五軸混動汽車電子差速控制策略研究

史小川，岳靖斐，程威，史冊

（陜西汽車控股集團有限公司，陜西 西安 710200）

關鍵字：五軸混動汽車；電機驅動控制器；電子差速控制

1 緒論

增程式混合動力汽車的工作模式可分為混動模式和純電模式。純電模式與純電動汽車的原理相似。混動模式可將發電機作為動力源，為驅動電機以及電池提供電能，有效彌補了純電行駛里程不足的缺點。由于增程式混合動力汽車省去了變速箱，傳動軸，分動器等能量損耗單元，使得能源傳遞效率更高，達到提高續駛里程和節約能源的目的[1]。其動力性、隱蔽性、通過性強，低油耗，可成為移動電站等優勢引起了廣泛的關注[2]。本文以五軸增程式混合動力汽車為研究對象，采用32位高性能控制器進行控制，采用輪邊電機進行分布式驅動，通過電子差速控制策略對各輪轉矩進行合理分配，從而達到更優的整車控制性能。

2 電子差速控制策略

2.1 二自由度運動學方程

本文所采用的車輛模型如圖1所示。采用雙前橋轉向，其中ki為第i橋上輪胎的等效側偏剛度；β為車輛質心側偏角；r為車輛橫擺角速度；αi為車輪的轉向角；δi為第i軸的轉角；li為第i軸到質心的距離；m為車輛的總質量；Iz為汽車整車繞Z軸的轉動慣量。

根據五軸車輛模型可以得出車輛二自由度運動微分方程如公式1所示。

引入橫擺力矩Mz可將1式轉換為微分方程如公式2所示。

其中，狀態向量X=[β r]T，輸入向量U=[δ1δ2δ3δ4δ5Mz]T，輸出變量為Y。

圖1 五軸車輛模型圖

2.2 電子差速控制策略

圖2 電子差速控制模型結構圖

本文采用的電子差速控制策略是基于直接橫擺力矩控制的等轉矩分配策略。根據車輛的二自由度模型將駕駛員的需求轉矩值按轉彎半徑大小分配給五個驅動橋，再根據等轉矩分配策略，將每個橋的轉矩值等分給左右兩邊驅動電機，為電子差速控制提供基礎扭矩。電子差速控制模型結構如圖2所示。根據車輛的方向盤轉角以及駕駛員需求轉矩，計算出各橋的轉矩分配值，再結合質心側偏角和橫擺角速度計算出橫擺力矩差值，通過車輛二自由度模型將橫擺力矩差值轉換成左右驅動輪轉矩差值，結合滑移率限制模塊，得出最終的驅動轉矩值分配給各橋左右兩端驅動電機，從而實現差速控制[3]。

3 仿真與實車實驗

3.1 聯合仿真平臺

聯合仿真平臺包括車輛模型和控制策略模型兩部分組成。本章通過TruckSim平臺搭建車輛模型、設定車輛參數、制定車輛行駛工況；通過Simulink仿真平臺搭建控制策略模型，控制策略模型主要負責數據處理、滑移率計算模塊和電子差速控制；最終搭建出TruckSim/Simulink聯合仿真平臺[4]。TruckSim平臺車身參數設定如圖3所示，Simulink中搭建控制策略模型如圖4所示。

圖3 TruckSim平臺

圖4 Simulink仿真平臺

為了驗證本文所搭建模型的可行性，同時搭建傳統開放式機械差速控制仿真模型作對比，選取雙移線工況為實驗工況[5]，得到車輛各輪滑移率對比圖為圖5所示。圖中虛線為傳統機械差速控制的滑移率曲線圖，實線為電子差速控制的滑移率曲線圖。從圖中可以看出，本文所提出的電子差速控制策略可以提高車輛行駛穩定性且能達到傳統機械差速控制效果。

圖5 各輪滑移率值

3.2 實車實驗

通過仿真實驗驗證后，將代碼定點化搭建電機控制器MBD模型如圖6所示。其中電子差速控制模塊為控制策略的核心模塊如圖7所示，該模塊主要包含：直接橫擺力矩計算模塊、驅動選擇模塊、轉矩分配模塊以及滑移率限制模塊。直接橫擺力矩計算模塊，根據質心側偏角和橫擺角速度的偏差值，經過模糊控制器進行模糊和解模糊控制，將得出的橫擺力矩值結合車輛模型計算出各軸的左右輪差值，進行轉矩分配；驅動選擇模塊，根據需求轉矩值大小，對驅動橋數進行選擇，可有效提高各橋電機的使用壽命并減少油耗；滑移率限制模塊是將直接橫擺力矩計算模塊得到的轉矩值結合各輪的滑移率大小進行滑移率限值。

圖6 電機控制器MBD模型

圖7 電子差速控制模塊

將自動生成的代碼下載入控制器中并布置到實車進行實車驗證。在同樣的環形場地跑兩圈（第一圈等轉矩分配控制策略，第二圈電子差速控制策略），通過采集滑移率值對電子差速控制策略控制性能性進行驗證。滑移率對比圖如圖8所示。從對比圖中看出電子差速控制策略的滑移率控制效果要優于等轉矩分配，且滑移率控制基本控制在 5%以內，證明本文所提出的電子差速控制策略是可行的。

圖8 滑移率對比圖

4 結論

本文針對增程式混合動力汽車電機驅動控制器的動力分配問題進行研究，基于對車輛模型、車輛二自由度運動學方程、等轉矩分配策略、橫擺力矩控制以及電子差速控制策略的研究，提出了基于直接橫擺力矩控制電子差速控制策略的設計方法，并基于TruckSim/Simulink聯合仿真平臺對系統進行仿真試驗以及進行實車測試，根據所測得的各輪滑移率大小，判斷車輛在轉彎時的車輛穩定性，驗證本文所采用的基于模糊控制的直接橫擺力矩控制電子差速控制策略是可行的。