM,PB}，即{零、正、正小、正中、正大}；其中V为车速，A为方向盘转角；

2)根据转向模式选择系数确定车辆转向模式；

当K_s＜1时，选择前轮转向模式；

当K_s≥1时，选择四轮转向模式。

3.如权利要求1所述的一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统，其特征在于所述转向决策模块计算出相应的期望前轮转角和后轮转角的方法如下；

1)当电子差速系统采用前轮转向差速模式时，期望前轮转角计算公式如下；

δ_f＝iδ_w

其中δ_f为车辆前轮转角，i为转向系统角传动比，δ_w为方向盘转角；

2)当电子差速系统采用四轮转向差速模式时，所述一种基于比例控制和横摆角速度反馈控制的方法包含以下步骤；

(1)线控转向器根据输入的方向盘转角计算期望前轮转角，具体公式如下；

δ_f＝iδ_w

(2)根据前轮期望转角和车辆当前横摆角速度计算后轮期望转角，具体公式如下；

δ_r＝k_fδ_f+k_rr

其中δr为后轮期望转角，k_f,k_r为令车辆稳态时质心侧偏角为零时的前后轮转角比例系数和横摆角速度反馈系数，a,b分别为车辆质心到前后轴的距离，m为车辆整备质量，L为车辆轴距，k₁,k₂分别为前后轮侧偏刚度。

4.如权利要求1所述的一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统，其特征在于所述电子差速控制模块按照内置公式计算四个车轮的平均滑转率、临界车速及期望转矩的方法如下；

1)平均滑转率的计算方法如下；

电子差速控制模块建立一个数据库，从电子差速模块运行开始将采集到的当前车轮轮速储存到数据库中，采集周期为0.001秒；同时，采集到每组轮速后，计算每个时刻各车轮滑转率，计算公式如下；

其中，s_i车轮i的滑转率，u为车速，ω_i为车轮i的转速，r为车轮半径；

进一步地，将第车轮i从电子差速模块运行开始后的前100组滑移率计算值记为s_i1,s_i2,…s_i100；采用最小二乘法确定车轮i的平均滑转率，令误差平方和

代入数据s_i1,s_i2,…s_i100；决策模块求得使R值最小时s_ei的值，即为车轮i的平均滑转率；

则四个车轮的平均滑转率为；

其中，s_e为四个车轮的平均滑转率，s_e1，s_e2，s_e3，s_e4分别为左前轮平均滑转率、右前轮平均滑转率、左后轮平均滑转率和右后轮平均滑转率；

2)临界车速的计算方法如下；

当转向决策模块确定转向模式为前轮转向时，临界车速计算公式如下；

当转向决模块确定转向模式为四轮转向时，临界车速计算公式如下；

其中，V_l1，V_l2为临界车速，h_s为车辆质心高度，g为重力加速度；

3)期望转矩计算公式如下；

T_r＝R_w(F_f+F_w+F_i+F_j)

其中T_r为期望转矩，R_w为车轮滚动半径，F_f,F_w,F_i,F_j分别为车辆行驶过程中的滚动阻力、空气阻力、加速阻力和爬坡阻力。

5.如权利要求1所述的一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统，其特征在于所述电子差速模块根据平均滑转率、路面附着系数、路面坡度及临界车速按照内置的计算公式和决策方法确定相应电子差速控制模式的方法包含以下步骤；

1)计算差速模式选择系数，计算公式如下；

其中，K_m为差速模式选择系数，

分别为路面附着系数和路面高附着系数界限值，i为路面坡度值，w₆,w₇,w₈为权重系数；

其中，路面高附着系数

权重系数确定方法如下；

若当前车速u＜30km/h，取w₆＝0.2,w₇＝0.2,w₈＝0.6；

若当前车速30km/h≤u＜0.8u_h，取w₆＝0.4,w₇＝0.3,w₈＝0.3；

若当前车速u≥0.8u_h，取w₆＝0.6,w₇＝0.2,w₈＝0.2；

2)根据差速模式选择系数确定相应的电子差速模式；具体包含以下步骤；

(1)当转向决策模块确定车辆转向模式为前轮转向模式时；

若K_m＜0，电子差速模式为前轮转向前轮驱动模式下基于转速的电子差速控制模式；

若0≤K_m＜0.1，电子差速模式为前轮转向四轮驱动模式下前轮基于转速和后轮基于转矩的电子差速控制模式；

若K_m≥0.1，电子差速模式为前轮转向四轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式；

在前三种模式的基础上，如果当前车速u＞V_l1，电子差速模式直接切换为前轮转向对角车轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式；

(2)当转向决策模块确定车辆转向模式为四轮转向模式时；

若K_m＜0，电子差速模式为四轮转向前轮驱动模式下基于转速的电子差速控制模式；

若0≤K_m＜0.1，电子差速模式为四轮转向四轮驱动模式下前轮基于转速和后轮基于转矩的电子差速控制模式；

若K_m≥0.1，电子差速模式为四轮转向四轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式；

在前三种模式的基础上，如果当前车速u＞V_l1，电子差速模式直接切换为四轮转向对角车轮驱动模式下基于转矩的电子差速控制模式。

6.如权利要求1所述的一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统，其特征在于当电子差速控制模块确定的差速模式包含基于转速的电子差速控制策略时且转向模式为前轮转向时，电子差速控制模块根据输入的期望前轮转角和车速通过阿克曼前轮转向模型计算各车轮理论轮速的公式如下；

其中，V_w1,V_w2,V_w3,V_w4分别为车辆左右前轮、左右后轮的理论轮速，R₁,R₂,R₃,R₄分别为车辆左右前轮、左右后轮相对于阿克曼转向模型理论转向中心的转向半径，R_s为车辆质心相对于阿克曼转向模型理论转向中心的转向半径，B为车辆轮距，L为车辆轴距，b为车辆质心到前轴的距离；

当电子差速控制模块确定的差速模式为前轮基于转速后轮基于转矩的电子差速控制策略时，只需要计算出前轮的理论轮速。

7.如权利要求1所述的一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统，其特征在于当电子差速控制模块确定的差速模式包含基于转速的电子差速控制策略时且转向模式为四轮转向时，电子差速控制模块根据输入的期望前后轮转角和车速通过阿克曼前轮转向模型计算各车轮理论轮速的公式如下；

其中，V_w1,V_w2,V_w3,V_w4分别为车辆左右前轮、左右后轮的理论轮速，R₁,R₂,R₃,R₄分别为车辆左右前轮、左右后轮相对于阿克曼转向模型理论转向中心的转向半径，R_s为车辆质心相对于阿克曼转向模型理论转向中心的转向半径，R₀为转向中心与车辆质心之间的横向距离，B为车辆轮距，a₀,b₀分别为转向中心与车辆前轴、后轴之间的纵向距离，x₀为转向中心与车辆质心之间的纵向距离；R₀,a₀,b₀,x₀的计算公式如下；

其中，L为车辆轴距，a为车辆质心到前轴的距离；

当电子差速控制模块确定的差速模式为前轮基于转速后轮基于转矩的电子差速控制策略时，只需要计算出前轮的理论轮速。

8.如权利要求1所述的一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统，其特征在于当电子差速控制模块确定的差速模式包含基于转矩的电子差速控制策略时且转向模式为前轮转向时，电子差速控制模块根据输入的期望转矩计算车轮的目标转矩的方法如下；

车辆前后轴驱动转矩采用等值分配法，前后轴需要输出的驱动转矩T_{r_r},T_{r_f}为；

T_{r_r}＝T_{r_f}＝T_r/2

分配给前轴内外侧车轮和后轴内外侧车轮的驱动力矩分别为；

T_{in_f}＝T_{r_f}-△T_f

T_{out_f}＝T_{r_f}+△T_f

T_{in_r}＝T_{r_r}-△T_r

T_{out_r}＝T_{r_r}+△T_r

其中T_{in_f},T_{out_f},T_{in_r},T_{out_r}分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩和后轴内外侧车轮的驱动转矩，△T_f,△T_r分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩差和后轮内外侧车轮驱动转矩差，计算公式为；

其中，K_f,K_r分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩比和后轴内外侧车轮的驱动转矩比，计算公式为；

其中a,b分别为车辆质心到前后轴的距离；

当电子差速控制模块确定的差速模式为前轮基于转速后轮基于转矩的电子差速控制策略时，只需要计算出后轮的驱动力矩。

9.如权利要求1所述的一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统，其特征在于当电子差速控制模块确定的差速模式包含基于转矩的电子差速控制策略时且转向模式为四轮转向时，电子差速控制模块根据输入的期望转矩计算车轮的目标转矩的方法如下；

车辆前后轴驱动转矩采用等值分配法，前后轴需要输出的驱动转矩T_{r_r},T_{r_f}为；

T_{r_r}＝T_{r_f}＝T_r/2

分配给前轴内外侧车轮和后轴内外侧车轮的驱动力矩分别为；

T_{in_f}＝T_{r_f}-△T_f

T_{out_f}＝T_{r_f}+△T_f

T_{in_r}＝T_{r_r}-△T_r

T_{out_r}＝T_{r_r}+△T_r

其中T_{in_f},T_{out_f},T_{in_r},T_{out_r}分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩和后轴内外侧车轮的驱动转矩，ΔT_f,ΔT_r分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩差和后轮内外侧车轮驱动转矩差，计算公式为；

其中，K_f,K_r分别为前轴内外侧车轮的驱动转矩比和后轴内外侧车轮的驱动转矩比，计算公式为；

其中a,b分别为车辆质心到前后轴的距离；

当电子差速控制模块确定的差速模式为前轮基于转速后轮基于转矩的电子差速控制策略时，只需要计算出后轮的驱动力矩。

10.如权利要求1所述的一种四轮独立驱动和独立转向电动汽车电子差速系统，其特征在于当电子差速控制模块确定的差速模式驱动模为对角车轮驱动模式时，电子差速控制模块根据输入的期望转矩计算车轮的目标转矩的方法如下；

由前轴外侧车轮和后轴内侧车轮驱动转向，且前轴外侧车轮和后轴内侧车轮的驱动转矩均为期望驱动转矩的一半，即；

T_{out_f}＝T_{in_r}＝T_r/2

在对角车轮驱动模式下，前轴内侧车轮和后轴外侧车轮不输出驱动转矩。

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