分散式轮毂电机驱动电动汽车路面附着系数的估算方法

技术领域

本发明涉及一种分散式轮毂电机驱动电动汽车在行驶过程中路面附着系数的估算方法， 特别是一种在实际路面上进行轮胎与路面纵向附着特性的实时测定方法，属于电动汽车技术 领域。

背景技术

分散式轮毂电机驱动电动汽车是将轮毂电机分别安装在电动汽车四个车轮内或车轮附近， 具有响应快、传动链短、传动高效、结构紧凑等特点，充分利用了电机精确观测和快速可控 的特点，是电动汽车一个重要的发展方向。

电动汽车轮胎在不同路面上的附着系数变化特性是评价汽车轮胎性能的一项重要技术指 标，它对汽车性能有重要影响。轮胎与不同路面之间的附着系数变化特性也是汽车动力性与 制动性能仿真计算的一项重要原始参数。

目前国内外都已经在路面附着系数识别领域做了很多工作，主要包括以下几种方法。

1）基于路面附着系数与车轮滑移率曲线的斜率的路面附着系数估算方法。该方法简单易 于实施，但是只能针对于汽车处于低滑移率的情况下，在高滑移率的情况下，滑移率和附着 系数间不满足线性关系。

2）基于轮胎模型的路面附着系数估算方法。该方法通过轮胎模型可以获得车轮的滑移特 性，并直接估算出路面附着系数，准确性较高。但是其准确性对采用的轮胎模型依赖性太强， 利用复杂的轮胎模型计算得到滑移率时间过长，简化的轮胎模型又会影响附着系数的准确性。

还有很多其它的方法都是以这两种为原型加以改动，也各有优缺点。

发明内容

针对现有的路面附着系数估算不准确问题，本发明目的是提供一种分散式轮毂电机驱动 电动汽车的路面附着系数估算方法，用以准确估计路面情况，以使行驶更为安全。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

分散式轮毂电机驱动的电动汽车的路面附着系数估算方法，该方法步骤为：

1）建立一种电动车路面附着系数的估算系统，包括：设置在电机控制器上的驱动力矩传 感器、设置在车轮处的轮速传感器、车速传感器、车轮滑移率计算模块、路面附着系数估计 模块、简化轮胎模型模块。路面附着系数估计模块有基于路面附着系数与车轮滑移率曲线来 估算路面附着系数的算法。

2）在忽略轮胎滚动阻力的情况下，根据式（1）对轮胎驱动力进行实时观测。

$F_i=(T_z-J_{\omega }*\stackrel{·}{\omega })/R,---\left(1\right)$

式中，R—车轮滚动半径、Jω—车轮转动惯量、—车轮角加速度、F_z—车轮垂向载荷、 T_Z—驱动力矩。

其中，T_z是驱动力矩，是已知的。设车轮角速度传感器采集前后相邻的时刻k-1和k，间 隔时间为T，实时采集到的轮速信号ω（k）和ω（k-1），于是有（2）式计算轮心加速度。

$\stackrel{·}{\omega }=\frac{\omega \left(k\right)-\omega (k-1)}{T},---\left(2\right)$

于是得到式（3）进行计算轮胎驱动力：

$F_i\left(k\right)=[T_z-J_{\omega }*\frac{\omega \left(k\right)-\omega (k-1)}{T}]/R,---\left(3\right)$

分散式轮毂电机驱动电动汽车的垂直载荷计算如下，其中取前后的左右车轮的垂直载荷 相等，

$F_{z1}=\frac{\mathrm{mg}{L}_r-\mathrm{mah}}{2L},---\left(4\right)$

$F_{z2}=\frac{\mathrm{mg}{L}_f-\mathrm{mah}}{2L},---\left(5\right)$

式中，L_r—车辆质心到后轮轮轴的垂直距离，L_f—车辆质心到前轮轮轴的垂直距离，L— 前后轮轮轴之间的垂直距离，h—车辆质心到地面的高度。

其中，a是电动汽车加速度，设车速传感器采集前后相邻的时刻k-1和k，间隔时间为T， 实时采集到的轮速信号V（k）和V（k-1），于是有（6）式计算汽车加速度。

$a=\frac{v\left(k\right)-v(k-1)}{T},$

当前的路面附着系数由式（6）计算得到：

μ（k）=F_i（k）/F_zi    （6）

当前时刻的滑移率计算可由式（7）计算得到：

$\lambda \left(k\right)=\left|\frac{\omega \left(k\right)*R-v_w\left(k\right)}{\max \{\omega \left(k\right)*R,v_w\left(k\right)\}}\right|,---\left(7\right)$

式中，λ—滑移率、ω—车轮角速度、R—车轮滚动半径、v_w—车速。

3）通过式（8）计算当前路面附着系数与滑移率曲线的斜率：

$p=\frac{\mathrm{d\mu }}{\mathrm{d\lambda }}=\frac{\mu \left(k\right)-\mu (k-1)}{\lambda \left(k\right)-\lambda (k-1)}---\left(8\right)$

比较：|p|<m，（9）

其中，m为设定值；

i）当|p|<m时,即可判断当前的路面附着系数为峰值路面附着系数，并设置标志位flag=0； 若斜率p的绝对值|p|>m，则继续计算下一时刻的斜率p，直到|p|<m；

ii）若在1s内斜率p仍没有达到|p|<m，则取在1s内计算得到的最大路面附着系数为相 对路面峰值附着系数，并设立一个标志位flag=1；

4）分别计算出来四个轮胎的路面峰值附着系数和标志位，记为u1、u2、u3、u4，flag1、 flag2、flag3、flag4；其中，u1、flag1表示左前轮的路面峰值附着系数和标志位；u2、flag2 表示右前轮的路面峰值附着系数和标志位；u3、flag3表示左后轮的路面峰值附着系数和标 志位；u4、flag4表示右后轮的路面峰值附着系数和标志位；

比较四个轮胎的路面峰值附着系数u1、u2、u3、u4和标志位flag1、flag2、flag3、flag4； 来进一步判断当前路面为均质路面、对开路面、对接路面或是单轮独立路面；

若四个轮胎的标志位相同，路面峰值附着系数的差值在n内，n为设定值，则判定当前 路面为均质路面，其路面附着系数U=（u1+u2+u3+u4）/4；

若前两个轮胎和后两个轮胎标志位相同，并且路面峰值系数的差值分别都在n内，n为 设定值，则判定当前路面为对接路面，其路面附着系数U1=（u1+u2）/2，U2=（u3+u4）/2；

若左边两个轮胎和右边两个轮胎标志位相同，并且路面附着系数的差值分别都在n内，n 为设定值，则判定当前路面为对开路面，其路面附着系数U1=（u1+u3）/2，U2=（u2+u4）/2；

若不满足上述情况，则判定当前路面为单轮独立路面，路面附着系数根据情况进行计算。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明首先通过轮速传感器、车速传 感器以及电机控制器实时采集电动汽车的当前轮速、车速以及驱动力矩，然后分别计算出四 个轮胎的当前的滑移率、垂直载荷以及驱动力。通过这三个值计算μ-λ曲线上当前时刻对 应点的斜率，当斜率接近零时，即判定该时刻的路面附着系数为路面峰值附着系数，否则继 续计算下一时刻的斜率；或者若1s内斜率没有接近零，则取1s内计算出的最大路面附着系 数为相对路面峰值附着系数。通过比较由四个轮胎计算得到的路面附着系数，判断当前路面 是均质路面、对开路面、对接路面或是单轮独立路面。本发明鲁棒性良好，能够较好的识别 各种不同的路面，适用于车辆在行驶过程中各种路面的路面附着系数的实时估计。

附图说明

图1是本发明的系统关系示意图。

图2是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

图1是本发明的系统关系示意图。如图1所示系统包括一车辆驱动力矩传感器、轮速传 感器、车速观测器。路面附着系数估算模块，包括轮胎力估计模块、车轮滑移率计算模块以 及简化轮胎模型。

基于以上系统，本发明对车辆行驶过程中的路面附着系数的实时估计方法包括以下步骤， 如图2所示（图2是本发明的方法流程图）。

分散式轮毂电机驱动的电动汽车的路面附着系数估算方法，该方法步骤为：

1）在忽略轮胎滚动阻力的情况下，根据式（1）对轮胎驱动力进行实时观测。

$F_i=(T_z-J_{\omega }*\stackrel{·}{\omega })/R,---\left(1\right)$

式中，R—车轮滚动半径、Jω—车轮转动惯量、—车轮角加速度、F_z—车轮垂向载荷、 T_Z—驱动力矩。

其中，T_z是驱动力矩，是已知的。设车轮角速度传感器采集前后相邻的时刻k-1和k，间 隔时间为T，实时采集到的轮速信号ω（k）和ω（k-1），于是有（2）式计算轮心加速度。

$\stackrel{·}{\omega }=\frac{\omega \left(k\right)-\omega (k-1)}{T},---\left(2\right)$

于是得到式（3）进行计算轮胎驱动力：

$F_i\left(k\right)=[T_z-J_{\omega }*\frac{\omega \left(k\right)-\omega (k-1)}{T}]/R,---\left(3\right)$

分散式轮毂电机驱动电动汽车的垂直载荷计算如下，其中取前后的左右车轮的垂直载荷 相等，

$F_{z1}=\frac{\mathrm{mg}{L}_r-\mathrm{mah}}{2L},---\left(4\right)$

$F_{z2}=\frac{\mathrm{mg}{L}_f-\mathrm{mah}}{2L},---\left(5\right)$

式中，L_r—车辆质心到后轮轮轴的垂直距离，L_f—车辆质心到前轮轮轴的垂直距离，L— 前后轮轮轴之间的垂直距离，h—车辆质心到地面的高度。

其中，a是电动汽车加速度，设车速传感器采集前后相邻的时刻k-1和k，间隔时间为T， 实时采集到的轮速信号v（k）和v（k-1），于是有（6）式计算汽车加速度。

$a=\frac{v\left(k\right)-v(k-1)}{T},$

当前的利用路面附着系数可由式（6）计算得到：

μ（k）=F_i（k）/F_zi，（6）

当前时刻的滑移率计算可由式（7）计算得到：

$\lambda \left(k\right)=\left|\frac{\omega \left(k\right)*R-v_w\left(k\right)}{\max \{\omega \left(k\right)*R,v_w\left(k\right)\}}\right|,---\left(7\right)$

式中，λ—滑移率、ω—车轮角速度、R—车轮滚动半径、v_w—车速。

2）通过式（8）计算当前路面附着系数与滑移率曲线的斜率：

$p=\frac{\mathrm{d\mu }}{\mathrm{d\lambda }}=\frac{\mu \left(k\right)-\mu (k-1)}{\lambda \left(k\right)-\lambda (k-1)}---\left(8\right)$

比较：|p|<m，（9），

其中，这里m为0.1；n为0.05。

i）当|p|<0.1时,即可判断当前的路面附着系数为峰值路面附着系数，并设置标志位 flag=0；若斜率p的绝对值|p|>0.1，则继续计算下一时刻的斜率p，直到|p|<0.1；

ii）若在1s内斜率p仍没有达到|p|<0.1，则取在1s内计算得到的最大路面附着系数为 相对路面峰值附着系数，并设立一个标志位flag=1；

3）分别计算出来四个轮胎的路面峰值附着系数和标志位，记为u1、u2、u3、u4，flag1、 flag2、flag3、flag4；其中，u1、flag1表示左前轮的路面峰值附着系数和标志位；u2、flag2 表示右前轮的路面峰值附着系数和标志位；u3、flag3表示左后轮的路面峰值附着系数和标 志位；u4、flag4表示右后轮的路面峰值附着系数和标志位；

比较四个轮胎的路面峰值附着系数u1、u2、u3、u4和标志位flag1、flag2、flag3、flag4； 来进一步判断当前路面为均质路面、对开路面、对接路面或是单轮独立路面；

若四个轮胎的标志位相同，路面峰值附着系数的差值在n内，n为设定值，则判定当前 路面为均质路面，其路面附着系数U=（u1+u2+u3+u4）/4；

若前两个轮胎和后两个轮胎标志位相同，并且路面峰值系数的差值分别都在n内，n为 设定值，则判定当前路面为对接路面，其路面附着系数U1=（u1+u2）/2，U2=（u3+u4）/2；

若左边两个轮胎和右边两个轮胎标志位相同，并且路面附着系数的差值分别都在n内，n 为设定值，则判定当前路面为对开路面，其路面附着系数U1=（u1+u3）/2，U2=（u2+u4）/2；

若不满足上述情况，则判定当前路面为单轮独立路面，路面附着系数根据情况进行计算。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明首先通过轮速传感器、车速传 感器以及电机控制器实时采集电动汽车的当前轮速、车速以及驱动力矩，然后分别计算出四 个轮胎的当前的滑移率、垂直载荷以及驱动力。通过这三个值计算μ-λ曲线上当前时刻对 应点的斜率，当斜率接近零时，即判定该时刻的路面附着系数为路面峰值附着系数。通过比 较由四个轮胎计算得到的路面附着系数，判断当前路面是均质路面、对开路面、对接路面或 是单轮独立路面。本发明鲁棒性良好，能够较好的识别各种不同的路面，适用于车辆在行驶 过程中各种路面的路面附着系数的实时估计。