一種提高輪邊驅動客車經濟性的驅動控制方法

羅立全，劉 平，楊明亮，楊嘉陵，袁 方

（1.西南交通大學 機械工程學院，成都 610031；2.西南交通大學 先進驅動節(jié)能技術教育部 工程研究中心，成都 610031）

輪邊驅動電動汽車是一種新型的電動汽車，取消了半軸、萬向節(jié)、差速器、變速器等傳動部件，由4 個電機通過減速器直接與各個驅動輪相連。相對于集中驅動式電動汽車體積大而重、效率不高而言，同等功率需求下，輪邊驅動電動汽車以其結構緊湊，轉矩傳遞更高效，控制上更加靈活等優(yōu)勢成為目前研究的熱點[1]。由于驅動方式的不同，輪邊電動汽車的驅動控制算法也較為復雜。盧東斌等[2]建立永磁無刷輪轂電機的效率模型，通過仿真試驗數據得到的平均分配轉矩可以使系統(tǒng)效率最優(yōu)，最后通過等速試驗進行實車驗證，但結論僅對平均分配四輪驅動和兩輪驅動進行對比。ANDY 等[3]、續(xù)丹等[4]和GUO 等[5]通過電機效率Map 圖，分別在線計算出不同轉矩分配比例所對應的電機效率，選擇最高效率的分配比例對驅動轉矩進行分配。CHEN 等[6]采用CA 算法，對電機效率和輪胎利用率進行優(yōu)化。WANG 等[7]采用PSO/GA 算法，通過電機Map 圖實時計算最佳轉矩分配比，通過仿真分析得出所提出的控制策略能夠提高車輛的經濟性，但沒有進行硬件在環(huán)等試驗，這些方法的實時性有待考究。YANG 等[8]針對三電機驅動電動汽車，提出基于電機Map 圖的PSO 算法，又通過仿真與實車試驗，驗證所應用的算法能夠在轉彎工況下提高車輛經濟性。

以前研究的控制算法均以駕駛員的期望轉矩作為輸入量，但并未考慮對加速踏板的解析處理，忽略了實際行車過程中路面不平對加速踏板的影響，且大多僅在軟件仿真階段，其控制算法的實時性無法驗證。本文以四輪輪邊驅動純電動客車為研究對象，提出了一種基于加速踏板平滑處理與電機電動效率Map 圖的經濟性轉矩分配策略。根據不同的電機轉速與處理后駕駛員的期望轉矩，將期望轉矩合理地分配給4 個電機。通過仿真試驗、硬件在環(huán)試驗和實車試驗，驗證了該控制方法具有較好的經濟性和實時性。

1 基于經濟性的驅動控制算法

通過Matlab/Simulink 平臺，采用基于模型化的思想對經濟性驅動控制算法進行建模。算法中的輸入量為加速踏板開度、4 個電機反饋轉速和反饋轉矩信號，先對加速踏板進行平滑處理，將處理后的期望轉矩和處理后的電機轉速作為輸入量，進入查表模塊，查表模塊所導入的數據為離線計算的最佳轉矩分配系數矩陣，最后計算出4 個電機指令轉矩。

基于經濟性的驅動控制算法如圖1 所示。

圖1 基于經濟性的控制算法

1.1 加速踏板信號平滑處理

車輛行駛過程中，駕駛員意圖是希望車輛進行勻速行駛，而實際路面不平導致車輛顛簸帶來的加速踏板抖動，進而導致總驅動電流的頻繁波動，影響行車經濟性。

實車采集的加速踏板開度、整車車速和驅動總電流的數據如圖2 所示。由圖可知，在車速變化不明顯，即27 km/h 勻速工況下，加速踏板開度在短時間內因路面不平而導致頻繁抖動，由于電機輸出轉矩具有響應快的特點，所以驅動總電流頻繁波動。因此，需要通過一定的算法去抑制這種踏板波動情況的發(fā)生。

圖2 實車采集數據

對期望轉矩進行平滑處理采用均值與一階低通濾波的方法，如式（1）、式（2）和式（3）所示：

式中：APS 為VCU（整車控制器）采集的加速踏板信號；TAPS為APS 與當前電機峰值轉矩相乘計算出來的期望轉矩，Nm；Tmax為電機峰值總轉矩，Nm；TAPS為連續(xù)采集的3 個APS 信號計算出來的轉矩平均值，Nm；Td為解析后的駕駛員期望轉矩，Nm；Tc為當前電機反饋總轉矩，Nm；k為濾波系數。

由式（3）可知，當濾波系數較小的時候，加速踏板開度靈敏度低，但是輸出轉矩平穩(wěn)。當濾波系數較大時候，加速踏板開度靈敏度高，輸出轉矩響應迅速，但是相對平穩(wěn)性較差。當車輛接近穩(wěn)速工況時，加速踏板開度較小。因此，濾波系數選擇為0.1，判斷條件為APS ＜20%，當踏板開度高于限定值時不作處理，保證輸出轉矩的實時響應。

1.2 最佳轉矩分配比例計算

電機效率隨著電機轉速和輸出轉矩的變化而變化。通常，在電機低速和低轉矩區(qū)域的電機效率較低。如果能實時將需求轉矩合理地分配給每個電機，讓電機盡可能工作在高效區(qū)間，將有利于提高整車經濟性。

考慮行駛在良好的城市路面下，車輛直行時，左右電機輸出轉矩應該相等。此時，可以將4 個電機驅動轉矩分配問題簡化為前軸與后軸之間的轉矩分配問題。則前、后軸分配的轉矩分別如式（4）和式（5）所示。

式中：Tfl、Tfr、Trl、Trr分別為分配到左前、右前、左后和右后電機的轉矩，Nm；λ為最佳前軸電機轉矩與總轉矩之比，稱為最佳轉矩分配系數。

當路面情況良好時，在車輛行駛過程中，4 個車輪的輪速基本相等。則對4 個電機轉速取均值，如式（6）所示。

式中：nfl、nfr、nrl、nrr分別為4 個電機的反饋轉速，r/min；n*分別為4 個電機的平均轉速，r/min。

電機的效率計算公式為：

將式（4）、式（5）和式（6）帶入式（7），可以建立驅動電機總的驅動效率優(yōu)化目標函數，如式（8）所示。

式中：ηfl、ηfr、ηrl、ηrr分別為左前、右前、左后、和右后電機的效率；η為4 個驅動電機總的驅動效率。

當λ=0 時，表示后輪驅動；λ=1 時，表示前輪驅動；0 ＜λ＜1 時，表示四輪驅動；當考慮到在車輛加速時，車身的軸荷轉移[9]，后輪的載荷將增加，所以盡量增加后軸的驅動力，所以，令λ=

[0，0.5]。

前后軸轉矩分配系數λ的算法流程圖如圖3所示。

圖3 前后軸轉矩分配系數 λ 算法

通過數值計算的方法，得到最佳轉矩分配比例系數矩陣。步驟如下：

（1）初始化輸入參數，令n*=0，Td=0，λ=0，

Row=0，Col=0。

（2）導入電機效率與轉速轉矩的關系矩陣表。

（3）令n*的取值范圍為[0，8 000]，取樣密度100。

（4）令Td的取值范圍為[0，544]，取樣密度8。

（5）令λ的取值范圍為[0，0.5]，取樣密度為0.01。

（6）分別計算不同λ值對應的驅動總效率η，取最大值，存入矩陣中，Col=Col+1。

（7）判 斷Td是 否 小 于544，是，Td=Td+8，繼續(xù)計算不同λ值對應的驅動總效率η；否，n*=n*+100，Row=Row+1。

(8)判斷n*是否小于8 000，是，繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)；否，結束計算，輸出系數矩陣。

導入電機效率Map 圖數據，通過Matlab 編程運算得出分配系數λ的三維分布圖，如圖4 所示。

圖4 轉矩分配系數 λ

2 算法模型與仿真分析

基于上述方法建立Matlab/Simulink 算法仿真模型，結合AVL Cruise 建立的整車模型，通過AVL Cruise 與Matlab/Simulink 進行聯合仿真分析，整車參數見表1。

表1 整車參數

2.1 踏板平滑處理仿真與分析

將實車采集的加速踏板開度信號作為輸入量，輸入到聯合仿真模型中，得到踏板平滑處理前后的電流與車速。圖5 為相同工況下的車速對比和驅動總電流對比，表2 為采樣時間內踏板處理前后的能耗對比。

圖5 踏板處理對比

表2 加速踏板處理前后仿真能耗對比

從圖5 驅動總電流曲線對比可以看出，加速踏板開度信號經平滑處理后，驅動總電流相比于未進行加速踏板平滑處理時平穩(wěn)許多。由車速曲線對比可以看出，車速并沒有太大的變化，即在保證駕駛員的操作意圖下，減小驅動總電流的波動。由表2可知，踏板平滑處理后能耗比之前有所降低。

仿真軟件設定路面附著系數為0.85 的40 km/h等速仿真工況。車輛由靜止加速至目標車速后勻速行駛。對等速階段的加速踏板信號引入干擾信號。踏板與車速對比曲線如圖6 所示，電機轉矩對比曲線如圖7 所示。

圖6 40 km/h 等速工況踏板與車速處理對比

圖7 40 km/h 等速工況電機轉矩對比

表3 40 km/h 等速工況能耗對比

由圖6 可知，在15 s 時引入加速踏板干擾信號。經過處理后的加速踏板信號變得相對平緩，且車速變化不大，即符合駕駛員操作意圖。由圖7 電機轉矩對比曲線可以看出，踏板經過處理后，輸出轉矩變化相對平緩。由表3 可知，經過踏板平滑處理后的能耗比未處理時有所降低。

2.2 最佳轉矩分配仿真與分析

通過等速法測試電動汽車能量消耗率[10]。分別用平均轉矩分配和經濟性轉矩分配進行40 km/h 等速工況仿真。在左右均一的路面上同軸驅動輪狀態(tài)相同，僅在圖中列舉左前、左后電機狀態(tài)。4 個電機轉矩分配對比如圖8所示，電機總效率對比如圖9所示。能耗對比見表4。

圖8 四個電機轉矩分配對比

圖9 電機總效率對比

表4 40 km/h 等速工況能耗對比

由圖8 可知，當車速達到40 km/h 目標車速時，期望轉矩降低至較小值，基于經濟性的轉矩分配算法將驅動轉矩分配給后面兩個驅動電機，后面電機所分配的轉矩是平均轉矩時的兩倍。由圖9 可知，當車速達到目標車速時，基于經濟性的轉矩分配方式比平均分配轉矩方式所需電流小，效率高。在能耗方面，由表4 可知，經濟性轉矩分配的能耗低于平均轉矩分配方式的能耗，采用經濟性轉矩分配的驅動方式，能耗降低6.19%。

3 半實物仿真與實車試驗

3.1 硬件在環(huán)試驗

在dSPACE 平臺上進行硬件在環(huán)試驗，在dS1005 平臺上通過Simulink 搭建Carsim 模型接口和CAN 通訊接口，在dS1104 平臺上通過Simulink搭建駕駛員模型，整車控制器采用Infineon-TriCore芯片，試驗平臺如圖10 所示。

圖10 硬件在環(huán)試驗平臺

在0 ～40 km/h 加速工況下，進行路面附著系數為0.8 的40 km/h 等速工況測試，dSPACE1104 上加載駕駛員操作信息。硬件在環(huán)試驗結果如圖11 和圖12 所示。

圖11 硬件在環(huán)試驗車速曲線對比

圖12 硬件在環(huán)試驗電機轉矩曲線對比

圖11 為硬件在環(huán)車速曲線和軟件仿真曲線對比，可以看出車速基本符合預期設定的工況。由圖12 可知，當加速踏板開度較大時，4 個電機按照計算出的最佳轉矩分配比例進行轉矩分配。當車速達到目標車速40 km/h 時，為了保證車輛近似勻速行駛，則需電機提供較小的轉矩克服行駛阻力，按照經濟性的轉矩分配方式應該盡量將需求轉矩分配到后兩個電機上，以符合預期設計目標。從以上分析可知，該轉矩分配控制算法在硬件在環(huán)試驗環(huán)境下有較好的實時性。

3.2 實車試驗

試驗樣車由某客車廠提供的原型車改制而成，試驗樣車與試驗場地如圖13 所示，具體參數已經在上文中提及。

圖13 試驗樣車

3.2.1 踏板平滑處理實車試驗與分析

速度為26 km/h 時，在相同路段下采集的加速板信號如圖14 所示，采集的電壓與驅動總電流信號如圖15 所示，踏板處理前后的能耗對比見表5。

表5 實車加速踏板處理前后能耗對比

圖14 車速與加速踏板對比

圖15 驅動總電流與電壓對比

由圖14 加速踏板曲線對比可知，加速踏板信號在處理后的波動明顯小于處理前。由圖15 驅動總電流對比曲線可知，對踏板進行平滑處理后，電流輸出相對平穩(wěn)一些。能耗方面，由表5 可知，采用加速踏板平滑處理，相對于踏板未處理的能耗下降9.32%。

3.2.2 最佳轉矩分配實車試驗與分析

進行40 km/h 勻速工況場地試驗，勻速工況分別采用平均轉矩分配和經濟性轉矩分配進行測試。由于是在試驗場內進行測試，在保證安全的前提下盡可能地滿足試驗工況?；诮洕赞D矩分配的實車試驗車速如圖16 所示，電機轉矩如圖17 所示。達到目標車速進行等速試驗時，兩種轉矩分配方式的轉矩對比如圖18 所示，驅動總電流與電壓對比如圖19 所示，能耗對比結果見表6。

表6 實車能耗對比

圖16 試驗樣車車速

圖17 試驗樣車電機轉矩

由圖16 車速曲線可以看出，在試驗場地內進行的工況是從車輛靜止加速至40 km/h 左右的目標車速。由圖17 加速踏板曲線和4 個電機轉矩曲線可以看出，當加速踏板開度較大時，采用四輪驅動，當加速踏板開度較小時，采用后輪驅動。4 個電機轉矩與駕駛員加速踏板開度趨勢一致，有著較好的實時性。

當車輛進入等速階段時，分別采用的分配方式是平均轉矩分配和經濟性轉矩分配。由圖18 四個電機轉矩曲線可以看出，達到目標車速后，電機只需提供較小的轉矩來克服行駛阻力，此時基于經濟性的轉矩分配將轉矩全部分配到后面兩個電機。由圖19 可知，在電池剩余電量（State of Charge，SOC）接近的情況下，相同的期望轉矩和不同的分配方式帶來的能耗是不同的，基于經濟性的轉矩分配時的電流略小于平均轉矩分配時的電流。由表6可知，在能耗對比方面，基于經濟性的轉矩分配方式相比于平均轉矩分配方式降低2.35%。

圖18 電機轉矩對比

圖19 驅動總電流和電壓對比

4 結論

本文對四輪輪邊驅動純電動客車直行等速工況下的驅動轉矩分配進行了相關研究，提出了一種基于加速踏板解析與電機電動效率Map 圖的轉矩優(yōu)化分配方法，并通過試驗驗證得出以下結論。

（1）由實車試驗數據可以看出，通過對加速踏板進行平滑處理，在近似勻速運動的工況中防止踏板抖動導致輸出轉矩抖動，進而抑制電流頻繁波動，提高車輛經濟性。

（2）基于經濟性的轉矩分配方式在不同的期望轉矩與不同的行駛速度下有著不同的轉矩分配比例，從實車數據可以看出基于經濟性的轉矩分配方式能提高整車經濟性。