四轮驱动电动汽车转矩协调优化控制策略

四轮驱动电动汽车转矩协调优化控制策略

季明微

安徽江淮汽车集团股份有限公司   安徽合肥     230041

摘要：随着全球能源短缺和环境污染的日益加剧，电动汽车作为一种新的清洁能源和环境友好型交通工具，得到了国家和政府的大力支持。而四轮驱动电动汽车中的一种，能够实现较好的路面附着性，因此受到了人们越来越多的关注。为改善四轮驱动电动汽车的行驶性能，本文提出了一种四轮驱动电动汽车转矩协调优化控制策略。

关键词：四轮驱动；电动汽车；转矩协调；优化策略

对四轮驱动电动汽车进行建模和分析，并根据模型搭建了整车控制系统，主要包括转矩协调优化控制策略和车速控制策略；其次，根据建立的整车模型和转矩协调优化控制策略，基于Matlab/Simulink软件进行联合仿真验证；最后，通过实车测试进行验证。仿真结果表明：该转矩协调优化控制策略能够保证车辆在各种路面上良好行驶，同时有效地提高了四轮驱动电动汽车的行驶稳定性。

1.四轮驱动电动汽车整车模型

四轮驱动电动汽车，在行驶过程中能够通过调节各车轮的驱动力，使车辆沿着预定的行驶路径行驶，因此具有较好的行驶稳定性。其主要特点有：（1）能克服传统驱动系统中存在的机械传动装置带来的缺陷；（2）在高附着路面上具有较好的稳定性，特别是在低附着路面上；（3）较好地兼顾了四个车轮的动力性能和车辆的操纵稳定性。目前，国内外对四轮驱动电动汽车进行了大量研究，主要集中在整车建模和控制系统设计方面。首先，对于四轮驱动电动汽车建模，主要包括车辆模型、轮胎模型、路面模型、制动模型等；其次，对于控制系统设计，主要包括整车控制系统设计、动力总成控制系统设计、驱动电机控制系统设计等。目前，已经提出了许多四轮驱动电动汽车控制方法。例如：王杰等提出了基于模糊逻辑控制器的四轮驱动电动汽车动力分配策略；陈天宁等提出了基于模糊逻辑控制器的四轮驱动电动汽车动力学模型预测控制策略；沈华等提出了基于自适应神经模糊推理系统的四轮驱动电动汽车四轮独立驱动策略。仿真结果表明：本文所提出的转矩协调优化控制策略能够改善车辆行驶稳定性和操纵稳定性，且具有一定的参考价值。

本文所设计的四轮驱动电动汽车系统结构如图1所示，由前后轮驱动电机、转向电机、后驱车电机、底盘系统和转向机构等部件组成。其中，前轮和后轮分别采用了永磁同步电机和无刷直流电机作为动力系统，而转向机构则由单片离合器和液压助力转向机构组成。四个车轮均采用了轮毂电机，每个轮毂电机的转速、转矩和转速等参数通过电动汽车动力学软件进行计算后得到。车辆模型通过对电动汽车动力学理论知识的学习，建立了包括前后轴之间的转矩分配以及前后轴之间的力矩分配等方面的模型。在该整车模型中，前、后轮之间的转矩分配如图3所示，通过对仿真结果进行分析可知：随着车速的增加，四轮驱动电动汽车对前后轴的驱动力要求逐渐增大。前、后轮之间所受到的驱动力矩也会逐渐增大，当四个车轮都被驱动时，前轴驱动力最大，此时车轮受到的驱动力最大。当车速低于40km/h时，后轴所受到的驱动力矩为零。因此，为了保证车辆在各种工况下都能够实现良好行驶，四轮驱动电动汽车需要获得前后轴之间不同强度和大小的驱动力。为实现该目的，需要在四轮驱动电动汽车中加入一个转矩协调优化控制策略。在转矩协调优化控制策略中，车辆质心侧偏角、质心到车轮转矩分配系数、驱动力矩分配系数以及路面附着系数等因素都是影响整车行驶性能的关键因素。其中，质心侧偏角对于车辆行驶稳定性有着至关重要的作用。而车轮转矩分配系数则是直接影响车辆行驶稳定性的关键因素之一。在此基础上建立了四轮驱动电动汽车整车模型并通过仿真对整车模型进行验证，结果表明：该整车模型能够反映四轮驱动电动汽车整车运行情况。

图1四轮驱动电动汽车结构示意图

2.转矩协调优化控制策略

本节中，考虑到四轮驱动电动汽车的结构特点，分别建立了前轮转矩、后轮转矩以及电机转矩的数学模型。并以四轮驱动电动汽车的车速和轮胎侧偏角为控制目标，对其进行优化控制。采用固定转矩分配控制策略，主要是为了在保证车辆行驶稳定性的前提下，尽量减少电机的转矩损耗，提高车辆的续航里程。当电机转矩固定不变时，其最优控制目标可以通过优化车轮转角得到。为了优化车轮转角，采用固定转角分配控制策略：若当前车轮转矩为fxk+bxk=0fk+bxk=0,则该车轮转矩为0;若当前车轮转矩为fxk-bxk-=0fk-bxk-=0,则该车轮转矩为0;若当前车轮转矩为fxk-bxk-=0fk-bxk-=0,则该车轮转矩为1;若当前车轮转矩为fx+bx+=0fx+bx+=0fx+bx，则该车轮转矩为2。此时车辆可以通过改变电机转矩使速度发生变化。当车轮转矩较小时，电机的转矩会增加；当车轮转矩较大时，电机的转矩会减小。

3.仿真分析

在MATLAB/Simulink中，基于所建立的整车模型和转矩协调优化控制策略，搭建了四轮驱动电动汽车控制系统，包括电机驱动控制、车轮转矩分配、轮胎力分配等。通过仿真分析，可以得出转矩协调优化控制策略能够较好地实现对车轮转矩的优化分配，从而提高了汽车的行驶稳定性。当车速从20km/h降低到15km/h时，前轮转矩减小了16.9%；当车速从15km/h降低到10km/h时，后轮转矩减小了17.8%。如图2所示，当车速从20km/h降低到10km/h时，车辆转弯半径减小了38.2%。由此可见，该控制策略能够有效地提高车辆的行驶稳定性。

图2车辆动态仿真模型

结束语：

综上所述，本文通过建立整车动力学模型，在MATLAB/Simulink平台上搭建了四轮驱动电动汽车的整车控制系统。该控制系统由转矩协调优化控制策略和车速控制策略组成。针对四轮驱动电动汽车行驶过程中轮胎的滑转率较高，以及四轮驱动电动汽车在低附着路面上行驶时，存在轮胎侧滑、失稳等问题，本文提出了基于转矩协调优化控制的转矩分配算法。在低附着路面上行驶时，以提高车轮转矩分配精度为目标，对四轮驱动电动汽车的最优驱动力进行分配；在高附着路面上行驶时，以提高车轮转矩分配精度为目标，对四轮驱动电动汽车的最优驱动力进行分配。仿真结果表明，采用该转矩协调优化控制策略能够有效地降低轮胎侧滑和失稳现象的发生概率，同时保证四轮驱动电动汽车在低附着路面上良好行驶。此外，本文所采用的转矩协调优化控制策略与其他算法相比具有更高的实时性和鲁棒性。未来研究方向可考虑在保持转矩协调优化控制策略较高精度的同时，提高四轮驱动电动汽车的行驶稳定性。

参考文献：
[1]任秉韬.ResearchonTorqueCoordinationandOptimalControlofFourWheelDriveElectricVehicle[D].吉林大学,2017.

[2]向绪爱.ResearchonTorqueDistributionStrategyofFour-Wheel-DriveElectricVehicleBasedonDrivingIntentionIdentification[D].上海工程技术大学,2016.

[3]李文.Four-wheelDriveElectricVehiclesTorqueDistributionStrategyBasedonObjectiveOptimization[D].电子科技大学,2013.