輪邊驅動車輛原地轉向裝置與控制研究

葉 偉，韓 瓊

輪邊驅動車輛原地轉向裝置與控制研究

葉 偉，韓 瓊

（比亞迪汽車工業有限公司 產品規劃及汽車新技術研究院，廣東 深圳 518118）

隨著混合動力汽車的發展，駕駛員對于混合動力汽車的動力性和越野性能要求越來越高，文章闡述了一種輪邊驅動的混合動力車輛可實現原地轉向功能的整車裝置以及實現該功能的控制方法，通過駕駛員在Pad端依次輸入駕駛場景、控制模式、轉動方向、目標轉角等信息后再點擊激活按鍵即可激活原地轉向功能。該原地轉向控制方法分為自動模式和駕駛員模式，操作簡單、運行平穩、功能安全。該輪邊驅動混合動力裝置大大增加了混合動力車輛的動力性能和越野性能。

輪邊驅動；原地轉向；混合動力

面對世界環境和能源問題的挑戰，電動車成為汽車工業未來發展的最佳選擇[1]。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、差速器、變速箱等傳動部件，由四個電機通過減速器直接與各個驅動輪相連。其電機直接放在輪輞里面，結構緊湊，車內空間利用率高，降低了整車重心，提高了車輛行駛穩定性[2]。

輪邊驅動系統的每個車輪通過輪轂電機可快速進行驅動力和制動力控制，大大改善車輛行駛動力學性能，而且容易控制技術實現防抱死制動系統（Antilock Brake System, ABS）、牽引力控制系統（Traction Control System, TCS）及車身電子穩定系統（Electronic Stability Program, ESP）等穩定運行。在輪邊驅動電機上導入線控轉向技術，可提高車輛的轉向行駛性能，并有效減小轉向半徑，甚至實現零轉向半徑，提高車輪轉向行駛性能[3]。

車輛轉向的方式有三種：

1）傳統車輛轉向，通過兩側輪胎的差速實現，即在驅動軸的中間加裝差速裝置，當方向盤轉過一定角度，利用左右車輪的車速差實現轉向。該轉向方式是目前車輛所采用的主要轉向類型。

2）左右車輪可以單獨驅動的車輛，鎖死轉向內側車輪，靠另一側的車輪驅動，可實現車輛繞車輛一側為焦點的轉向。

3）左右車輪可以單獨驅動的車輛，兩邊車輪以相反的方向驅動，可實現繞車輛質心為焦點的轉動。

1 輪邊驅動車輛裝置

由于目前市場上的混合動力架構使整車動力性、經濟性和越野性能無法達到最優，因而無法滿足駕駛員的使用預期。如傳統的混合動力汽車，由于采用驅動電機直驅的混動架構，整車的扭矩響應性能受到了很大的影響，同時整車的傳動鏈也造成了不必要的能量損失。直驅車輛也無法實現四個輪子的獨立控制，在車輛打滑時，傳統混合動力無法獨立控制進行脫困[4]。

本方案的宗旨是不單要解決混合動力車輛長續航行駛的問題，同時也要追求車輛的動力響應性能和越野性能，實現原地轉向的功能。

本方案車輛的總布置架構如圖1所示。為達到上述目的，該系統包括發動機、輪邊驅動電機、發電機、動力電池、智能集成制動（Intelligent PowerBrake, IPB）系統、電動助力轉向（Electric Power Steering, EPS）系統、鎖止機構和整車控制器。其中，發動機是在合適的工況下帶動發電機以一定的功率進行發電，以滿足整車行駛功率的需求和儲能的需求；輪邊驅動電機用以直接輸出動力至輪端；發電機和發動機相連，在發動機的帶動下以一定的功率進行發電；動力電池用以給驅動電機和發電機供電；IPB系統是對整車的制動系統進行控制電控系統；EPS系統被動接受整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）指令，以增加車輛的操作穩定性；鎖止機構根據需求進行打開和鎖止，以實現同軸兩側電機的獨立控制和同步控制；整車控制器根據行車參數對發動機，驅動電機，發電機IPB系統和EPS系統進行控制，使發動機以一定的功率進行發電，并永遠使發動機工作在經濟區。

本混合動力系統中，由于四個驅動電機已經可以提供足夠的驅動扭矩，發動機不能輸出動力至輪端。當動力電池的容量大于第一設定值時，即具有大容量的動力電池時，控制器不啟動發動機，動力電池輸出電量給四個輪邊驅動電機，由驅動電機驅動車輛行駛；當電池的容量低于第二設定值時，動力電池的放電功率已達不到最大的設計標準，發電機首先帶動發動機啟動，發動機啟動后一直工作在經濟區，以一定的功率進行發電。

發動機為了滿足經濟性的要求，永遠工作在燃油經濟區間；發動機的發電功率由車輛的驅動需求功率和駕駛員的功率需求儲備決定。在駕駛員駕駛車輛期間，需求驅動功率不斷變化，發動機的發電功率也會隨著變化，當整車的電池荷電狀態（State Of Charge, SOC）達到駕駛員設定的目標點則停止發電，發動機熄火。

IPB系統接收VCU的制動減速度需求，IPB系統自己分配液壓制動和電制動的關系。一般情況下，為了達到回饋扭矩的合理回收，IPB系統會最大程度的利用電制動來回收制動扭矩，如果減速度沒有達到VCU的要求，IPB系統則補充液壓制動，兩者共同作用以達到VCU的減速度要求。

EPS系統可以在低速時減輕轉向力以提高轉向系統的輕便性，在高速時適當加重轉向力，提高行駛穩定性。

為了增加車輛的越野性能，本車輛在前后軸加裝鎖止機構，一般工況下，鎖止機構處于鎖止的狀態，即左右兩側的電機同時輸出同樣的扭矩到相應的輪端。但是在某些越野工況下，需要將鎖止機構打開，對四個電機進行獨立控制。

2 功能架構

原地轉向功能由三個基礎功能模塊組成：系統狀態控制模塊、橫擺角速度控制模塊、輪速控制模塊。原地轉向功能架構如圖2所示。其中，系統狀態機負責判斷原地轉向功能的工作狀態跳轉；橫擺角速度模塊負責計算當前轉角、目標橫擺角速度并將其轉化為目標轉速；輪速控制模塊負責進行預控力矩控制，基于輪速比例積分微分（Proportional Integral Differential, PID）控制對預控力矩進行修正，并將修正后的力矩進行限制、平滑后輸出。

3 原地轉向功能狀態機控制

圖3為原地轉向功能系統狀態機轉換控制原理圖。駕駛員只有在P擋才允許進入原地轉向功能，進入原地轉向功能后主動懸架應切換到低高度、大阻尼狀態，IPB應屏蔽ABS和ESP功能。同時，Pad上自動彈出場景選擇對話框，如不滿足則進入原地轉向功能，且不彈出對話框。駕駛員需要通過Pad依次進行駕駛場景選擇（冰面、雪地、泥地）、控制模式選擇（駕駛員模式、自動模式）、轉動方向選擇（順時針、逆時針）、車輛目標轉角選擇（10～180°），完成選擇后點擊Pad上激活按鍵即可激活原地轉向功能。功能激活后需要駕駛員將擋位從P擋切換成D擋，同時電子駐車制動（Electrical Park Brake, EPB）自動釋放，待駕駛員松開剎車后開始原地轉動。

自動模式下，車輛自動轉動到目標角度后停車；駕駛員模式下，駕駛員可通過控制油門踏板開度控制車輛轉動速度，功能退出由駕駛員通過踩剎車踏板觸發。

原地轉向系統狀態負責原地轉向功能的狀態切換，包括5個狀態：功能退出、功能進入、功能激活、駕駛員模式激活和自動模式。

滿足功能進入狀態的條件A1為以下條件全都滿足：

1）駕駛員通過Pad發送原地轉向功能進入請求；

2）整車擋位為P擋；

3）整車車速等于0；

4）整車坡度小于等于10%；

5）車輛無任何故障；

6）輪胎壓力高出一定的壓力值。

以上有一個條件不滿足則A2條件成立，由功能進入轉到轉動退出狀態。

以下所有條件B都滿足，進入功能激活狀態：

1）原地轉向功能請求觸發；

2）原地轉向功能場景已選擇；

3）原地轉向功能方向已選擇；

4）原地轉向功能控制模式已選擇；

5）自動模式情況下已選擇原地轉向目標轉角；

6）車輛無任何故障。

圖3 原地轉向功能系統狀態機轉換控制原理圖

以上一個條件不滿足則條件G成立，原地轉向狀態由激活狀態轉到退出狀態：

C和D是由駕駛員在Pad中手動選擇駕駛員模式和自動模式來決定進入原地轉向的駕駛員模式還是自動模式。

在駕駛員模式下，由駕駛員控制油門深度和方向盤轉角來實現原地轉向功能。該功能實現需要對整車輸出扭矩和整車旋轉角速度進行限制。在駕駛員模式下，整車的最大輸出扭矩由標定來確定，最大輸出扭矩作用在驅動輪時，整車的旋轉角速度不能超過限定值。當整車的旋轉角速度超過該限定值時，立刻滿足E條件退出原地轉向功能的激活狀態。以下為條件E，滿足其一則退出激活狀態。

1）駕駛員有非D的請求；

2）EPB為拉起狀態；

3）剎車開關置位；

4）整車旋轉角速度超過一定值且超過一定時間；

5）車輛有任何故障報出；

6）輪胎壓力低于一定的壓力值；

7）坡度大于等于15%。

原地轉向自動模式的運行也需要限制整車的最大輸出扭矩和最大旋轉角速度。當駕駛員在pad中選擇轉向的角度和方向后，整車按照設定的目標角速度進行原地轉向，整車的輸出扭矩按照此目標角速度進行PID調節的閉環控制。當整車的旋轉角度將要達到設定的目標轉角時，整車按照一定的速率衰減驅動扭矩，待達到整車旋轉角度后，整車制動，退出原地轉向激活狀態。

條件F與條件E類似，滿足其一則退出原地轉向自動模式至功能退出狀態。

4 目標橫擺角速度和輪速計算

目標橫擺角速度計算由怠速目標橫擺角速度計算、油門控制附加橫擺加速度計算、目標橫擺角速度計算組成。

怠速目標橫擺角速度計算是根據原地轉向駕駛場景，通過標定得到的在雪地、泥地、冰面下的怠速目標橫擺角速度。油門附加橫擺角速度是根據駕駛場景，分別查不同路面模式下的一維表格得到不同場景下和不同路面下的目標橫擺角速度增量。

目標橫擺角速度=怠速目標橫擺角速度+油門踏板橫擺角速度增量。

根據駕駛場景，分別查不同駕駛場景和不同路面模式下的一維表格，通過目標橫擺角速度得到對應的目標輪速。

當車輛原地轉向成功激活時，怠速初始目標輪速等于各輪當前輪速。隨后在一定時間內，怠速目標輪速平滑過度到怠速最終目標輪速，平滑過渡采用加權濾波。

5 輪速控制

各輪輪速采用PID控制，輪速PID修正力矩=輪速PID控制P項+輪速PID控制I項+輪速PID控制D項。

輪速誤差=目標輪速×輪速縮放系數-實際輪速。輪速縮放系數為輪速所對應的輪速縮放系數一維表格。

P項輸出=輪速誤差×比例系數（以輪速誤差標定的一維表格）。

I項輸出=∑輪速誤差×積分系數（以輪速誤差標定的一維表格）。

D項輸出=輪速誤差變化率×微分系數（以輪速誤差標定的一維表格）。

最終計算的修正力矩經過限幅、濾波、限制最小步長和限制加載斜率后輸出[5-6]。

6 結論

該輪邊驅動裝置不僅大大提高了混合動力車輛的動力性，而且將兩個驅動電機和二合一控制器組裝在雙電機總成中，大大縮減了整車機械裝置的占用空間。駕駛員通過Pad可自由選擇原地轉向的駕駛場景、控制模式、轉動方向、目標轉角等信息，該功能匹配該動力裝置的車輛，操作簡單，運行平穩，功能安全。

[1] 程航,單金良,史揚杰,等.分布式驅動電動汽車驅動控制技術研究現狀與發展[J].機械工程與自動化, 2018(6):220-222,226.

[2] 羅立全,劉平,楊明亮,等.一種提高輪邊驅動客車經濟性的驅動控制方法[J].汽車工程學報,2020,10(2): 107-115.

[3] 劉平,陳曉菲,楊明亮,等.四輪輪邊驅動電動客車電子差速影響因素分析[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2020,39(8):125-133.

[4] 洪濡.分布式電驅動汽車運動控制系統設計[D].成都:西南交通大學,2018.

[5] 徐廣龍,陳宇,金昊龍,等.基于模糊PID車姿態調節控制技術研究[J].機床與液壓,2020,48(19):82-86,93.

[6] 朱玉剛,李江波,史晨路.基于Simulink的半主動懸架PID控制與Fuzzy-PID控制仿真[J].汽車實用技術, 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

葉偉（1984－），男，碩士，工程師，研究方向為新能源整車項目開發、整車集成技術開發和整車項目管控，E-mail:358790445@qq.com。