電動(dòng)汽車牽引力控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電動(dòng)汽車技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的日益加重，節(jié)能減排成為了國(guó)內(nèi)乃至世界的重 要目標(biāo)。電動(dòng)汽車由于其高能效、低排放、低噪聲、能進(jìn)行能量回收等優(yōu)勢(shì)已然成為當(dāng)今汽 車工業(yè)發(fā)展的重大方向，國(guó)家也出臺(tái)了大量的優(yōu)惠政策支持企業(yè)研究電動(dòng)汽車，比如"十 五"期間，國(guó)家863計(jì)劃"電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)"連續(xù)兩期得到國(guó)家大力支持，以及近期提 出的"中國(guó)制造2025"戰(zhàn)略。
[0003] 采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車是近些年研究的熱點(diǎn)，因其將輪轂電機(jī)直接安裝在 車輪上，節(jié)省空間，且能夠輕量化汽車。四輪輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力可以 進(jìn)行直接獨(dú)立精確的控制，使得控制更為靈活、方便，合理控制各電動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力可以改善 電動(dòng)汽車在惡劣路面條件下的行駛性能，提高車輛操作穩(wěn)定性。牽引力控制系統(tǒng)作為電動(dòng) 汽車的主要控制系統(tǒng)之一，它的關(guān)鍵任務(wù)是在易滑路面上，有效防止車輪驅(qū)動(dòng)時(shí)過(guò)度滑轉(zhuǎn) 或者制動(dòng)時(shí)抱死，同時(shí)保證輸出力矩的有效性，也就是獲得良好的加速和制動(dòng)性能。對(duì)于電 動(dòng)汽車，由于其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，控制問(wèn)題可以得到適當(dāng)簡(jiǎn)化，同時(shí)，電機(jī)的響應(yīng)速度快，電機(jī) 的扭矩和轉(zhuǎn)速容易獲取，這為電動(dòng)汽車的先進(jìn)牽引力控制方法應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)條 件。針對(duì)于四輪輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的牽引力控制，主要有以下問(wèn)題： 1.防止車輪驅(qū)動(dòng)時(shí)過(guò)度滑轉(zhuǎn)或者制動(dòng)時(shí)抱死，和獲得良好的加速和制動(dòng)性能兩者是 矛盾的，要防止打滑就需要牽引力不能過(guò)大，而要獲得良好性能又需要牽引力越大越好，需 要對(duì)兩者進(jìn)行折中處理。
[0004] 2.四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車沒(méi)有非驅(qū)動(dòng)輪，并考慮成本問(wèn)題，準(zhǔn)確的車速難以直接獲取， 這就使得傳統(tǒng)的基于滑移率控制的控制方法難以在四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車中有效應(yīng)用。考慮如 果能夠估計(jì)出當(dāng)前狀態(tài)下滿足安全要求的每個(gè)車輪的最大傳輸力矩，利用牽引力控制系統(tǒng) 將每個(gè)車輪的實(shí)際輸出力矩嚴(yán)格控制在最大傳輸力矩以內(nèi)，來(lái)防止打滑，并且讓力矩盡量 接近最大傳輸力矩以獲得良好的車輛性能。
[0005] 3.四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車四個(gè)車輪是彼此獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的，因此需要同時(shí)控制四個(gè)車輪的 力矩，并且還要考慮到車輛本身的約束條件，比如電機(jī)的最大輸出力矩，以及車輛的安全性 約束等等。這實(shí)際是一個(gè)多目標(biāo)帶約束的復(fù)雜優(yōu)化控制問(wèn)題。普通的傳統(tǒng)算法已經(jīng)難以滿 足要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是利用可測(cè)量的量估計(jì)出當(dāng)前狀態(tài)各個(gè)車輪的最大傳輸力矩，然后 采用模型預(yù)測(cè)控制算法來(lái)設(shè)計(jì)牽引力控制器的電動(dòng)汽車牽引力控制方法。
[0007]本發(fā)明相關(guān)參數(shù)如表1所示： 表1車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型相關(guān)參數(shù)
最大傳輸力矩估計(jì)： 由車輛縱向運(yùn)動(dòng)和四個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方程可得：
(1) 其中，/ = 1,2,3,4分別代表前左、前右、后左、后右四個(gè)車輪，四個(gè)車輪的縱向力之 和設(shè)定為，這里設(shè)定四個(gè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的值都為; 在根據(jù)公式(1)可知，每個(gè)車輪的縱向力可以用下式計(jì)算： (2) 定義一個(gè)相對(duì)因子:鍵，它表示的是整車加速度和車輪加速度的比值，其中 ? = 1，2,3,4分別代表前左、前右、后左、后右四個(gè)車輪
其中，為固定參數(shù)； 用處理后的IJaxi來(lái)替換初始得到的，具體形式如下：
(6) 將^^傳 #會(huì)合引力手空_措+，作力豐莫@廁耐空_勺日寸土或會(huì)勺私
[0008] 本發(fā)明基于模型預(yù)測(cè)控制的牽引力控制器： 根據(jù)前面提出的多個(gè)控制目標(biāo)，t時(shí)刻模型所設(shè)計(jì)的基于模型預(yù)測(cè)控制的牽引力控制 器的目標(biāo)函數(shù)如下所示：
其中，巧達(dá)及:為加權(quán)系數(shù)矩陣，峨+玲為控制變量，A:讀+1)為力矩命令的變化量， 為前面估計(jì)得到的車輪最大傳輸力矩，@:為電機(jī)的最大輸出力矩。
[0009] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于最大傳輸力矩估計(jì)和模型預(yù)測(cè)控制的電動(dòng)汽車牽引力控制系 統(tǒng)能很好地解決以上三點(diǎn)問(wèn)題。本發(fā)明利用可測(cè)量的量如四個(gè)車輪的力矩和轉(zhuǎn)速信息，估 計(jì)出當(dāng)前狀態(tài)各個(gè)車輪的最大傳輸力矩，然后采用模型預(yù)測(cè)控制算法來(lái)設(shè)計(jì)牽引力控制 器，來(lái)有效防止車輪加速時(shí)打滑或者制動(dòng)時(shí)抱死，并獲得良好的加速或者制動(dòng)性能。基于力 矩和轉(zhuǎn)速信息的最大傳輸力矩估計(jì)有效避免了傳統(tǒng)方法中對(duì)于車速的依賴，大大簡(jiǎn)化控制 復(fù)雜度，并節(jié)約了控制成本。模型預(yù)測(cè)控制方法能有效的處理多目標(biāo)復(fù)雜優(yōu)化控制問(wèn)題，并 且顯性處理約束，本發(fā)明采用模型預(yù)測(cè)控制方法能同時(shí)考慮電機(jī)、整車安全性約束，最大傳 輸力矩也作為時(shí)域約束來(lái)處理，并有效實(shí)現(xiàn)車輛安全性和整車性能之間的折中優(yōu)化，在有 效防止車輪加速時(shí)打滑或者制動(dòng)時(shí)抱死前提下，獲得良好的加速或者制動(dòng)性能。通過(guò)構(gòu)造 代價(jià)函數(shù)，尋優(yōu)求解得到優(yōu)化后的四個(gè)車輪的力矩命令信號(hào)，本發(fā)明的代價(jià)函數(shù)考慮主要 包括四個(gè)方面，包括:車輛安全性(防止打滑或者抱死）、整車性能(加速和制動(dòng)性能）、駕駛 舒適性(力矩變化不能太大）、節(jié)約控制能量(在滿足性能前提下節(jié)約能量）。
[0010] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是： 1.利用輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車四個(gè)車輪的力矩和轉(zhuǎn)速信息估計(jì)最大傳輸力矩，有效避免 了傳統(tǒng)方法中對(duì)于車速的依賴，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，節(jié)約成本，并且提高了系統(tǒng)可靠性。
[0011] 2.在進(jìn)行最大傳輸力矩估計(jì)的時(shí)候，本發(fā)明同時(shí)考慮了車輛行駛風(fēng)阻和滾動(dòng)阻 力，更加符合工程實(shí)際，同時(shí)在估計(jì)最大傳輸力矩時(shí)，同時(shí)估計(jì)四個(gè)車輪，在一定程度上考 慮了四個(gè)車輪間的耦合關(guān)系。
[0012] 3.本發(fā)明中設(shè)計(jì)的牽引力控制系統(tǒng)能同時(shí)控制四個(gè)車輪，并且考慮到了最大傳輸 力矩和電機(jī)最大輸出力矩硬性約束，傳統(tǒng)的控制算法并不能有效的處理系統(tǒng)的約束，而模 型預(yù)測(cè)控制算法能有效地處理多輸入多輸出帶約束的優(yōu)化控制問(wèn)題，有效實(shí)現(xiàn)了車輛安全 性和整車性能之間的折中優(yōu)化，同時(shí)在滿足性能要求前提下，還考慮了駕駛員的舒適性和 節(jié)約控制能量。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是本發(fā)明四輪輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明基于最大傳輸力矩估計(jì)和模型預(yù)測(cè)控制的牽引力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖3是本發(fā)明電動(dòng)汽車縱向動(dòng)力學(xué)模型圖； 圖4是本發(fā)明最大傳輸力矩估計(jì)流程圖； 圖5是本發(fā)明模型預(yù)測(cè)控制基本原理圖； 圖6是本發(fā)明牽引力控制器原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 本發(fā)明相關(guān)參數(shù)如表1所示： 表1車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型相關(guān)參數(shù) 最大傳湔力矩佶計(jì)：
由車輛縱向運(yùn)動(dòng)和四個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方程可得：
(1) 其中，/ = ：^25 3^4分別代表前左、前右、后左、后右四個(gè)車輪，四個(gè)車輪的縱向力之 和設(shè)定為€，這里設(shè)定四個(gè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的值都為·^; 在根據(jù)公式(1)可知，每個(gè)車輪的縱向力可以用下式計(jì)算： (2) 定義一個(gè)相對(duì)因子顧:，它表示的是整車加速度和車輪加速度的比值，其中 ? = 分別代表前左、前右、后左、后右四個(gè)車輪
其中，為固定參數(shù)； 用處理后的來(lái)替換初始得到的，具體形式如下：
(6) 將7Ln.傳遞給整車牽引力控制器中，作為模型預(yù)測(cè)控制的時(shí)域約束。
[0015]權(quán)利要求1所述電動(dòng)汽車牽引力控制方法，其特征在于:基于模型預(yù)測(cè)控制的牽引 力控制器： 根據(jù)前面提出的多個(gè)控制目標(biāo)，t時(shí)刻模型所設(shè)計(jì)的基于模型預(yù)測(cè)控制的牽引力控制 器的目標(biāo)函數(shù)如下所示：

其中，:巧達(dá)及為加權(quán)系數(shù)矩陣，_+痧為控制變量，??#+:?)為力矩命令的變化量， 為前面估計(jì)得到的車輪最大傳輸力矩，|^:為電機(jī)的最大輸出力矩。 may ns.
[0016] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行全面說(shuō)明： 本發(fā)明是要提供一種基于最大傳輸力矩估計(jì)和模型預(yù)測(cè)控制的電動(dòng)汽車牽引力控制 方法，利用可測(cè)量的量，如四個(gè)車輪的力矩和轉(zhuǎn)速信息，估計(jì)出當(dāng)前狀態(tài)各個(gè)車輪的最大傳 輸力矩，然后采用模型預(yù)測(cè)控制算法來(lái)設(shè)計(jì)牽引力控制器，來(lái)有效防止車輪加速時(shí)打滑或 者制動(dòng)時(shí)抱死，并獲得良好的加速或者制動(dòng)性能?；诹睾娃D(zhuǎn)速信息的最大傳輸力矩估 計(jì)有效避免了傳統(tǒng)方法中對(duì)于車速的依賴。采用模型預(yù)測(cè)控制方法能有效的處理這個(gè)多目 標(biāo)復(fù)雜優(yōu)化控制問(wèn)題，并且顯性處理約束，有效實(shí)現(xiàn)車輛安全性和整車性能之間的折中優(yōu) 化。
[0017] 本發(fā)明首先利用電動(dòng)汽車四個(gè)車輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信息，結(jié)合車輛動(dòng)力學(xué)方程，推 導(dǎo)出各個(gè)車輪的最大傳輸力矩的估計(jì)方程，實(shí)時(shí)估計(jì)出各個(gè)車輪當(dāng)前狀態(tài)下的最大傳輸力 矩;其次，將各個(gè)車輪估計(jì)的最大傳輸力矩值傳遞給牽引力控制器，作為模型預(yù)測(cè)控制的時(shí) 域約束，同時(shí)考慮電機(jī)最大輸出力矩約束，利用模型預(yù)測(cè)控制算法構(gòu)造牽引力控制的代價(jià) 函數(shù)，本發(fā)明的代價(jià)函數(shù)考慮主要有四個(gè)方面，包括:車輛安全性(防止打滑或者抱死）、整 車性能(加速和制動(dòng)性能）、駕駛舒適性(力矩變化不能太大）、節(jié)約控制能量(在滿足性能前 提下節(jié)約能量）；最后，通過(guò)求解代價(jià)函數(shù)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)控制問(wèn)題，獲得優(yōu)化后的四個(gè)車輪的 力矩命令并作用于整車，有效防止車輪加速時(shí)打滑或者制動(dòng)時(shí)抱死，并獲得良好的加速或 者制動(dòng)性能。
[0018] 本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)為四輪輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，使用的平臺(tái)是在高級(jí)仿真軟件 AMESim中搭建的四輪輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車仿真模型，模型組成不僅包括電池、輪轂電機(jī)、車輪 等模型，還加入了機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車輛后處理模塊、懸架、路況信息等模型，綜合考慮車的運(yùn) 動(dòng)力學(xué)、彈性力學(xué)和氣體力學(xué)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該平臺(tái)包括四個(gè)獨(dú)立的輪轂電機(jī)1、2、3、4 (電機(jī)通過(guò)傳感器測(cè)量得到轉(zhuǎn)矩和輪速信息），四個(gè)與之對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制器5、6、7、8,一個(gè)整 車控制器10，以及為整車控制器10和電機(jī)控制器5、6、7、8之間提供通訊的CAN網(wǎng)絡(luò)11，當(dāng)然 電機(jī)的運(yùn)行離不開(kāi)電池組9,電池組9為四個(gè)電機(jī)提供電源。電機(jī)控制器5、6、7、8的主要功 能是采集相應(yīng)的四個(gè)輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信息反饋給整車牽引力控制器，并利用整車控制器10 提供的轉(zhuǎn)矩命令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的輪轂電機(jī)1、2、3、4的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，輸出期望的轉(zhuǎn)矩;整車控 制器10的作用就是根據(jù)電機(jī)控制器5、6、7、8提供的相應(yīng)的四個(gè)輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信息，通 過(guò)計(jì)算分別得到四個(gè)車輪對(duì)應(yīng)的最大傳輸轉(zhuǎn)矩估計(jì)值，作為系統(tǒng)的時(shí)域約束，利用模型預(yù) 測(cè)控制算法，同時(shí)考慮電機(jī)的最大輸出力矩，通過(guò)求解代