CN102910204B - 一种轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器，属于汽车技术领域。它解决了现有技术中电子差速控制器控制效果不够理想，不够科学准确的问题。该控制器包括后轮力矩增量计算模块、轮毂电机力矩计算模块和差速控制模块，后轮力矩增量计算模块的输入端连接有用于接收各种车辆信号的车辆信号接收单元，轮毂电机力矩计算模块的输入端连接有车辆行驶模式判断模块和蓄电池电量估算模块，后轮力矩增量计算模块和轮毂电机力矩计算模块的输出端均与差速控制模块连接。该控制器能够在不同驾驶条件下实现对后轮两个轮毂电机转速进行合理、有效、可靠的协调控制。

Description

一种轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器

技术领域

本发明属于汽车技术领域，涉及一种轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器。

背景技术

混合动力汽车具有节能和环保的优点，是目前汽车技术发展的一种主要技术。在现有的混合动力汽车中大多数为两轮驱动的，例如在汽车前机舱安装传统发动机系统，后桥采用双轮毂电机作为辅助驱动系统的混合动力汽车，在这种构型的混合动力控制系统的设计中，后轮毂电机的电子差速控制是一个难点。

有人设计出一种电子差速控制系统，并且申报了专利，其名为“电动汽车的电机差速控制系统”，申请号：201120126600.4，公告号：CN201980292，其方案为：一种电动汽车的电机差速控制系统，其特征是：利用数字信号处理器(DSP)(8)自带的ADC转换将用户的速度命令及汽车前轮角度的模拟量转换为数字量并进行运算，之后通过串口输送给两个下级的数字信号处理器(DSP)(9，10)驱动电机(11,12)。该方案能够实现后轮电机的差速，但是其仅仅通过前轮转角模拟量进行检测，并没有考虑汽车在实际行驶中其他因素的影响，因此该方案的控制效果不够理想。

发明内容

本发明针对现有的技术存在上述问题，提出了一种轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器，该电子差速控制器能够控制后轮毂电机实现差速功能，且计算更科学，控制更精确。

本发明通过下列技术方案来实现：一种轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器，其特征在于，该电子差速控制器包括后轮力矩增量计算模块、轮毂电机力矩计算模块和差速控制模块，所述的后轮力矩增量计算模块的输入端连接有用于接收各种车辆信号的车辆信号接收单元，所述轮毂电机力矩计算模块的输入端连接有车辆行驶模式判断模块和蓄电池电量估算模块，所述的后轮力矩增量计算模块和轮毂电机力矩计算模块的输出端均与差速控制模块连接，所述的后轮力矩增量计算模块接收车辆信号接收单元输送的各种车辆信号判断出内外侧车轮并计算内侧车轮和外侧车轮的力矩增量，所述的轮毂电机力矩计算模块根据车辆行驶模式判断模块和蓄电池电量估算模块输送的信号计算当前内外侧车轮的轮毂电机力矩，所述的差速控制模块用于分别将当前内外侧车轮的轮毂电机力矩和内外侧车轮的力矩增量相加后输出驱动力矩。

本轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器通过车辆信号接收单元接收各种车辆信号，由车辆信号接收单元输送给后轮力矩增量计算模块，后轮力矩增量计算模块根据接收的信号判断出内外侧车轮并计算相应的力矩增量并将结果发送给差速控制模块，同时轮毂电机力矩计算模块接收车辆行驶模式判断模块和蓄电池电量估算模块输送的信号计算当前内外侧车轮的力矩并将结果发送给差速控制模块，差速控制模块将从后轮力矩增量计算模块接收到信号与轮毂电机力矩计算模块输送的信号进行求和计算得到内外侧车轮的驱动力矩，然后输出。

在上述的轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器中，所述的车辆信号接收单元包括前轮信号模块、后轴车速信号模块和后轮转动惯量信号模块，所述的前轮信号模块用于接收前轮偏角角度信号和计算前轮偏转角速度信号，所述的后轴车速信号模块用于接收两后轮车速并计算两后轮车速的平均车速作为后轴的中心车速信号，所述的后轮力矩增量计算模块用于接收前轮偏角角度信号、前轮偏转角速度信号和中心车速信号并判断出内外侧车轮，同时通过上述三个信号、车辆几何参数、整车质量、后轮半径和后轮转动惯量计算内外侧车轮的力矩增量。

在上述的轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器中，所述的车辆几何参数包括前轴到后轴的距离、车辆质心到前轴的距离、车辆质心到后轴的距离、左右车轮的轮距以及质心高度。

在上述的轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器中，所述的车辆行驶模式判断模块的输入端连接有档位信号接收模块、加速度信号接收模块和制动踏板信号接收模块和车钥匙信号模块，所述的车辆行驶模式判断模块用于接收档位信号、加速度信号、制动踏板信号和车钥匙信号并判断出当前车辆的行驶模式，并同时输送给上述的轮毂电机力矩计算模块以计算出当前内外侧轮毂电机力矩。

在上述的轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器中，所述的差速控制模块的输出端连接有力矩防饱和控制模块，所述的力矩防饱和控制模块的输入端还连接有轮毂电机最大力矩计算模块，所述的力矩防饱和控制模块用于在外侧车轮输出力矩饱和时控制轮毂电机的最大输出力矩。力矩防饱和控制模块根据最大力矩计算模块计算出的最大助力力矩进行力矩防饱和控制，得出两个后轮的目标转矩然后输出。

此外，本发明还提供了一种具有上述电子差速控制器的混合动力汽车，包括前轮、后轮和发动机，所述的发动机通过变速器与前轮连接，其特征在于，本混合动力汽车还包括蓄电池、电子差速控制器和分别设置于所述后轮上的轮毂电机，所述的轮毂电机的控制器和蓄电池的电池充放电管理单元均与电子差速控制器连接。电子差速控制器通过对电机控制器和电池充放电管理单元的协调控制，对电机控制和蓄电池管理进行综合处理，实现了本混合动力汽车对于各种差速控制的需求。

在上述的具有电子差速控制器的混合动力汽车中，本混合动力汽车还包括与电子差速控制器连接的检测模块，所述的检测模块包括方向盘转角传感器、后轮车速传感器、后轮转动惯量传感器、档位传感器、加速度传感器、制动踏板传感器和车钥匙传感器。通过各种传感器采集本混合动力汽车的状态信息反馈给电子差速控制器，实现了反馈控制，使得电子差速控制器的差速控制更加精准。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过对前轮信号的采集获取前轮偏角角度信号和计算前轮偏转角速度信号判断汽车的转动方向进而判断出内外侧车轮，同时通过后轮车速信号模块计算后轴中心车速，有后轮力矩增量计算模块计算出内外侧车轮的力矩增量，结合轮毂电机力矩计算模块算出的当前内外侧车轮的力矩，分别求出内外侧车轮的驱动力矩，然后输出给轮毂电机控制器，对后轮内外侧车轮分别控制，实现差速控制，本发明适合在不同驾驶条件下实现对后轮两个轮毂电机转速进行合理、有效、可靠的协调控制。

附图说明

图1是本发明实施例中电子差速控制器结构原理示意图。

图2是本发明实施例中车辆转向几何模型图。

图3是本发明实施例中车辆转向时受力分析图。

图4是本发明实施例中具有电子差速控制器的混合动力汽车的结构原理示意图。

图中，1、左前轮；2、右前轮；3、左后轮；3a、左轮毂电机；3a1、左轮毂电机控制器；4、右后轮；4a、右轮毂电机；4a1、右轮毂电机控制器；5、发动机；6、变速器；7、蓄电池；7a、电池充放电管理单元；8、电子差速控制器；9、检测模块；10、CAN总线。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器包括后轮力矩增量计算模块、轮毂电机力矩计算模块和差速控制模块，后轮力矩增量计算模块和轮毂电机力矩计算模块的输出端均与差速控制模块连接。其中，后轮力矩增量计算模块的输入端连接有用于接收各种车辆信号的车辆信号接收单元，所述轮毂电机力矩计算模块的输入端连接有车辆行驶模式判断模块和蓄电池电量估算模块。后轮力矩增量计算模块接收车辆信号接收单元输送的各种车辆信号判断出内外侧车轮并计算内侧车轮和外侧车轮的力矩增量，轮毂电机力矩计算模块根据车辆行驶模式判断模块和蓄电池电量估算模块输送的信号计算当前内外侧车轮的轮毂电机力矩，差速控制模块将当前内外侧车轮的轮毂电机力矩和内外侧车轮的力矩增量相加后输出驱动力矩。

具体来说，车辆信号接收单元包括前轮信号模块、后轴车速信号模块和后轮转动惯量信号模块，前轮信号模块接收前轮偏角角度信号和计算前轮偏转角速度信号，后轴车速信号模块接收两后轮车速并计算两后轮车速的平均车速作为后轴的中心车速信号。

如图2、图3所示，本实施例中(以车辆左转弯为例)，各种车辆信号包括前轮信号模块采集的前轮信号(包括前轮偏角角度信号δ_fl、前轮偏转角速度信号)、后轴车速信号模块采集后轴中心车速信号u_r0和后轮转动惯量信号模块采集后轴转动惯量信号I_w3，以及车辆本身的几何参数、整车质量m、车轮半径r，其中几何参数又包括前轴到后轴的距离l、车辆质心到前轴的距离lf、车辆质心到后轴的距离lr、左右车轮的轮距w以及质心高度h。

根据图2所示的车辆转向几何模型可以得到：

R₁＝L/sinδ_fl；

$R_4=R_3+w=\frac{L}{{\tan \mathrm{\δ}}_{\mathrm{fl}}}+w\frac{{\mathrm{d\δ}}_{\mathrm{fl}}}{\mathrm{dt}};$

$\frac{u_3}{u_4}=\frac{R_3}{R_4};$

u₃+u₄＝2u_r0；

$u_3=\frac{{2u}_{r0}}{2l+{w\tan \mathrm{\δ}}_{f1}};$

R₁、R₂、R₃、R₄分别表示左前轮1、右前轮2、左后轮3和右后轮4的转弯半径，u₃、u₄分别表示左后轮3和右后轮4的速度。

此时若转角突然变化，u₃对前轮偏角求导得到：

$\frac{{\mathrm{du}}_3}{{\mathrm{d\δ}}_{f1}}=-\frac{{2u}_{r0}}{{(2l+{w\tan \mathrm{\δ}}_{f1})}^2}\frac{\mathrm{lw}}{{\cos }^2{\mathrm{\δ}}_{f1}};$

故轮3的角加速度为：

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_3=\frac{1}{r}\frac{{\mathrm{du}}_3}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{r}\frac{{2u}_{r0}\mathrm{lw}}{{(2l+{w\tan \mathrm{\δ}}_{f1})}^2{\cos }^2{\mathrm{\δ}}_{f1}}\frac{{\mathrm{d\δ}}_{f1}}{\mathrm{dt}};$

此时在左后轮3作用有阻力矩：其中I_w3为左后轮3的单侧传动系统的转动惯量；同理，可以推导出作用在右后轮4上的阻力矩为： ${\mathrm{\ΔT}}_4=I_{w4}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_4={-\mathrm{\ΔT}}_3.$

因此在车辆转向行驶时，要维持平滑运动，应该对内外侧车轮施加与前轮偏角δ_fl相关的转矩增量，即对内侧车轮减少驱动转矩，对外侧车轮增大转矩。

图3示出了车辆转弯是向心运动造成各个车轮垂直载荷重新分配的情况，并结合图2进行分析，设0时刻汽车以左前轮偏角δ_fl、后轮中心车速u_r0稳定圆周行驶(a_x＝0，表示x轴向加速度为零)，则

$F_{z3}=\frac{\mathrm{lf}}{2l}\mathrm{mg}-{\mathrm{\ΔF}}_z;$

$F_{z4}=\frac{\mathrm{lf}}{2l}\mathrm{mg}+{\mathrm{\ΔF}}_z;$

其中

${\mathrm{\ΔF}}_z=\frac{{\mathrm{hl}}_f}{\mathrm{wl}}{\mathrm{ma}}_y;$

$a_y=\frac{u_{r0}^2}{R_3+w/2}=\frac{u_{r0}^2}{l/{\tan \mathrm{\δ}}_{f1}+w/2};$

上述公式中，ΔF_z表示垂直载荷的变化量，a_y表示y轴向加速度。垂直载荷的改变导致车辆滚动阻力的变化，因此得到：ΔF_roll＝fΔF_z(f表示滚动阻力系数)。

可以得到：车辆转弯时，因各车轮载荷重新分配导致内侧车轮滚动阻力变小，外侧车轮阻力变大，要消除此因素造成的影响，应该对内侧车轮减小驱动转矩，对外侧车辆增大驱动转矩，具体转矩值为：ΔT_roll＝fΔF_zr。

综合上述分析，后轮力矩增量ΔT＝|ΔT₃|+ΔT_roll；

车辆行驶模式判断模块的输入端连接有档位信号接收模块、加速度信号接收模块和制动踏板信号接收模块和车钥匙信号模块，车辆行驶模式判断模块用于接收档位信号、加速度信号、制动踏板信号和车钥匙信号并判断出当前车辆的行驶模式，并同时输送给上述的轮毂电机力矩计算模块以计算出当前内外侧轮毂电机力矩T_ass。

差速控制模块根据从后轮力矩增量计算模块接收的力矩增量ΔT，以及从轮毂电机力矩计算模块接收的当前内外侧轮毂电机力矩T_ass，通过求和计算得到：内侧车轮驱动力矩为Tl＝T_ass-ΔT，外侧车轮驱动力矩为Tr＝T_ass+ΔT。

差速控制模块的输出端连接有力矩防饱和控制模块，力矩防饱和控制模块的输入端还连接有轮毂电机最大力矩计算模块，力矩防饱和控制模块用于在外侧车轮输出力矩饱和时控制轮毂电机的最大输出力矩。力矩防饱和控制模块根据最大力矩计算模块计算出的最大助力力矩进行力矩防饱和控制，最后得出两个后轮的目标转矩然后分别输出给对应的后轮轮毂电机控制器。

图4示出了本发明实施例中具有上述电子差速控制器的混合动力汽车的结构示意图，该混合动力汽车包括左前轮1、右前轮2、左后轮3、右后轮4、发动机5，发动机5通过变速器6与左前轮1、右前轮2均连接，该混合动力汽车还包括蓄电池7、电子差速控制器8、设置于左后轮3上的左轮毂电机3a及左轮毂电机控制器3a1、设置在右后轮4上的右轮毂电机4a及右轮毂电机控制器4a1，左轮毂电机控制器3a1、右轮毂电机控制器4a1和蓄电池7的电池充放电管理单元7a均与电子差速控制器8通过CAN总线10连接，此外，电子差速控制器8的信号输入端还连接有检测模块9，检测模块9包括方向盘转角传感器、后轮车速传感器、后轮转动惯量传感器、档位传感器、加速度传感器、制动踏板传感器和车钥匙传感器。

本发明的电子差速控制器能够有效实现车辆后轮的电子差速控制，并且解决了双电机后轮毂辅助驱动混合动力汽车难以实现电子差速控制的问题。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器，其特征在于，该电子差速控制器包括后轮力矩增量计算模块、轮毂电机力矩计算模块和差速控制模块，所述的后轮力矩增量计算模块的输入端连接有用于接收各种车辆信号的车辆信号接收单元，所述轮毂电机力矩计算模块的输入端连接有车辆行驶模式判断模块和蓄电池电量估算模块，所述的后轮力矩增量计算模块和轮毂电机力矩计算模块的输出端均与差速控制模块连接，所述的后轮力矩增量计算模块接收车辆信号接收单元输送的各种车辆信号判断出内外侧车轮并计算内侧车轮和外侧车轮的力矩增量，所述的轮毂电机力矩计算模块根据车辆行驶模式判断模块和蓄电池电量估算模块输送的信号计算当前内外侧车轮的轮毂电机力矩，所述的差速控制模块用于分别将当前内外侧车轮的轮毂电机力矩和内外侧车轮的力矩增量相加后输出驱动力矩，所述的车辆信号接收单元包括前轮信号模块、后轴车速信号模块和后轮转动惯量信号模块，所述的前轮信号模块用于接收前轮偏角角度信号和计算前轮偏转角速度信号，所述的后轴车速信号模块用于接收两后轮车速并计算两后轮车速的平均车速作为后轴的中心车速信号，所述的后轮力矩增量计算模块用于接收前轮偏角角度信号、前轮偏转角速度信号和中心车速信号并判断出内外侧车轮，同时通过上述三个信号、车辆几何参数、整车质量、后轮半径和后轮转动惯量计算内外侧车轮的力矩增量。

2.根据权利要求1所述的一种轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器，其特征在于，所述的车辆几何参数包括前轴到后轴的距离、车辆质心到前轴的距离、车辆质心到后轴的距离、左右车轮的轮距以及质心高度。

3.根据权利要求2所述的一种轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器，其特征在于，所述的车辆行驶模式判断模块的输入端连接有档位信号接收模块、加速度信号接收模块和制动踏板信号接收模块和车钥匙信号模块，所述的车辆行驶模式判断模块用于接收档位信号、加速度信号、制动踏板信号和车钥匙信号并判断出当前车辆的行驶模式，并同时输送给上述的轮毂电机力矩计算模块以计算出当前内外侧轮毂电机力矩。

4.根据权利要求3所述的一种轮毂电机驱动混合动力汽车的电子差速控制器，其特征在于，所述的差速控制模块的输出端连接有力矩防饱和控制模块，所述的力矩防饱和控制模块的输入端还连接有轮毂电机最大力矩计算模块，所述的力矩防饱和控制模块用于在外侧车轮输出力矩饱和时控制轮毂电机的最大输出力矩。

5.一种具有权利要求1-4任意一项所述电子差速控制器的混合动力汽车，包括前轮(1，2)、后轮(3,4)和发动机(5)，所述的发动机(5)通过变速器(6)与前轮(1，2)连接，其特征在于，本混合动力汽车还包括蓄电池(7)、电子差速控制器(8)和分别设置于所述后轮上的轮毂电机(3a1，4a1)，所述的轮毂电机控制器(3a1，4a1)和蓄电池(7)的电池充放电管理单元(7a)均与电子差速控制器(8)连接。

6.根据权利要求5所述的一种具有上述电子差速控制器的混合动力汽车，其特征在于，本混合动力汽车还包括与电子差速控制器(8)连接的检测模块(9)，所述的检测模块(9)包括方向盘转角传感器、后轮车速传感器、后轮转动惯量传感器、档位传感器、加速度传感器、制动踏板传感器和车钥匙传感器。