基于遗传算法的电动四驱汽车轴间扭矩分配控制策略

吴亚东 黄芳芳 汪跃中

摘 要：近年来，中国社会经济飞速发展，国民的生活水平不断提高。消费者人群对电动四驱汽车的性能要求也更加侧重。保证电动四驱汽车的操作稳定性和驾驶舒适性与安全性，是提升电动四驱汽车产品性能的关键。电动四驱汽车是通过分动器或者轴间差速器来实现汽车前后轴之间的扭矩分配。有效合理的分配轴间扭矩是改善汽车平稳性能的关键。目前就电动四驱汽车轴间扭矩分配的控制成为研究的热点问题。本文分析了电动四驱汽车的相应的动力特性，重点研究了车轴间扭矩分配对汽车性能的影响，基于遗传算法设计了电控分动器的控制策略。

关键词：遗传算法;电动四驱汽车;扭矩分配;控制

1 电动四驱汽车传动系统分析及整车动力学建模

1.1 電动四驱汽车扭矩分配关键部件分析

实现电动四驱汽车轴间扭矩分配常采用电控多片式分动器。采用电控多片式分动器能实现对前后轴扭矩的主动分配，但在分配过程中会有一定的响应时间。分动器主要部件包括：湿式多片离合器、传动链、电磁线圈、压力板、放大机构以及前后输出轴等。其控制原理是：由汽车检测车轮的扭矩状态，并转化成电流信号给分动器的电磁线圈，之后由于磁场力的作用导致分配器中的转子与导磁体吸合，从而使前轴上连接的主动链轮、摩擦片组与后轴上连接的转子、球凸轮主动轮形成力传递整体机构。因此前轴的阻力矩将传递到转子使其减速。由于花键的存在可使球凸轮从动轮与转子之间也有力的作用，因此使得从动轮转速降低，形成了一定的转速差;因此电流信号的强弱决定了结合力，影响了扭矩的分配。

1.2 整车动力学建模

首先对整个电动四驱汽车建立动力学模型，当前较为常见的电动四驱汽车动力学模型为七自由度汽车模型。这个七自由度汽车模型，是指以汽车底盘运动中心建立直角坐标系，汽车前进方向为X轴正方向，左右方向为Y轴方向。其中七自由度分别是，绕X轴的纵向运动、绕y轴侧向运动以及绕z轴方向的横摆运动以及四个车轮的转动。整车建模过程中需要对电动四驱汽车结构作相应的简化处理。第一，电动汽车坐标系的原点应与汽车的质心重合。第二，汽车只考虑相对于地面的平行运动。第三，忽略轮胎传动系统的影响，直接以转角作为模型的参数。第四，四个轮胎的机械性能一致。从而可以建立汽车在坐标系下的运动平衡方程，分析汽车整体的力学特性。

1.3 传动系统模型

两驱车型属于比较传统的车型，新式的四驱车具有四个组成部分，其中包括发动机、变速器、主减速器以及分动器，连接这些部分的包括轴组成部分和汽车的四个轮胎相连接的轴轮，也有部分四驱汽车上配置了使传动扭矩锁死以及转移的差速器装置，当然不同的电动四驱汽车所配置的具体情况也不相同。传动器的工作原理是首先由发动机动力总输出源，再通过变速器将动力传输到分动箱，其次利用前后传动轴将扭矩传输到主减速器上，最后由限滑差速器将扭矩传输到四个车轮上。根据上述传动系统的动力传输模型，可以建立传动系统输出的扭矩经由变速器分动器轮间差速器等机构传递后的力矩表达式也可获得汽车在行驶过程中各驱动轮所受滚动阻力矩的关系式。

1.4 轮胎模型

轮胎作为电动四驱汽车与地面直接接触的部分，因此汽车车轮在行驶过程中受到地面摩擦力的大小和方向直接决定了整个电动汽车的运动特性，即包含汽车的平稳性、制动性能等。通常研究轮胎的动力特性主要是通过建立轮胎的力学模型和相应的测试实验。由于轮胎作为外力的输入源，能够建立准确的轮胎力学模型分析整个电动汽车动力特性极为关键。但是往往轮胎具有复杂的结构和非线性的力学特性因此准确的建立轮胎的力学模型成为国内外的研究热点。目前对轮胎模型的建立主要有轮胎的理论模型，经验模型两种方式。轮胎的理论模型是指对轮胎的物理特性进行简化，以及对其非线性力学关系的数学简化，得到用于表达轮胎结构的数学公式以及轮胎在运动过程中的力学特性表达式，这种方法需要充分理解和分析轮胎的结构，具有一定的局限性。经验模型是指对轮胎实施大量的实验，采集相应的实验数据，通过拟合得到轮胎的力学模型并建立有限元模型。本文则选用现有的G.Gim理论模型来建立电动汽车的轮胎模型。

2 基于遗传算法控制的电动四驱汽车扭矩分配

2.1 遗传算法概述

我们用到的遗传算法是通过模拟生物进化机制的一类用于解决实际问题的具有一定的自动调节的智能计算技术，它有良好的鲁棒性。遗传算法可以较好的适用于不同领域的问题，不仅只针对某一特定问题的求解。遗传算法已经有较为成熟的应用技术，对遗传算法的理论研究和其与其他算法的结合已经具备较好的基础。正是由于遗传算法具有较好的鲁棒性以及寻优能力，本文采用遗传算法对电动四驱汽车轴间扭矩分配进行控制分析。

2.2 控制策略设计

对电动四驱汽车轴间扭矩分配控制策略设计，首先应当采用遗传算法对PID参数进行在线寻找。这样可以实时地对电动汽车运动过程中前后轴的输出转矩在线修正。其修正的具体过程如下：首先将转速差作为输入信号，通过基于遗传算法优化后的PID控制器调节，将电压信号传输给电控分动器，最终将控制后的力矩施加于电动四驱汽车的整车系统。其中由整车系统测量得到的转速差将反馈到输入信号当中。从而形成闭环控制的电动四驱汽车轴间扭矩分配控制调节系统，有效的提升汽车动力特性，改善电动四驱汽车运动平稳性。

2.3 不同路况的仿真分析

对电动四驱汽车轴间扭矩分配控制，需要考虑电动汽车在不同路况上的行驶状况。因此需要对不同路况进行仿真分析。第一，对低附着系数路面进行仿真分析，假定地面的附着系数为0.2，汽车的初速度为3m/s。通过前述建立的汽车运动模型分析可知，当汽车在1.27秒时，转速差达到最大值为19.32rad每秒。此时说明汽车的前轮发生了明显的打滑现象。而通过基于遗传算法优化的PID控制下的汽车动力模型，此时的汽车转速差为0.23rad每秒，说明基于遗传算法的电动四驱汽车轴间扭矩分配控制有效的抑制打滑现象。第二，对接触路面进行仿真分析。设定汽车从地面附着系数为0.8的路面驶向地面附着系数为0.2的路面，此时汽车的初速度仍为3m/s。从仿真分析结果中可以得知，汽车在行驶0.5秒后电动汽车的前轮从高附着路面驶向低附着路面，1.46秒后汽车的后轮高附着路面驶向低附着路面。普通动力模型下，等有机分配在0.97秒时驱动轮发生过度滑转现象，此时前后轮的转速差达到20.31rad每秒。而通过基于遗传算法优化的PID控制的汽车动力模型，此时的转速差为0.21rad每秒。通过上述的数据分析，可以知道遗传算法优化的PID控制的汽车动力模型能够有效的对电动四驱汽车轴间扭矩分配控制。

3 结语

四轮驱动汽车已经逐渐成为我国学研究的热点问题，有文献曾提出了一种新型的四轮驱动汽车，随着社会的不断重视，许多科研人员对其进行了一定的研究，并取得了相应的研究成果。本文对现有的国内外文献进行了一定的分析，对科研人员的研究成果进行了一定的了解，通过对电动汽车分动器进行研究，建立了相应的电动力学模型，并且以此为基础，重点研究了车轴间扭矩分配对汽车性能的一定影响，并且以遗传算法为基础，设计了相应的电控分动器的控制策略。本文研究结果对四驱汽车的整体动力性的改善有一定的帮助。

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