CN113547928B - 一种考虑轮胎滑移的双电机四驱电动汽车转矩分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑轮胎滑移的双电机四驱电动汽车转矩分配方法，属于新能源汽车底盘智能控制领域。该方法包括：S1：搭建整车动力学及各部件模型，包括车辆动力学模型、电池模型、电机模型、轮胎模型和电驱动系统损耗模型；S2：分析前后轴荷转移的动态约束变化，结合整车行驶的附着条件，得出主动防滑控制策略；S3：综合考虑由于工况的变化导致的工作模式频繁切换而带来的电驱动系统损耗，得到整车驱动系统最优效率曲面；S4：构建考虑前后轴荷转移和附着特性动态变化的整车效率最优的多目标双电机四驱转矩分配控制策略。本发明在保障车辆安全稳定性的前提下，显著降低能耗和模式切换频率，改善了车辆的经济性，提高了整车的舒适性。

Description

一种考虑轮胎滑移的双电机四驱电动汽车转矩分配方法

技术领域

本发明属于新能源汽车底盘智能控制领域，涉及一种考虑轮胎滑移的整车效率最优的双电机四驱电动汽车转矩分配方法。

背景技术

随着社会环保需求的日益提高，从节能的角度对电动汽车提出了更高的要求。在现有电池技术未取得重大突破的前提下，为进一步改善纯电动汽车的经济性，通过轻量化设计或高效的电驱动系统构型等方法使整个系统效率达到最优，从而实现最长的续驶里程。在驱动系统构型的选择上，前后轴双电机驱动方式相比传统的单电机四驱驱动方式，省略前后轴传动系统，降低了机械损耗，减少整备质量，同时通过直接调节各驱动电机驱动力可控制车轮附着特性，使整车获得最大驱动力；而相比分布式轮毂电机驱动控制复杂，空间布置难度大，成本高等特点，前后轴双电机驱动电动汽车逐渐成为汽车行业关注的焦点之一。前后轴双电机驱动电动汽车的转矩分配控制是新能源汽车底盘智能控制的关键技术，对整车性能起到决定性作用。因此开展新能源汽车底盘智能控制的关键技术研究，对汽车产业的转型和提升新能源汽车的研发水平有着十分重要的意义。

车辆安全稳定性和经济性是整车性能的重要指标，车辆驱动转矩分配控制直接决定了整车的性能表现。现阶段以经济性为研究目标，提出电机或系统效率优化的转矩分配策略，并未提及该策略下转矩分配是否满足当前驱动车轮附着条件。如果转矩分配不合理，过大的转矩输出使得部分车轮的驱动力大于地面提供的最大附着力，会使车轮发生滑转，从而使车辆触发ABS或ASR防滑系统来保证车辆的行驶稳定性。没有考虑动态工况下前后轴荷变化引起的整车附着条件变化而带来的整车能耗变化。在良好路面下，以经济性为优化目标所提出的转矩分配策略如果频繁触发ABS或ASR防滑系统，在这些被动防滑策略的控制下，虽然抑制了车轮打滑，但过大的转矩输出会增加整车能耗，说明该优化策略是不合理的。同时，现有技术以经济性为目标所提出的驱动系统最优效率曲面，划分出在不同工况点下对应的不同工作模式，通过不同工作模式的选择来改善车辆经济性；但忽略了前后电机的拖拽损耗、励磁损耗、开关损耗等由于工况的变化导致的工作模式频繁切换而带来的损耗。因此，现有技术所使用的驱动系统效率曲面不一定是最优效率，这也进一步影响了转矩分配策略的制定与控制，从而限制了车辆经济性能的改善空间。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种考虑轮胎滑移的双电机四驱电动汽车转矩分配方法，结合整车行驶的附着条件，考虑前后轴荷转移的动态约束变化，综合考虑由于工况的变化导致的工作模式频繁切换而带来的前后电机拖拽损耗、励磁损耗、开关损耗等损耗问题，所得到的整车驱动系统最优效率曲面更能反映出实车的真实情况，可为转矩分配策略的制定与控制提供更好的决策依据；同时，在不触发ABS或ASR防滑系统控制的前提下，尽可能的减小车轮过度滑转现象，起到主动防滑作用，保障车辆的安全稳定性，从而避免过大的转矩输出带来的整车能耗增加，进一步改善车辆经济性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种考虑轮胎滑移的双电机四驱电动汽车转矩分配方法，具体包括以下步骤：

S1：搭建整车动力学及各部件模型，包括车辆动力学模型、电池模型、电机模型、轮胎模型和电驱动系统损耗模型；

S2：分析前后轴荷转移的动态约束变化，结合整车行驶的附着条件，得出主动防滑控制策略；

S3：综合考虑由于工况的变化导致的工作模式频繁切换而带来的电驱动系统损耗(前后电机拖拽损耗、励磁损耗、阶跃转矩瞬态响应实际功率损耗等损耗问题)，得到整车驱动系统最优效率曲面；

S4：构建考虑前后轴荷转移和附着特性动态变化的整车效率最优的多目标双电机四驱转矩分配控制策略。

进一步，步骤S2中，得出主动防滑控制策略，具体包括：在可得到实时路面附着系数的情况下，通过考虑前后轴荷转移的车辆动力性模型，得到前/后轴所能提供的最大附着力对应的输出转矩T_{mf_safe}、T_{mr_safe}；再与前/后电机最大峰值转矩T_{mf_max}、T_{mr_max}做对比，较小的一方作为外特性约束边界，从而对车辆动力性进行动态约束，以起到主动防滑的作用。

进一步，步骤S2中，前后轴荷转移的约束条件和整车行驶的附着条件，具体包括：

其中，F_zf为前轴垂直载荷，F_zr为后轴垂直载荷，T_{mf_safe}、T_{mr_safe}分别为前/后轴所能提供的最大附着力对应的电机轴端输出转矩，η_tran为传动系统效率，

为路面附着系数，i_f为前轴转动比，i_r为后轴转动比；T_mf、T_mr为前/后电机轴端实际输出转矩，T_{mf_max}、T_{mr_max}为前/后电机最大峰值转矩。

进一步，步骤S3中，得到整车驱动系统最优效率曲面，具体包括：根据工况，综合考虑电驱动系统损耗模型与边界区域效率差值模型，以经济性和切换频率为目标，分析模式边界带宽的影响因素，进行边界寻优；然后分析不同边界带宽下，每一段车速内，所有工况点的能耗及切换频率进行多目标边界寻优，得到最优的整车驱动系统综合效率曲面。

进一步，所述的边界区域效率差值模型的表达式为：Δη＝f(T，n，η₁，η₂)，其中，T为当前总需求转矩，n为转速，η₁为前电机效率，η₂为后电机效率。

进一步，综合考虑整车动力性约束的动态变化，结合电池、电机和传动系统的效率，得到不同(前驱、后驱、四驱)驱动模式下整车驱动系统综合效率；

整车效率取决于车速、加速度、电池效率、电机效率和传动系统效率；

以整车效率为目标函数maxη_sys，得到各驱动模式下整车行驶效率最优的前后电机的最佳转矩分配，进而得到整车的模式划分规则；其中，以整车效率为目标函数的约束条件为：

其中，SOC为电荷状态，SOC_min为最小截止电荷状态，P_bat为电池功率，P_{bat_max}为最大电池放电功率，T_mf、T_mr为前/后电机轴端实际输出转矩，T_{mf_max}、T_{mr_max}为前/后电机最大峰值转矩，T_{mf_safe}、T_{mr_safe}分别为前/后轴所能提供的最大附着力对应的电机轴端输出转矩，n_f、n_r分别为前/后电机转速，n_{f_max}，n_{r_max}分别为前/后电机最大转速。

进一步，模式切换的控制策略为：根据不同模式下的整车驱动系统综合效率，得到在不同车速和不同需求转矩下的不同模式划分规则，即各模式的运行区间；然后根据速度和总需求转矩的变化自动选择工作模式。

进一步，步骤S4中，构建的多目标双电机四驱转矩分配控制策略，具体包括：根据步骤1搭建的整车动力学及各部件模型，以及步骤2得到的主动防滑控制策略，驾驶员模型通过驱动/制动踏板位置对总需求转矩进行解析，根据当前的车速、需求转矩，通过步骤3得到的整车驱动系统最优效率曲面进行模式划分；考虑前后轴荷转移的动态变化，对当前模式下的总需求转矩进行前/后转矩分配T_{f_req}、T_{r_req}，再与前/后轴所能提供的最大附着力对应的输出转矩T_{mf_safe}、T_{mr_safe}以及前/后电机外特性所能提供的最大转矩T_{mf_max}、T_{mr_max}做对比，得到前后轴实际输出转矩T_mf、T_mr；通过车辆动力学模型输出当前状态下的车速、前后车轮角速度，然后进行滑移率判断；若当前滑移率小于路面附着系数对应的最优滑移率，则进入下一个时刻，从而起到主动防滑的作用。

本发明的有益效果在于：

1)本发明根据所搭建的整车及前后轴系统动力学模型，分析前后轴荷转移的动态约束变化，结合整车行驶的附着条件，提出主动防滑控制策略，在不触发ABS(防抱死刹车系统，控制所有车轮)或ASR(驱动防滑系统，只控制驱动轮)防滑系统控制的前提下，尽可能的减小车轮过度滑转现象，保障车辆的安全稳定性。

2)本发明综合考虑了由于工况的变化导致的工作模式频繁切换而带来的前后电机拖拽损耗、励磁损耗、开关损耗等损耗问题，所得到的整车驱动系统最优效率曲面更能反映出实车的真实情况，可为转矩分配策略的制定与控制提供更好的决策依据。

3)本发明根据车辆车速、需求转矩、SOC等状态变量，着重分析模式切换带来的电驱动系统损耗以及模式之间的边界区域效率差值对模式边界带宽确定的影响规律；以经济性和切换频率为目标，分析不同边界带宽下，每一段车速内，所有工况点的能耗及切换频率进行多目标边界寻优。

4)本发明所提出的考虑前后轴荷转移和附着特性动态变化的整车效率最优的多目标双电机四驱转矩分配控制策略方法，驾驶员模型通过驱动/制动踏板位置对总需求转矩进行解析，根据当前的车速、需求转矩通过最优整车驱动系统综合效率曲面进行模式划分；考虑前后轴荷转移的动态变化，对当前模式下的总需求转矩进行前后转矩分配，再与主动防滑控制策略下的输出转矩作对比，得到前后轴实际输出转矩。在保障车辆安全稳定性的前提下，能耗显著降低，改善了车辆的经济性，并极大的降低了模式切换频率，提高了整车的舒适性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为双电机四驱电动汽车结构示意图；

图2为整车纵/垂向动力学模型示意图；

图3为前驱与四驱转矩分配响应过程；

图4为考虑轴荷转移及附着条件动态约束的主动防滑控制策略；

图5为前轴驱动模式电机轴端提供最大输出转矩；

图6为后轴驱动模式电机轴端提供最大输出转矩；

图7为四轮驱动模式电机轴端提供最大输出转矩；

图8为60％SOC各模式下整车最优综合效率；

图9为60％SOC模式划分；

图10为各工况下的模式切换频率；

图11为60％SOC带有模式边界的模式划分；

图12为工况点对应的模式选择；

图13为WLTC(550s-900s)无边界与有边界的模式切换对比；

图14为整车驱动系统最优效率曲面；

图15为考虑轴荷转移及附着条件动态约束的转矩分配控制策略。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图15，本实施例针对前后独立驱动四驱电动汽车的转矩分配及驱动防滑协调控制器设计，具体的转矩分配方法主要包括以下步骤：

步骤1：搭建整车动力学及各部件模型；

本实施例所研究的双电机四驱电动汽车为前后轴各一个驱动电机，电机轴端驱动转矩经减速器传到差速器、半轴至驱动前后轴左右两边车轮，动力源由电池组提供。为满足整车驱动系统的驱动转矩需求，通过MCU直接调节各驱动电机驱动转矩，实现前后电机独立工作及双电机同时工作的3种驱动模式。图1所示为双电机四驱电动汽车结构示意图。

1)车辆动力学模型

分析双电机四驱电动汽车位于地面坐标系上的平面运动，忽略侧向力和横摆力矩作用，视左右两边垂直载荷相等，如图2所示，O为整车质心位置，b、c分别为整车质心到前后轴的纵向距离。由于车辆在运动过程中存在轴荷转移现象，将对该车辆前后轴受力情况进行分别研究，并综合分析该车辆在纵向、垂向运动时产生的惯性力和力矩。

整车纵向动力学方程为：

F_x-F_R＝mδa (1)

其中，F_xf为前轴轮端驱动力，F_xr为后轴轮端驱动力，m为整车整备质量，f为滚动阻力系数，C_D为空气阻力系数，A为迎风面积，m为整车整备质量，a为整车加速度，δ为整车旋转质量换算系数，θ为坡度，v整车车速。

车辆在行驶过程中，前后轴垂直载荷和行驶阻力会受到升力变化的影响，同时纵向加速度也会造成载荷纵向转移，而前后轴荷的变化直接影响前后电机如何进行最优转矩分配，这对进一步研究整车能耗和车辆稳定性有着重要意义。下面分别对车辆前后轴车轮及整车垂直载荷进行分析。

前轴垂直载荷及动力学方程表达式为：

其中，F_zf为前轴垂直载荷，F_Rf为前轴行驶阻力，c为质心到后轴的距离，L为轴距，h为质心高度，C_Lf为前轴升力系数；

后轴垂直载荷及动力学方程表达式为：

其中，F_zr为后轴垂直载荷，F_Rr为后轴行驶阻力，J_er后轴等效转动惯量，b为质心到前轴的距离，C_Lr为后轴升力系数；

2)搭建驾驶员模型

本实施例采用PID控制来模拟驾驶员操作，以目标车速和实际车速作为控制输入，踏板开度作为输出信号。PID控制算式为：

其中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，K_aw为抗饱和系数，e_v为目标车速误差，e_out为踏板开度误差，y表示踏板开度，踏板开度为正时表示加速，踏板开度为负时表示减速，由于踏板开度在[-1，1]范围内变化，所以引入y_sat函数作为输出少的限制边界。

由于车辆总需求转矩与踏板开度成正相关，则定义踏板开度与总需求转矩的变化关系如下：

T_req＝y·T_max(n_m)＝y·[T_{max_mf}(n_m)+T_{max_mr}(n_m)] (6)

其中，T_max(n_m)为转速n_m时前后电机所能提供的最大转矩之和；T_{max mf}(n_m)为转速n_m时前电机所能发出的最大转矩，T_{max_mr}(n_m)为转速n_m时后电机能发出的最大转矩。

3)搭建电池模型

电池组的充放电特性受到温度、充放电电流以及温度的影响，为简化电池组模型，假设电池组环境温度为25℃；

电池组功率为：

P_b＝P_{m_in}＝EI-I²R₀ (7)

其中，P_b为电池组的充放电功率，E为电池组的电动势，I为充放电电流，R₀为等效内阻；

对式(8)求解，可得充放电电流为：

电池组荷电状态为：

其中，SOC_initial为电池组初始电荷状态，SOC(t)为时间t时的电荷状态，C_b为电池组额定容量。

4)搭建电机模型

考虑到电机响应具有一定延迟，采用惯性环节表示电机响应特性：

其中，T_m表示电机输出转矩，单位为Nm；T_cmd表示电机的目标转矩，单位为Nm；T_c为时间常数；s复变量。

电机、减速器、车轮之间通过齿轮啮合传递动力，则对于单个电机而言，其转速、转矩和功率的转换关系为：

其中，n_m为电机转速，P_{m_out}为电机输出功率，P_{m_in}为电机输入功率，η_m(T_m，n_m)为电机在相应转矩和转速下的工作效率。

5)车辆轮胎模型

假设4个车轮规格相同，前后驱动轮受力平衡图如图2所示。在车轮坐标系下驱动轮转动力矩平衡方程为

J_wa_ij＝T_dij-F_xijr-F_zijfr (14)

其中，J_w为车轮转动惯量(kg·m²)，T_d为车轮驱动力矩(N·m)，r为车轮滚动半径(m)，ij代表fl，fr，rl，rr；

轮胎纵向滑移率的计算公式为

其中，ω为轮胎旋转的角速度(rad/s)，r_ω为轮胎半径，S_d为轮胎驱动滑转率，S_b为轮胎制动滑移率。

国内外对轮胎的特性从各个角度进行了详细的研究。其中，魔术公式因为模拟准确性较高而影响力较大。因此本发明采用非线性轮胎模型来较为精确地描述轮胎力学特性。

其中，s为纵向滑移率，B为刚度因子，C为曲线形状因子，D为曲线峰值因子，E为曲线曲率因子，b₀-b₈为魔术公式主要参数系数。

6)电驱动系统损耗模型

①拖拽损耗

由于该整车电驱动系统具有3种驱动模式，前驱、后驱、四驱，当VCU根据当前工况决策进行后轴驱动时，后电机需求转矩为总需求转矩，前电机需求转矩为0；当前电机进入0转矩模式时，由于整车电驱动系统处于上电运行状态，故前轴驱动系统存在一定的功率损失，且随着转速的变化而变化，通过转鼓试验台架所测得的试验数据拟合得到前轴拖拽损耗：

P_{loss_fkz}＝f(n)＝a₁n+b₁ (17)

其中，a₁为拟合系数，b₁为常数。

当VCU根据当前工况决策进行前轴驱动时，前电机需求转矩为总需求转矩，后电机需求转矩为0；当后电机进入0转矩模式时，由于整车电驱动系统处于上电运行状态，故后轴驱动系统也存在一定的功率损失，且随着转速的变化而变化，通过转鼓试验台架所测得的试验数据拟合得到后轴拖拽损耗：

P_{loss_rkz}＝f(n)＝a₂n+b₂ (18)

其中，a₂为拟合系数，b₂为常数。

②励磁损耗

由于本发明所研究的双电机前后轴驱动构型中，前电机采用异步电机，后电机采用永磁同步电机。所以当前电机接到指令进入转矩模式时，异步电机需要一个励磁的过程，而这一过程中异步电机所产生的励磁损耗不可忽略不计。通过转鼓试验台架所测得的试验数据拟合得到前电机励磁损耗：

P_{loss_flc}＝f(n)＝a₃n+b₃ (19)

其中，a₃为拟合系数，b₃为常数。

③电驱动系统阶跃转矩瞬态响应功率损耗

车辆驱动模式的选择根据工况变化而发生变化。当工况的变化频繁的改变驱动模式时，即前驱、后驱、四驱3种模式会进行频繁切换。当前驱切为后驱时，如图3所示，在t₀～t₂时间内，由前电机提供的总需求转矩，在t₁时刻转为了后电机提供；无论电机退出还是进入，电机响应是由一个变化过程的；而在这一变化过程中，前电机在t₀～t₂时间内的功率消耗，与前电机在t₀～t₁时间内的功率消耗和后电机在t₁～t₂时间内功率消耗之和是不相等的，并且由于模式频繁切换引起的电驱动系统阶跃转矩瞬态响应功率损耗与当前的需求转矩，转速均有关系，不可忽略不计；故通过转鼓试验台架所测得的试验数据同样可以拟合得到电驱动系统阶跃转矩瞬态响应功率损耗关系表达式，其他模式切换对应的电驱动系统阶跃转矩瞬态响应功率损耗同理可得。

P_{loss_onoff}＝f(T_q，n) (20)

步骤2：分析前后轴荷转移的动态约束变化，结合整车行驶的附着条件，提出主动防滑控制策略；

由于车辆在行驶过程中，存在纵向轴荷转移，车辆的动力性在满足整车动力学方程的同时，也受前后车轮的路面附着条件约束和前后电机最大峰值转矩特性的约束。因此，在电池组所提供的需求功率能够满足的情况下，车辆的实际输出转矩T是否能够满足车辆需求转矩T__need，其约束条件表达式如下：

其中，F_zf为前轴垂直载荷，F_zr为后轴垂直载荷，T_{mf_safe}、T_{mr_safe}分别为前/后轴所能提供的最大附着力对应的电机轴端输出转矩，η_tran为传动系统效率，

为路面附着系数，i_f为前轴转动比，i_r为后轴转动比；T_mf、T_mr为前/后电机轴端实际输出转矩，T_{mf_max}、T_{mr_max}为前/后电机最大峰值转矩。

根据步骤1所搭建的整车及前后轴系统动力学模型，分析前后轴荷转移的动态约束变化，结合整车行驶的附着条件，提出一种主动防滑策略，如图4所示。在可得到实时路面附着系数的情况下，通过考虑前后轴荷转移的车辆动力性模型，得到前后轴所能提供的最大附着力对应的输出转矩T_{mf_safe}、T_{mr_safe}；再与前后电机外特性所能提供的最大转矩T_{mf_max}、T_{mr_max}做对比，较小的一方作为外特性约束边界，从而对车辆动力性进行动态约束，以起到主动防滑的作用。

由上述提出的主动防滑控制策略，得到车辆在前驱、后驱和四驱三种驱动模式下，所能提供的最大驱动转矩边界。当车辆进入模式1前轴单独驱动时，前轴载荷向后转移，前轴载荷减小的同时又受到地面附着条件的约束，因此在保证前轴驱动不出现过度滑转的情况下，前电机所能提供的最大驱动转矩曲线T_{mf_real}，如图5所示。

当车辆进入模式2后轴单独制动时，后轴载荷向前转移，后轴载荷减小的同时又受到地面附着条件的约束，后电机所能提供的最大驱动转矩曲线T_{mr_real}，如图6所示；若转矩超过T_{mr_safe}后轴会出现过度滑移，造成能耗损失。

当车辆进行四轮驱动时，综合考虑各轴垂直载荷受纵向轴荷转移及路面附着条件的影响，得到某一特定路面附着系数下前后电机所能提供的有效输出转矩与加速度-速度的关系，当路面附着系数

发生变化时，前后电机所能提供的有效输出转矩也会随之改变。由图7可以看出，车辆在各车速下电机所能提供的最大有效输出转矩(实线)并不等于理想状态的前后电机最大输出转矩之和(虚线)。因此，如果在理想状态下(虚线内)进行转矩分配，当转矩超过最大有效输出转矩(实线)时，车轮一定会出现过度打滑现象，造成大量的能耗损失。

步骤3：综合考虑由于工况的变化导致的工作模式频繁切换而带来的电驱动系统损耗问题，得到整车驱动系统最优效率曲面；

对于双电机四驱电动汽车的前后轴电机之间的转矩如何分配直接影响整车系统效率。整车效率取决于车速、加速度、电池效率、电机效率和传动系统效率。

当车辆驱动时，整车综合效率为：

其中，η_mf、η_mr为前后电机效率，η_{m_dis}为前后电机总驱动效率，η_{bat_dis}为电池组放电效率，η_tran为传动系统效率，η_{sys_dis}为整车驱动系统总效率。

当车辆制动时，整车综合效率为：

其中，η_{m_chg}为前后电机等效制动能量回收总效率，η_{bat_chg}为电池组充电效率，η_{_sys_chg}为整车等效制动能量回收总效率。

因此，以整车效率为目标函数maxη_sys，可以得到各驱动模式下整车行驶效率最优的前后电机的最佳转矩分配，进而得到整车的模式划分规则。公式(25)为以整车效率为目标函数的约束条件。

约束条件为：

其中，SOC为电荷状态，SOC_min为最小截止电荷状态，P_bat为电池功率，P_{bat_max}为最大电池放电功率，n_f、n_r分别为前/后电机转速，n_{f_max}，n_{r_max}分别为前/后电机最大转速。

综合考虑整车动力性约束的动态变化，结合电池、电机和传动系统的效率，可得到前驱、后驱、四驱三种驱动模式下整车驱动系统综合效率。如图8所示，当SOC为60％时，图中三个曲面分别是前驱(FWD)、后驱(RWD)、四驱(AWD)模式的驱动系统效率，用颜色和箭头表示。通过比较各运行点不同模式下的驱动系统效率，选择最佳运行点，可以得到速度和总需求转矩全范围内的整车驱动系统综合效率。

为了实现更好的整车系统效率，结合车辆动力性约束的动态变化，满足考虑前后轴荷变化的驱动转矩需求，有必要制定可行的模式切换控制策略。根据不同模式下的整车驱动系统综合效率，可以得到在不同车速和不同需求转矩下的三种模式划分规则，即各模式的运行区间。根据速度和总需求转矩的变化自动选择工作模式。

图9显示了当SOC为60％时3种模式中每一种模式在速度和总需求转矩状态下的运行区间。该车辆在低速、低加速区域选择mode2后驱模式，在中速/高速、低加速区域选择mode1前驱模式，可以看出在低加速区域单电机运行模式以最佳的整车效率满足车辆驱动需求；为了获得更高的动力性，前后电机同时工作进入mode3四轮驱动模式，以最佳的整车效率满足车辆动力性需求。

然而根据上述已有的模式划分进行NEDC、UDDS、CLTC、WLTC等经济性循环工况试验分析，发现在4种不同的循环工况下存在非常高频的模式切换，如图10所示；这会引起高频的冲击，极大的降低车辆乘坐的舒适性，且频繁的模式切换不仅增加能耗，还对电驱动控制技术要求极高。因此，本实施例提出模式边界作为模式切换的过度区，如图11所示，从而降低切换频率，提高车辆乘坐的舒适性，同时避免能耗的增加。

图12为图11的局部放大，从图12中可以看出，当工作点模式2走到边界0模式时，维持上一个模式；当工况点继续走到黄色区域模式3时，才真正的进入模式3状态。这样可以极大的避免工作点仅在边界处徘徊导致的模式2与模式3频繁切换的问题。同时，电机响应需要一个时间，如果模式维持的时间小于电机响应时间以及can总线信号传输时间，那么当前模式的选择与执行是不必要的，也会增加能量的消耗。如图13所示，模式3维持时间延长，降低了切换频率，也避免了极短时间的模式切换。

对于如何定义模式边界带宽大小，其影响因素与车速和转矩波动误差有关；不同的边界带宽会得到不同的整车驱动系统综合效率曲面。边界带宽区域越大，模式切换频率越低，电驱动损耗越小，能耗越低；但模式边界是维持上一个模式，区域越大，说明两模式之间的效率差值越大，经济性越差；效率差值的大小与两电机本体的效率有关；因此，模式边界带宽区域越大，模式切换频率固然降低，但对于能耗而言，模式切换引起的电驱动损耗与两模式之间的效率差值两者相互矛盾。

为解决这一问题，根据工况，综合考虑步骤1所建立电驱动系统损耗模型与边界区域效率差值模型公式(26)，以经济性和切换频率为目标，分析模式边界带宽的影响因素，进行边界寻优，如表1所示。分析不同边界带宽下，每一段车速内，所有工况点的能耗及切换频率进行多目标边界寻优，如图14所示，得到最优的整车驱动系统综合效率曲面。

边界区域效率差值

Δη＝f(T，n，η₁，η₂) (26)

其中，T为当前总需求转矩，n为转速，η₁为前电机效率，η₂为后电机效率。

表1多目标优化中具体的控制变量与影响因素

步骤4：构建考虑前后轴荷转移和附着特性动态变化的整车效率最优的多目标双电机四驱转矩分配控制策略；

根据步骤1所搭建的整车及前后轴系统动力学模型，以及步骤2所提出一种主动防滑控制策略，如图15所示，驾驶员模型通过驱动/制动踏板位置对总需求转矩进行解析，根据当前的车速、需求转矩通过由步骤3所得到的最优整车驱动系统综合效率曲面进行模式划分；考虑前后轴荷转移的动态变化，对当前模式下的总需求转矩进行前后转矩分配T_{f_req}、T_{r_req}，再与前后轴所能提供的最大附着力对应的输出转矩T_{mf_safe}、T_{mr_safe}以及前后电机外特性所能提供的最大转矩T_{mf_max}、T_{mr_max}做对比，得到前后轴实际输出转矩T_mf、T_mr；通过车辆动力学模型输出当前状态下的车速、前后车轮角速度，然后进行滑移率判断；若当前滑移率小于路面附着系数对应的最优滑移率，则进入下一个时刻，从而起到主动防滑的作用。在这一策略下车轮一般不会出现打滑的现象，除非在路面附着系数极低且动力需求极高的变极端工况下，为了保障车辆的安全稳定性，在极端工况若出现打滑现象，才去触发ABS或ASR防滑系统作为最后保障。

综上可以看出，本实施例所提出的考虑前后轴荷转移和附着特性动态变化的整车效率最优的多目标双电机四驱转矩分配控制策略方法，在保障车辆安全稳定性的前提下，能耗显著降低，改善了车辆的经济性，并极大的降低了模式切换频率，提高了整车的舒适性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种考虑轮胎滑移的双电机四驱电动汽车转矩分配方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：搭建整车动力学及各部件模型，包括车辆动力学模型、电池模型、电机模型、轮胎模型和电驱动系统损耗模型；

S2：分析前后轴荷转移的动态约束变化，结合整车行驶的附着条件，得出主动防滑控制策略；其中，前后轴荷转移的约束条件和整车行驶的附着条件，具体包括：

其中，F_zf为前轴垂直载荷，F_zr为后轴垂直载荷，T_{mf_safe}、T_{mr_safe}分别为前/后轴所能提供的最大附着力对应的电机轴端输出转矩，η_tran为传动系统效率，

为路面附着系数，i_f为前轴转动比，i_r为后轴转动比，r_ω为轮胎半径；T_mf、T_mr为前/后电机轴端实际输出转矩，T_{mf_max}、T_{mr_max}为前/后电机最大峰值转矩；

S3：综合考虑电驱动系统的拖拽损耗、异步电机所产生的励磁损耗以及由于工况的变化导致的工作模式频繁切换而带来的电驱动系统阶跃转矩瞬态响应实际功率损耗，得到整车驱动系统最优效率曲面；

S4：构建考虑前后轴荷转移和附着特性动态变化的整车效率最优的多目标双电机四驱转矩分配控制策略，具体包括：根据步骤1搭建的整车动力学及各部件模型，以及步骤2得到的主动防滑控制策略，驾驶员模型通过驱动/制动踏板位置对总需求转矩进行解析，根据当前的车速、需求转矩，通过步骤3得到的整车驱动系统最优效率曲面进行模式划分；考虑前后轴荷转移的动态变化，对当前模式下的总需求转矩进行前/后转矩分配T_{f_req}、T_{r_req}，再与前/后轴所能提供的最大附着力对应的输出转矩T_{mf_safe}、T_{mr_safe}以及前/后电机外特性所能提供的最大转矩T_{mf_max}、T_{mr_max}做对比，得到前后轴实际输出转矩T_mf、T_mr；通过车辆动力学模型输出当前状态下的车速、前后车轮角速度，然后进行滑移率判断；若当前滑移率小于路面附着系数对应的最优滑移率，则进入下一个时刻，从而起到主动防滑的作用。

2.根据权利要求1所述的双电机四驱电动汽车转矩分配方法，其特征在于，步骤S2中，得出主动防滑控制策略，具体包括：在得到实时路面附着系数的情况下，通过考虑前后轴荷转移的车辆动力性模型，得到前/后轴所能提供的最大附着力对应的输出转矩T_{mf_safe}、T_{mr_safe}；再与前/后电机最大峰值转矩T_{mf_max}、T_{mr_max}做对比，小的一方作为外特性约束边界，从而对车辆动力性进行动态约束，以起到主动防滑的作用。

3.根据权利要求1所述的双电机四驱电动汽车转矩分配方法，其特征在于，步骤S3中，得到整车驱动系统最优效率曲面，具体包括：根据工况，综合考虑电驱动系统的拖拽损耗、异步电机所产生的励磁损耗以及由于工况的变化导致的工作模式频繁切换而带来的电驱动系统阶跃转矩瞬态响应实际功率损耗模型与边界区域效率差值模型，以经济性和切换频率为目标，分析模式边界带宽的影响因素，进行边界寻优；然后分析不同边界带宽下，每一段车速内，所有工况点的能耗及切换频率进行多目标边界寻优，得到最优的整车驱动系统综合效率曲面。

4.根据权利要求3所述的双电机四驱电动汽车转矩分配方法，其特征在于，所述的边界区域效率差值模型的表达式为：Δη＝f(T，n，η₁，η₂)，其中，T为当前总需求转矩，n为转速，η₁为前电机效率，η₂为后电机效率。

5.根据权利要求4所述的双电机四驱电动汽车转矩分配方法，其特征在于，综合考虑整车动力性约束的动态变化，结合电池、电机和传动系统的效率，得到不同驱动模式下整车驱动系统综合效率；

整车效率取决于车速、加速度、电池效率、电机效率和传动系统效率；

以整车效率为目标函数max η_sys，得到各驱动模式下整车行驶效率最优的前后电机的最佳转矩分配，进而得到整车的模式划分规则；其中，以整车效率为目标函数的约束条件为：

其中，SOC为电荷状态，SOC_min为最小截止电荷状态，P_bat为电池功率，P_{bat_max}为最大电池放电功率，T_mf、T_mr为前/后电机轴端实际输出转矩，T_{mf_max}、T_{mr_max}为前/后电机最大峰值转矩，T_{mf_safe、}T_{mr_safe}分别为前/后轴所能提供的最大附着力对应的电机轴端输出转矩，n_f、n_r分别为前/后电机转速，n_{f_max}、n_{r_max}分别为前/后电机最大转速。

6.根据权利要求5所述的双电机四驱电动汽车转矩分配方法，其特征在于，模式切换的控制策略为：根据不同模式下的整车驱动系统综合效率，得到在不同车速和不同需求转矩下的不同模式划分规则，即各模式的运行区间；然后根据速度和总需求转矩的变化自动选择工作模式。

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