葉 偉，韓 瓊

輪邊驅(qū)動(dòng)車輛原地轉(zhuǎn)向裝置與控制研究

葉 偉，韓 瓊

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司 產(chǎn)品規(guī)劃及汽車新技術(shù)研究院，廣東 深圳 518118）

隨著混合動(dòng)力汽車的發(fā)展，駕駛員對于混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性和越野性能要求越來越高，文章闡述了一種輪邊驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力車輛可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向功能的整車裝置以及實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)動(dòng)方向、目標(biāo)轉(zhuǎn)角等信息后再點(diǎn)擊激活按鍵即可激活原地轉(zhuǎn)向功能。該原地轉(zhuǎn)向控制方法分為自動(dòng)模式和駕駛員模式，操作簡單、運(yùn)行平穩(wěn)、功能安全。該輪邊驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力裝置大大增加了混合動(dòng)力車輛的動(dòng)力性能和越野性能。

輪邊驅(qū)動(dòng)；原地轉(zhuǎn)向；混合動(dòng)力

面對世界環(huán)境和能源問題的挑戰(zhàn)，電動(dòng)車成為汽車工業(yè)未來發(fā)展的最佳選擇[1]。輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車是一種新型的電動(dòng)汽車，取消了半軸、萬向節(jié)、差速器、變速箱等傳動(dòng)部件，由四個(gè)電機(jī)通過減速器直接與各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪相連。其電機(jī)直接放在輪輞里面，結(jié)構(gòu)緊湊，車內(nèi)空間利用率高，降低了整車重心，提高了車輛行駛穩(wěn)定性[2]。

輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的每個(gè)車輪通過輪轂電機(jī)可快速進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力控制，大大改善車輛行駛動(dòng)力學(xué)性能，而且容易控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（Antilock Brake System, ABS）、牽引力控制系統(tǒng)（Traction Control System, TCS）及車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability Program, ESP）等穩(wěn)定運(yùn)行。在輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)上導(dǎo)入線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，可提高車輛的轉(zhuǎn)向行駛性能，并有效減小轉(zhuǎn)向半徑，甚至實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)向半徑，提高車輪轉(zhuǎn)向行駛性能[3]。

車輛轉(zhuǎn)向的方式有三種：

1）傳統(tǒng)車輛轉(zhuǎn)向，通過兩側(cè)輪胎的差速實(shí)現(xiàn)，即在驅(qū)動(dòng)軸的中間加裝差速裝置，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)過一定角度，利用左右車輪的車速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。該轉(zhuǎn)向方式是目前車輛所采用的主要轉(zhuǎn)向類型。

2）左右車輪可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的車輛，鎖死轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)車輪，靠另一側(cè)的車輪驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)車輛繞車輛一側(cè)為焦點(diǎn)的轉(zhuǎn)向。

3）左右車輪可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的車輛，兩邊車輪以相反的方向驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)繞車輛質(zhì)心為焦點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1 輪邊驅(qū)動(dòng)車輛裝置

由于目前市場上的混合動(dòng)力架構(gòu)使整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和越野性能無法達(dá)到最優(yōu)，因而無法滿足駕駛員的使用預(yù)期。如傳統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車，由于采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)直驅(qū)的混動(dòng)架構(gòu)，整車的扭矩響應(yīng)性能受到了很大的影響，同時(shí)整車的傳動(dòng)鏈也造成了不必要的能量損失。直驅(qū)車輛也無法實(shí)現(xiàn)四個(gè)輪子的獨(dú)立控制，在車輛打滑時(shí)，傳統(tǒng)混合動(dòng)力無法獨(dú)立控制進(jìn)行脫困[4]。

本方案的宗旨是不單要解決混合動(dòng)力車輛長續(xù)航行駛的問題，同時(shí)也要追求車輛的動(dòng)力響應(yīng)性能和越野性能，實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向的功能。

本方案車輛的總布置架構(gòu)如圖1所示。為達(dá)到上述目的，該系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力電池、智能集成制動(dòng)（Intelligent PowerBrake, IPB）系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering, EPS）系統(tǒng)、鎖止機(jī)構(gòu)和整車控制器。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)是在合適的工況下帶動(dòng)發(fā)電機(jī)以一定的功率進(jìn)行發(fā)電，以滿足整車行駛功率的需求和儲(chǔ)能的需求；輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)用以直接輸出動(dòng)力至輪端；發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)相連，在發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下以一定的功率進(jìn)行發(fā)電；動(dòng)力電池用以給驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)供電；IPB系統(tǒng)是對整車的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制電控系統(tǒng)；EPS系統(tǒng)被動(dòng)接受整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）指令，以增加車輛的操作穩(wěn)定性；鎖止機(jī)構(gòu)根據(jù)需求進(jìn)行打開和鎖止，以實(shí)現(xiàn)同軸兩側(cè)電機(jī)的獨(dú)立控制和同步控制；整車控制器根據(jù)行車參數(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，發(fā)電機(jī)IPB系統(tǒng)和EPS系統(tǒng)進(jìn)行控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)以一定的功率進(jìn)行發(fā)電，并永遠(yuǎn)使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)。

本混合動(dòng)力系統(tǒng)中，由于四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)已經(jīng)可以提供足夠的驅(qū)動(dòng)扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)不能輸出動(dòng)力至輪端。當(dāng)動(dòng)力電池的容量大于第一設(shè)定值時(shí)，即具有大容量的動(dòng)力電池時(shí)，控制器不啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力電池輸出電量給四個(gè)輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛；當(dāng)電池的容量低于第二設(shè)定值時(shí)，動(dòng)力電池的放電功率已達(dá)不到最大的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)電機(jī)首先帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后一直工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)，以一定的功率進(jìn)行發(fā)電。

發(fā)動(dòng)機(jī)為了滿足經(jīng)濟(jì)性的要求，永遠(yuǎn)工作在燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)間；發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電功率由車輛的驅(qū)動(dòng)需求功率和駕駛員的功率需求儲(chǔ)備決定。在駕駛員駕駛車輛期間，需求驅(qū)動(dòng)功率不斷變化，發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電功率也會(huì)隨著變化，當(dāng)整車的電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）達(dá)到駕駛員設(shè)定的目標(biāo)點(diǎn)則停止發(fā)電，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。

IPB系統(tǒng)接收VCU的制動(dòng)減速度需求，IPB系統(tǒng)自己分配液壓制動(dòng)和電制動(dòng)的關(guān)系。一般情況下，為了達(dá)到回饋扭矩的合理回收，IPB系統(tǒng)會(huì)最大程度的利用電制動(dòng)來回收制動(dòng)扭矩，如果減速度沒有達(dá)到VCU的要求，IPB系統(tǒng)則補(bǔ)充液壓制動(dòng)，兩者共同作用以達(dá)到VCU的減速度要求。

EPS系統(tǒng)可以在低速時(shí)減輕轉(zhuǎn)向力以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輕便性，在高速時(shí)適當(dāng)加重轉(zhuǎn)向力，提高行駛穩(wěn)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(jī)構(gòu)，一般工況下，鎖止機(jī)構(gòu)處于鎖止的狀態(tài)，即左右兩側(cè)的電機(jī)同時(shí)輸出同樣的扭矩到相應(yīng)的輪端。但是在某些越野工況下，需要將鎖止機(jī)構(gòu)打開，對四個(gè)電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立控制。

2 功能架構(gòu)

原地轉(zhuǎn)向功能由三個(gè)基礎(chǔ)功能模塊組成：系統(tǒng)狀態(tài)控制模塊、橫擺角速度控制模塊、輪速控制模塊。原地轉(zhuǎn)向功能架構(gòu)如圖2所示。其中，系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)判斷原地轉(zhuǎn)向功能的工作狀態(tài)跳轉(zhuǎn)；橫擺角速度模塊負(fù)責(zé)計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)角、目標(biāo)橫擺角速度并將其轉(zhuǎn)化為目標(biāo)轉(zhuǎn)速；輪速控制模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行預(yù)控力矩控制，基于輪速比例積分微分（Proportional Integral Differential, PID）控制對預(yù)控力矩進(jìn)行修正，并將修正后的力矩進(jìn)行限制、平滑后輸出。

3 原地轉(zhuǎn)向功能狀態(tài)機(jī)控制

圖3為原地轉(zhuǎn)向功能系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換控制原理圖。駕駛員只有在P擋才允許進(jìn)入原地轉(zhuǎn)向功能，進(jìn)入原地轉(zhuǎn)向功能后主動(dòng)懸架應(yīng)切換到低高度、大阻尼狀態(tài)，IPB應(yīng)屏蔽ABS和ESP功能。同時(shí)，Pad上自動(dòng)彈出場景選擇對話框，如不滿足則進(jìn)入原地轉(zhuǎn)向功能，且不彈出對話框。駕駛員需要通過Pad依次進(jìn)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(dòng)模式）、轉(zhuǎn)動(dòng)方向選擇（順時(shí)針、逆時(shí)針）、車輛目標(biāo)轉(zhuǎn)角選擇（10～180°），完成選擇后點(diǎn)擊Pad上激活按鍵即可激活原地轉(zhuǎn)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(shí)電子駐車制動(dòng)（Electrical Park Brake, EPB）自動(dòng)釋放，待駕駛員松開剎車后開始原地轉(zhuǎn)動(dòng)。

自動(dòng)模式下，車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)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(zhuǎn)動(dòng)速度，功能退出由駕駛員通過踩剎車踏板觸發(fā)。

原地轉(zhuǎn)向系統(tǒng)狀態(tài)負(fù)責(zé)原地轉(zhuǎn)向功能的狀態(tài)切換，包括5個(gè)狀態(tài)：功能退出、功能進(jìn)入、功能激活、駕駛員模式激活和自動(dòng)模式。

滿足功能進(jìn)入狀態(tài)的條件A1為以下條件全都滿足：

1）駕駛員通過Pad發(fā)送原地轉(zhuǎn)向功能進(jìn)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(gè)條件不滿足則A2條件成立，由功能進(jìn)入轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)動(dòng)退出狀態(tài)。

以下所有條件B都滿足，進(jìn)入功能激活狀態(tài)：

1）原地轉(zhuǎn)向功能請求觸發(fā)；

2）原地轉(zhuǎn)向功能場景已選擇；

3）原地轉(zhuǎn)向功能方向已選擇；

4）原地轉(zhuǎn)向功能控制模式已選擇；

5）自動(dòng)模式情況下已選擇原地轉(zhuǎn)向目標(biāo)轉(zhuǎn)角；

6）車輛無任何故障。

圖3 原地轉(zhuǎn)向功能系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換控制原理圖

以上一個(gè)條件不滿足則條件G成立，原地轉(zhuǎn)向狀態(tài)由激活狀態(tài)轉(zhuǎn)到退出狀態(tài)：

C和D是由駕駛員在Pad中手動(dòng)選擇駕駛員模式和自動(dòng)模式來決定進(jìn)入原地轉(zhuǎn)向的駕駛員模式還是自動(dòng)模式。

在駕駛員模式下，由駕駛員控制油門深度和方向盤轉(zhuǎn)角來實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向功能。該功能實(shí)現(xiàn)需要對整車輸出扭矩和整車旋轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行限制。在駕駛員模式下，整車的最大輸出扭矩由標(biāo)定來確定，最大輸出扭矩作用在驅(qū)動(dòng)輪時(shí)，整車的旋轉(zhuǎn)角速度不能超過限定值。當(dāng)整車的旋轉(zhuǎn)角速度超過該限定值時(shí)，立刻滿足E條件退出原地轉(zhuǎn)向功能的激活狀態(tài)。以下為條件E，滿足其一則退出激活狀態(tài)。

1）駕駛員有非D的請求；

2）EPB為拉起狀態(tài)；

3）剎車開關(guān)置位；

4）整車旋轉(zhuǎn)角速度超過一定值且超過一定時(shí)間；

5）車輛有任何故障報(bào)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(zhuǎn)向自動(dòng)模式的運(yùn)行也需要限制整車的最大輸出扭矩和最大旋轉(zhuǎn)角速度。當(dāng)駕駛員在pad中選擇轉(zhuǎn)向的角度和方向后，整車按照設(shè)定的目標(biāo)角速度進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向，整車的輸出扭矩按照此目標(biāo)角速度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制。當(dāng)整車的旋轉(zhuǎn)角度將要達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)角時(shí)，整車按照一定的速率衰減驅(qū)動(dòng)扭矩，待達(dá)到整車旋轉(zhuǎn)角度后，整車制動(dòng)，退出原地轉(zhuǎn)向激活狀態(tài)。

條件F與條件E類似，滿足其一則退出原地轉(zhuǎn)向自動(dòng)模式至功能退出狀態(tài)。

4 目標(biāo)橫擺角速度和輪速計(jì)算

目標(biāo)橫擺角速度計(jì)算由怠速目標(biāo)橫擺角速度計(jì)算、油門控制附加橫擺加速度計(jì)算、目標(biāo)橫擺角速度計(jì)算組成。

怠速目標(biāo)橫擺角速度計(jì)算是根據(jù)原地轉(zhuǎn)向駕駛場景，通過標(biāo)定得到的在雪地、泥地、冰面下的怠速目標(biāo)橫擺角速度。油門附加橫擺角速度是根據(jù)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(biāo)橫擺角速度增量。

目標(biāo)橫擺角速度=怠速目標(biāo)橫擺角速度+油門踏板橫擺角速度增量。

根據(jù)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(biāo)橫擺角速度得到對應(yīng)的目標(biāo)輪速。

當(dāng)車輛原地轉(zhuǎn)向成功激活時(shí)，怠速初始目標(biāo)輪速等于各輪當(dāng)前輪速。隨后在一定時(shí)間內(nèi)，怠速目標(biāo)輪速平滑過度到怠速最終目標(biāo)輪速，平滑過渡采用加權(quán)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(xiàng)+輪速PID控制I項(xiàng)+輪速PID控制D項(xiàng)。

輪速誤差=目標(biāo)輪速×輪速縮放系數(shù)-實(shí)際輪速。輪速縮放系數(shù)為輪速所對應(yīng)的輪速縮放系數(shù)一維表格。

P項(xiàng)輸出=輪速誤差×比例系數(shù)（以輪速誤差標(biāo)定的一維表格）。

I項(xiàng)輸出=∑輪速誤差×積分系數(shù)（以輪速誤差標(biāo)定的一維表格）。

D項(xiàng)輸出=輪速誤差變化率×微分系數(shù)（以輪速誤差標(biāo)定的一維表格）。

最終計(jì)算的修正力矩經(jīng)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(jié)論

該輪邊驅(qū)動(dòng)裝置不僅大大提高了混合動(dòng)力車輛的動(dòng)力性，而且將兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和二合一控制器組裝在雙電機(jī)總成中，大大縮減了整車機(jī)械裝置的占用空間。駕駛員通過Pad可自由選擇原地轉(zhuǎn)向的駕駛場景、控制模式、轉(zhuǎn)動(dòng)方向、目標(biāo)轉(zhuǎn)角等信息，該功能匹配該動(dòng)力裝置的車輛，操作簡單，運(yùn)行平穩(wěn)，功能安全。

[1] 程航,單金良,史揚(yáng)杰,等.分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化, 2018(6):220-222,226.

[2] 羅立全,劉平,楊明亮,等.一種提高輪邊驅(qū)動(dòng)客車經(jīng)濟(jì)性的驅(qū)動(dòng)控制方法[J].汽車工程學(xué)報(bào),2020,10(2): 107-115.

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[5] 徐廣龍,陳宇,金昊龍,等.基于模糊PID車姿態(tài)調(diào)節(jié)控制技術(shù)研究[J].機(jī)床與液壓,2020,48(19):82-86,93.

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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?yàn)樾履茉凑図?xiàng)目開發(fā)、整車集成技術(shù)開發(fā)和整車項(xiàng)目管控，E-mail:358790445@qq.com。