轮边驱动车辆原地转向装置与控制研究

叶 伟，韩 琼

轮边驱动车辆原地转向装置与控制研究

叶 伟，韩 琼

（比亚迪汽车工业有限公司 产品规划及汽车新技术研究院，广东 深圳 518118）

随着混合动力汽车的发展，驾驶员对于混合动力汽车的动力性和越野性能要求越来越高，文章阐述了一种轮边驱动的混合动力车辆可实现原地转向功能的整车装置以及实现该功能的控制方法，通过驾驶员在Pad端依次输入驾驶场景、控制模式、转动方向、目标转角等信息后再点击激活按键即可激活原地转向功能。该原地转向控制方法分为自动模式和驾驶员模式，操作简单、运行平稳、功能安全。该轮边驱动混合动力装置大大增加了混合动力车辆的动力性能和越野性能。

轮边驱动；原地转向；混合动力

面对世界环境和能源问题的挑战，电动车成为汽车工业未来发展的最佳选择[1]。轮边驱动电动汽车是一种新型的电动汽车，取消了半轴、万向节、差速器、变速箱等传动部件，由四个电机通过减速器直接与各个驱动轮相连。其电机直接放在轮辋里面，结构紧凑，车内空间利用率高，降低了整车重心，提高了车辆行驶稳定性[2]。

轮边驱动系统的每个车轮通过轮毂电机可快速进行驱动力和制动力控制，大大改善车辆行驶动力学性能，而且容易控制技术实现防抱死制动系统（Antilock Brake System, ABS）、牵引力控制系统（Traction Control System, TCS）及车身电子稳定系统（Electronic Stability Program, ESP）等稳定运行。在轮边驱动电机上导入线控转向技术，可提高车辆的转向行驶性能，并有效减小转向半径，甚至实现零转向半径，提高车轮转向行驶性能[3]。

车辆转向的方式有三种：

1）传统车辆转向，通过两侧轮胎的差速实现，即在驱动轴的中间加装差速装置，当方向盘转过一定角度，利用左右车轮的车速差实现转向。该转向方式是目前车辆所采用的主要转向类型。

2）左右车轮可以单独驱动的车辆，锁死转向内侧车轮，靠另一侧的车轮驱动，可实现车辆绕车辆一侧为焦点的转向。

3）左右车轮可以单独驱动的车辆，两边车轮以相反的方向驱动，可实现绕车辆质心为焦点的转动。

1 轮边驱动车辆装置

由于目前市场上的混合动力架构使整车动力性、经济性和越野性能无法达到最优，因而无法满足驾驶员的使用预期。如传统的混合动力汽车，由于采用驱动电机直驱的混动架构，整车的扭矩响应性能受到了很大的影响，同时整车的传动链也造成了不必要的能量损失。直驱车辆也无法实现四个轮子的独立控制，在车辆打滑时，传统混合动力无法独立控制进行脱困[4]。

本方案的宗旨是不单要解决混合动力车辆长续航行驶的问题，同时也要追求车辆的动力响应性能和越野性能，实现原地转向的功能。

本方案车辆的总布置架构如图1所示。为达到上述目的，该系统包括发动机、轮边驱动电机、发电机、动力电池、智能集成制动（Intelligent PowerBrake, IPB）系统、电动助力转向（Electric Power Steering, EPS）系统、锁止机构和整车控制器。其中，发动机是在合适的工况下带动发电机以一定的功率进行发电，以满足整车行驶功率的需求和储能的需求；轮边驱动电机用以直接输出动力至轮端；发电机和发动机相连，在发动机的带动下以一定的功率进行发电；动力电池用以给驱动电机和发电机供电；IPB系统是对整车的制动系统进行控制电控系统；EPS系统被动接受整车控制器（Vehicle Control Unit, VCU）指令，以增加车辆的操作稳定性；锁止机构根据需求进行打开和锁止，以实现同轴两侧电机的独立控制和同步控制；整车控制器根据行车参数对发动机，驱动电机，发电机IPB系统和EPS系统进行控制，使发动机以一定的功率进行发电，并永远使发动机工作在经济区。

本混合动力系统中，由于四个驱动电机已经可以提供足够的驱动扭矩，发动机不能输出动力至轮端。当动力电池的容量大于第一设定值时，即具有大容量的动力电池时，控制器不启动发动机，动力电池输出电量给四个轮边驱动电机，由驱动电机驱动车辆行驶；当电池的容量低于第二设定值时，动力电池的放电功率已达不到最大的设计标准，发电机首先带动发动机启动，发动机启动后一直工作在经济区，以一定的功率进行发电。

发动机为了满足经济性的要求，永远工作在燃油经济区间；发动机的发电功率由车辆的驱动需求功率和驾驶员的功率需求储备决定。在驾驶员驾驶车辆期间，需求驱动功率不断变化，发动机的发电功率也会随着变化，当整车的电池荷电状态（State Of Charge, SOC）达到驾驶员设定的目标点则停止发电，发动机熄火。

IPB系统接收VCU的制动减速度需求，IPB系统自己分配液压制动和电制动的关系。一般情况下，为了达到回馈扭矩的合理回收，IPB系统会最大程度的利用电制动来回收制动扭矩，如果减速度没有达到VCU的要求，IPB系统则补充液压制动，两者共同作用以达到VCU的减速度要求。

EPS系统可以在低速时减轻转向力以提高转向系统的轻便性，在高速时适当加重转向力，提高行驶稳定性。

为了增加车辆的越野性能，本车辆在前后轴加装锁止机构，一般工况下，锁止机构处于锁止的状态，即左右两侧的电机同时输出同样的扭矩到相应的轮端。但是在某些越野工况下，需要将锁止机构打开，对四个电机进行独立控制。

2 功能架构

原地转向功能由三个基础功能模块组成：系统状态控制模块、横摆角速度控制模块、轮速控制模块。原地转向功能架构如图2所示。其中，系统状态机负责判断原地转向功能的工作状态跳转；横摆角速度模块负责计算当前转角、目标横摆角速度并将其转化为目标转速；轮速控制模块负责进行预控力矩控制，基于轮速比例积分微分（Proportional Integral Differential, PID）控制对预控力矩进行修正，并将修正后的力矩进行限制、平滑后输出。

3 原地转向功能状态机控制

图3为原地转向功能系统状态机转换控制原理图。驾驶员只有在P挡才允许进入原地转向功能，进入原地转向功能后主动悬架应切换到低高度、大阻尼状态，IPB应屏蔽ABS和ESP功能。同时，Pad上自动弹出场景选择对话框，如不满足则进入原地转向功能，且不弹出对话框。驾驶员需要通过Pad依次进行驾驶场景选择（冰面、雪地、泥地）、控制模式选择（驾驶员模式、自动模式）、转动方向选择（顺时针、逆时针）、车辆目标转角选择（10～180°），完成选择后点击Pad上激活按键即可激活原地转向功能。功能激活后需要驾驶员将挡位从P挡切换成D挡，同时电子驻车制动（Electrical Park Brake, EPB）自动释放，待驾驶员松开刹车后开始原地转动。

自动模式下，车辆自动转动到目标角度后停车；驾驶员模式下，驾驶员可通过控制油门踏板开度控制车辆转动速度，功能退出由驾驶员通过踩刹车踏板触发。

原地转向系统状态负责原地转向功能的状态切换，包括5个状态：功能退出、功能进入、功能激活、驾驶员模式激活和自动模式。

满足功能进入状态的条件A1为以下条件全都满足：

1）驾驶员通过Pad发送原地转向功能进入请求；

2）整车挡位为P挡；

3）整车车速等于0；

4）整车坡度小于等于10%；

5）车辆无任何故障；

6）轮胎压力高出一定的压力值。

以上有一个条件不满足则A2条件成立，由功能进入转到转动退出状态。

以下所有条件B都满足，进入功能激活状态：

1）原地转向功能请求触发；

2）原地转向功能场景已选择；

3）原地转向功能方向已选择；

4）原地转向功能控制模式已选择；

5）自动模式情况下已选择原地转向目标转角；

6）车辆无任何故障。

图3 原地转向功能系统状态机转换控制原理图

以上一个条件不满足则条件G成立，原地转向状态由激活状态转到退出状态：

C和D是由驾驶员在Pad中手动选择驾驶员模式和自动模式来决定进入原地转向的驾驶员模式还是自动模式。

在驾驶员模式下，由驾驶员控制油门深度和方向盘转角来实现原地转向功能。该功能实现需要对整车输出扭矩和整车旋转角速度进行限制。在驾驶员模式下，整车的最大输出扭矩由标定来确定，最大输出扭矩作用在驱动轮时，整车的旋转角速度不能超过限定值。当整车的旋转角速度超过该限定值时，立刻满足E条件退出原地转向功能的激活状态。以下为条件E，满足其一则退出激活状态。

1）驾驶员有非D的请求；

2）EPB为拉起状态；

3）刹车开关置位；

4）整车旋转角速度超过一定值且超过一定时间；

5）车辆有任何故障报出；

6）轮胎压力低于一定的压力值；

7）坡度大于等于15%。

原地转向自动模式的运行也需要限制整车的最大输出扭矩和最大旋转角速度。当驾驶员在pad中选择转向的角度和方向后，整车按照设定的目标角速度进行原地转向，整车的输出扭矩按照此目标角速度进行PID调节的闭环控制。当整车的旋转角度将要达到设定的目标转角时，整车按照一定的速率衰减驱动扭矩，待达到整车旋转角度后，整车制动，退出原地转向激活状态。

条件F与条件E类似，满足其一则退出原地转向自动模式至功能退出状态。

4 目标横摆角速度和轮速计算

目标横摆角速度计算由怠速目标横摆角速度计算、油门控制附加横摆加速度计算、目标横摆角速度计算组成。

怠速目标横摆角速度计算是根据原地转向驾驶场景，通过标定得到的在雪地、泥地、冰面下的怠速目标横摆角速度。油门附加横摆角速度是根据驾驶场景，分别查不同路面模式下的一维表格得到不同场景下和不同路面下的目标横摆角速度增量。

目标横摆角速度=怠速目标横摆角速度+油门踏板横摆角速度增量。

根据驾驶场景，分别查不同驾驶场景和不同路面模式下的一维表格，通过目标横摆角速度得到对应的目标轮速。

当车辆原地转向成功激活时，怠速初始目标轮速等于各轮当前轮速。随后在一定时间内，怠速目标轮速平滑过度到怠速最终目标轮速，平滑过渡采用加权滤波。

5 轮速控制

各轮轮速采用PID控制，轮速PID修正力矩=轮速PID控制P项+轮速PID控制I项+轮速PID控制D项。

轮速误差=目标轮速×轮速缩放系数-实际轮速。轮速缩放系数为轮速所对应的轮速缩放系数一维表格。

P项输出=轮速误差×比例系数（以轮速误差标定的一维表格）。

I项输出=∑轮速误差×积分系数（以轮速误差标定的一维表格）。

D项输出=轮速误差变化率×微分系数（以轮速误差标定的一维表格）。

最终计算的修正力矩经过限幅、滤波、限制最小步长和限制加载斜率后输出[5-6]。

6 结论

该轮边驱动装置不仅大大提高了混合动力车辆的动力性，而且将两个驱动电机和二合一控制器组装在双电机总成中，大大缩减了整车机械装置的占用空间。驾驶员通过Pad可自由选择原地转向的驾驶场景、控制模式、转动方向、目标转角等信息，该功能匹配该动力装置的车辆，操作简单，运行平稳，功能安全。

[1] 程航,单金良,史扬杰,等.分布式驱动电动汽车驱动控制技术研究现状与发展[J].机械工程与自动化, 2018(6):220-222,226.

[2] 罗立全,刘平,杨明亮,等.一种提高轮边驱动客车经济性的驱动控制方法[J].汽车工程学报,2020,10(2): 107-115.

[3] 刘平,陈晓菲,杨明亮,等.四轮轮边驱动电动客车电子差速影响因素分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2020,39(8):125-133.

[4] 洪濡.分布式电驱动汽车运动控制系统设计[D].成都:西南交通大学,2018.

[5] 徐广龙,陈宇,金昊龙,等.基于模糊PID车姿态调节控制技术研究[J].机床与液压,2020,48(19):82-86,93.

[6] 朱玉刚,李江波,史晨路.基于Simulink的半主动悬架PID控制与Fuzzy-PID控制仿真[J].汽车实用技术, 2020,45(18):152-155,167.

Research on In-situ Steering Device and Control of Wheel Drive Vehicle

YE Wei, HAN Qiong

( Product Planning and Automotive New Technology Research Institute, BYD Automobile Industry Company Limited, Shenzhen 518118, China )

With the development of hybrid electric vehicles, drivers have higher and higher require- ments for the power performance and cross-country performance of hybrid electric vehicles. This paper describes a vehicle device of wheel drive hybrid electric vehicles that can realize the function of in-situ steering and the control method to achieve this function. The driver can activate the in-situ steering function by inputting the driving scene, control mode, rotation direction, target angle and other information on the Pad and then clicking the activation button. The in-situ steering control method is divided into automatic mode and driver mode, which is simple to operate, stable to run, and functional safety.The wheel-drive hybrid device greatly increases the power performance and off-road performance of the hybrid vehicle.

Driving wheel; In-situ steering; Hybrid power

U467

A

1671-7988(2023)22-07-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.022.002

叶伟（1984－），男，硕士，工程师，研究方向为新能源整车项目开发、整车集成技术开发和整车项目管控，E-mail:358790445@qq.com。