CN114161946B - 一种前单后双电机纯电动全驱汽车转向辅助扭矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动汽车控制领域，特别涉及一种前单后双电机纯电动全驱汽车转向辅助扭矩控制方法，利用前轴单电机后轴双电机电动车辆可独立控制前轴及后左右两轮动力输出方向及输出扭矩的特点，转向时锁止内侧前轮，并对外侧前轮施加正向力矩，外侧后轮施加正向力矩，内侧后轮施加反向力矩，从而实现车辆近似围绕质心的原地旋转，将转弯半径缩短为交叉轴的1/2，从而进一步提高车辆的通过性能及越野脱困能力。

Description

一种前单后双电机纯电动全驱汽车转向辅助扭矩控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车控制领域，特别涉及一种前单后双电机纯电动全驱汽车转向辅助扭矩控制方法。

背景技术

为适应复杂地形情况及恶劣的路况环境，当前越野车辆一般采用全轮驱动(四轮驱动)的驱动形式，即全部车轮均可提供动力。为实现全轮驱动，传统燃油车发动机产生的动力经离合机构、变速箱、分动箱的动力传导分配给四个车轮。电动车实现全轮驱动的形式则较为简单，目前全轮驱动电动汽车发展趋势为三电机驱动，即前轴左右车轮由位于前桥的电机一进行驱动，后轴左右两车轮则分别由电机二和电机三进行驱动。相较于燃油车，三电机的动力输出彼此独立，可单独控制动力输出方向及输出扭矩。

当方向盘转动到极限位置时，由转向中心到前外转向轮与地面接触点的距离称为转弯半径。车辆在行驶过程中，经常会遇到在狭窄路面掉头的工况，转弯半径的大小可直接反应车辆的机动性的强弱，车辆对应的转弯半径越小，表明车辆的机动性越好，在极端路况条件下完成掉头操作所需要的空间也就越小。因此缩短转弯半径可在一定程度上提高越野车辆的脱困能力及安全性。

为尽可能缩短转弯半径，部分车辆会增加专用的转向辅助模式功能，该模式可在附着力较低的非铺装路面上使用，当遇到狭窄空间需要完成掉头操作时开启该模式，对应转向方向的内侧后轮会被制动分配系统锁止，基本不发生旋转，另外三个车轮正常驱动，从而使车辆完成围绕被制动车轮的转向，将转弯半径缩短至车辆交叉轴距离。

因传动方式所限，传统燃油车辆仅可改变四轮的动力输出比例，无法单独控制每个车轮的动力输出方向，因此上述传统的转向辅助模式控制方法仅可实现车辆沿后侧车轮转向，无法实现车辆原地旋转。

发明内容

本发明针对现有技术中的针对车辆难以实现原地旋转的问题，提出了一种前单后双电机纯电动全驱汽车转向辅助扭矩控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种前单后双电机纯电动全驱汽车转向辅助扭矩控制方法，包括如下步骤：

S1.通过转向辅助模式开关判定是否有转向辅助模式开启请求，若无则结束，有则执行步骤S2；

S2.分别通过左前轮轮速传感器、右前轮轮速传感器、左后轮轮速传感器、右后轮轮速传感器得出左前轮轮速、右前轮轮速、左后轮轮速、右后轮轮速，并通过四个传感器的综合计算得出实时车速，并判断当前车速是否为0，若车速不为0，结束，若车速为零则执行步骤S3；

S3.通过系统故障传感器得出驱动系统工作状态，判断当前车辆驱动系统是否正常工作，若系统存在故障，则点亮系统故障提示灯并结束；若系统工作正常则进入转向辅助模式，执行步骤S4；

S4.通过方向盘转角传感器得出外车前轮转角θ，判断车辆当前的期望转向方向，制动分配系统根据车辆期望转向方向为沿车头方向向左或向右转向，对左前轮或右前轮施加制动力使左前轮或右前轮锁死后，执行步骤S5：

S5.通过踏板开度传感器得出车辆需求总扭矩T，按照前轴电机负责驱动未被锁死的前轮，后轴两独立电机分别负责驱动左右两个后轮的驱动模式，驱动系统控制前轴电机和后轴两独立电机施加相应扭矩后，执行步骤S6；

S6.驱动系统监测未被锁死的前轮与转向方向异侧后轮的轮速差和未被锁死的前轮与转向方向同侧后轮的轮速差，并判断两个轮速差的绝对值是否大于A，若存在轮速差绝对值大于A且轮速差大于0，则将前轴电机扭矩限制为M，后轴与转向方向异侧电机扭矩限制为M(1-cosθ)，若存在轮速差绝对值大于A且轮速差小于0，则将后轴与转向方向同侧的电机扭矩限制为M，重复上述过程直至两个轮速差绝对值均小于A；若两个轮速差绝对值均小于A则执行步骤S7；

S7.计算两后轮的轮速差，并判断轮速差的绝对值是否大于B，若轮速差绝对值大于B则将轮速较高车轮对应电机的扭矩请求下降至M，重复上述过程直至轮速差绝对值小于B；若轮速差绝对值小于B则执行步骤S8；

S8.计算未被锁死的前轮与两后轮的轮速和并判断轮速和是否大于MAP1查表得出的当前扭矩所对应的最大驱动轮速和，若轮速和大于查表得出的结果则将当前需求总扭矩下降为N，重复上述过程直至轮速和小于查表得出的结果；若轮速和小于查表得出的结果则结束。

步骤S4中所述制动分配系统根据车辆期望转向方向为沿车头方向向左或向右转向，对左前轮或右前轮施加制动力使左前轮或右前轮锁死，具体过程为：

当检测到向左的转向意图后，通过制动分配系统给左前轮施加大小为F_f的制动力，以达到锁死左前轮的目的；当检测到向右的转向意图后，通过制动分配系统给右前轮施加大小为F_f的制动力，以达到锁死右前轮的目的；

上述的F_f为标定值，标定标准为达到相应车轮锁死的情况下尽可能减小制动力，以保护制动系统硬件；F_f标定原则为在该转向辅助转向功能开启时允许的最大路面附着系数下，相应车轮施加大小为F_f的力，车轮可完全被锁死，与地面发生滑动摩擦而非滚动摩擦，且当路面附着系数进一步提升时，F_f不足以使轮胎继续保持锁死，从而发生滚动摩擦。

步骤S5中所述驱动系统控制前轴电机和后轴两独立电机施加相应扭矩：驱动系统控制前轴电机施加正向扭矩T/2，后轴与转向方向同向的独立电机施加反向扭矩T/2，后轴与转向方向异向的独立电机施加正向扭矩(1-cosθ)T/2。

步骤S6中所述A和M为标定值，根据车辆实际情况及道路情况进行标定：当前后轴车轮所处的路面附着系数存在差异时，会导致车辆前后轴未被锁死的车轮存在较大的轮速差，这可能导致车辆出现前移或后移，无法实现车辆近似的原地旋转，因此为了实现车辆近似的原地旋转设置了未被锁死的前后轮轮速差绝对值A，A的标定方法为车辆在辅助转向功能开启状态下所允许的最大轮速；若轮速差绝对值大于A，则扭矩下降至M，M的标定方法为车辆行驶在最低附路面上以扭矩M进行驱动时车轮不会出现打滑情况。

步骤S7中所述B为标定值，B的标定方法为车辆在辅助转向功能开启状态下所允许的最大轮速的1/2。

步骤S8中所述MAP1为可标定二轴MAP，二轴分别对应当前需求总扭矩及最大驱动轮轮速和；MAP1的标定方法为车辆以正常的行驶状态行驶在最低附路面上时激活转向辅助功能，记录激活转向辅助功能后的行驶过程中驱动轮轮速随驱动扭矩变化曲线即为MAP1；N的标定方法为车辆以正常的行驶状态行驶在最低附路面上以总扭矩N行驶时，四轮均不会出现打滑情况。

有益效果

本发明专利利用前轴单电机后轴双电机电动车辆可独立控制前轴及后左右两轮动力输出方向及输出扭矩的特点，转向时锁止内侧前轮，并对外侧前轮施加正向力矩，外侧后轮施加正向力矩，内侧后轮施加反向力矩，从而实现车辆近似围绕质心的原地旋转，将转弯半径缩短为交叉轴的1/2，从而进一步提高车辆的通过性能及越野脱困能力。

附图说明

图1为本发明前单后双电机纯电动全驱汽车转向辅助扭矩控制方法的流程图；

图2为本发明一种前单后双电机纯电动全驱汽车转向控制原理图；

图3为本发明实施例中车辆运动趋势图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图1-3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一种前单后双电机纯电动全驱汽车转向辅助扭矩控制方法，包括如下步骤：

S1.通过转向辅助模式开关判定是否有转向辅助模式开启请求，若无则结束，有则执行步骤S2；

S2.分别通过左前轮轮速传感器、右前轮轮速传感器、左后轮轮速传感器、右后轮轮速传感器得出左前轮轮速、右前轮轮速、左后轮轮速、右后轮轮速，并通过四个传感器的综合计算得出实时车速，并判断当前车速是否为0，若车速不为0，结束，若车速为零则执行步骤S3；

S3.通过系统故障传感器得出驱动系统工作状态，判断当前车辆驱动系统是否正常工作，若系统存在故障，则点亮系统故障提示灯并结束；若系统工作正常则进入转向辅助模式，执行步骤S4；

S4.通过方向盘转角传感器得出外车前轮转角θ，判断车辆当前的期望转向方向，制动分配系统根据车辆期望转向方向为沿车头方向向左或向右转向，对左前轮或右前轮施加制动力使左前轮或右前轮锁死后，执行步骤S5：

S5.通过踏板开度传感器得出车辆需求总扭矩T，按照前轴电机负责驱动未被锁死的前轮，后轴两独立电机分别负责驱动左右两个后轮的驱动模式，驱动系统控制前轴电机和后轴两独立电机施加相应扭矩后，执行步骤S6；

S6.驱动系统监测未被锁死的前轮与转向方向异侧后轮的轮速差和未被锁死的前轮与转向方向同侧后轮的轮速差，并判断两个轮速差的绝对值是否大于A，若存在轮速差绝对值大于A且轮速差大于0，则将前轴电机扭矩限制为M，后轴与转向方向异侧电机扭矩限制为M(1-cosθ)，若存在轮速差绝对值大于A且轮速差小于0，则将后轴与转向方向同侧的电机扭矩限制为M，重复上述过程直至两个轮速差绝对值均小于A；若两个轮速差绝对值均小于A则执行步骤S7；

S7.计算两后轮的轮速差，并判断轮速差的绝对值是否大于B，若轮速差绝对值大于B则将轮速较高车轮对应电机的扭矩请求下降至M，重复上述过程直至轮速差绝对值小于B；若轮速差绝对值小于B则执行步骤S8；

S8.计算未被锁死的前轮与两后轮的轮速和并判断轮速和是否大于MAP1查表得出的当前扭矩所对应的最大驱动轮速和，若轮速和大于查表得出的结果则将当前需求总扭矩下降为N，重复上述过程直至轮速和小于查表得出的结果；若轮速和小于查表得出的结果则结束。

步骤S4中所述制动分配系统根据车辆期望转向方向为沿车头方向向左或向右转向，对左前轮或右前轮施加制动力使左前轮或右前轮锁死，具体过程为：

当检测到向左的转向意图后，通过制动分配系统给左前轮施加大小为F_f的制动力，以达到锁死左前轮的目的；当检测到向右的转向意图后，通过制动分配系统给右前轮施加大小为F_f的制动力，以达到锁死右前轮的目的；

上述的F_f为标定值，标定标准为达到相应车轮锁死的情况下尽可能减小制动力，以保护制动系统硬件；F_f标定原则为在该转向辅助转向功能开启时允许的最大路面附着系数下，相应车轮施加大小为F_f的力，车轮可完全被锁死，与地面发生滑动摩擦而非滚动摩擦，且当路面附着系数进一步提升时，F_f不足以使轮胎继续保持锁死，从而发生滚动摩擦。

步骤S5中所述驱动系统控制前轴电机和后轴两独立电机施加相应扭矩：驱动系统控制前轴电机施加正向扭矩T/2，后轴与转向方向同向的独立电机施加反向扭矩T/2，后轴与转向方向异向的独立电机施加正向扭矩(1-cosθ)T/2。

步骤S6中所述A和M为标定值，根据车辆实际情况及道路情况进行标定：当前后轴车轮所处的路面附着系数存在差异时，会导致车辆前后轴未被锁死的车轮存在较大的轮速差，这可能导致车辆出现前移或后移，无法实现车辆近似的原地旋转，因此为了实现车辆近似的原地旋转设置了未被锁死的前后轮轮速差绝对值A，A的标定方法为车辆在辅助转向功能开启状态下所允许的最大轮速；若轮速差绝对值大于A，则扭矩下降至M，M的标定方法为车辆行驶在最低附路面上以扭矩M进行驱动时车轮不会出现打滑情况。

步骤S7中所述B为标定值，B的标定方法为车辆在辅助转向功能开启状态下所允许的最大轮速的1/2。

步骤S8中所述MAP1为可标定二轴MAP，二轴分别对应当前需求总扭矩及最大驱动轮轮速和；MAP1的标定方法为车辆以正常的行驶状态行驶在最低附路面上时激活转向辅助功能，记录激活转向辅助功能后的行驶过程中驱动轮轮速随驱动扭矩变化曲线即为MAP1；N的标定方法为车辆以正常的行驶状态行驶在最低附路面上以总扭矩N行驶时，四轮均不会出现打滑情况。

如图2所示为前单后双电机纯电动全驱汽车转向控制原理图，图为车头方向向上的车辆俯视图。其中FR、FL、RR、RL分别代表右前轮、左前轮、右后轮、左后轮。

以车辆期望转向方向为沿车头方向向右为例：左前轮与车辆左右轴向的夹角为θ，可由方向盘转角传感器经信号处理后得出，当前请求总扭矩T可由油门踏板开度传感器经由信号处理后得出。右前轮为锁止状态，前轴电机施加正向扭矩TFL＝T/2，由于右前轮被锁止，经由差速器的动力传导该扭矩完全作用于左前轮上，作用方向与左前轮径向相同，扭矩施加位置及方向在图2上体现。左后电机施加正向扭矩TRL＝(1-cosθ)T/2，右后电机施加反向扭矩TRR＝T/2，扭矩施加位置及方向在图2上体现。

经受力分析，作用在左前轮的驱动力大小为T/2r，作用在左后轮的驱动力大小为(1-cosθ)T/2r，作用在右后轮上的驱动力大小为T/2r，其中r为车轮等效半径。作用在左前轮的力可分解为沿车轴方向的横向力大小为Tsinθ/2r以及垂直于车轴方向的纵向力大小为Tcosθ/2r，其中分解后的纵向力与右后轮的驱动力之和与左后轮的驱动力只差为0，即三个力相互抵消。因此以整车为分析对象，车辆仅受到沿车头方向向左的横向力，大小为Tsinθ/2r。

由于左前轮、左后轮及右后轮离车辆质心均存在距离，因此施加驱动力时相对质心会产生力矩。其中左前轮产生力矩大小为T×LF/4rcosθ，方向为顺时针，LF为前轮轮距。左后轮产生的力矩大小为T×LR(1-cosθ)/4r，方向为顺时针，LR为后轮轮距。右后轮产生力矩大小为T×LR/4r方向为顺时针，LR为后轮轮距，三者方向相同。因此以整车为分析对象，车辆受到顺时针方向的转矩，大小为：

(T×LF)/4rcosθ+(T×LR(1-cosθ))/4r+(T×LR)/4r

综上所述，车辆共受到沿车头方向向左的横向力Tsinθ/2r，以及沿顺时针方向的力矩(T×LF)/4rcosθ+(T×LR(1-cosθ))/4r+(T×LR)/4。当力和力矩的大小大于被锁止车轮的摩擦力及摩擦力矩时车辆会发生移动。受到向左横向力的作用车辆会发生向左的横向平移，受到顺时针力矩的作用车辆会产生顺时针旋转，综合作用下，车辆运动趋势如图3所示。如若期望转向方向与上述方向相反，则上述所有控制过程以车辆左右中心线为轴进行轴对称，从而车辆可向相反方向发生平移及逆时针旋转。此控制方法可实现车辆实现等效于围绕车辆质心位置的旋转，从而大幅缩小转弯半径，提高越野通过性及脱困性能。

操作实例：车辆静止在满足该模式使用条件的低附路面上，驾驶员通过按键激活该驾驶辅助功能，此时分布在四个车轮的轮速传感器采集四轮轮速均为0，系统故障传感器采集车辆状态正常，满足进入专转向辅助模式的必要条件，随即进入转向辅助模式。方向盘转角传感器采集得出此时方向盘转角为-10°，证明此时驾驶员期望转向方向为逆时针转向，给左前轮施加大小为F_f制动力，左前轮随即被锁死。通过油门踏板开度传感器采集得出此时的需求总扭矩为100N·m，则控制前轴电机输出正向大小为50N·m(计算方法为T/2)的扭矩，右后轮电机输出正向大小为0.76N·m(计算方法为(1-cosθ)T/2)的扭矩。左后轮电机输出反向大小为50N·m的扭矩。输出扭矩的同时监测右前轮与右后轮轮速和与左后轮的轮速差绝对值是否大于A，若大于A则判断差值是否大于0，若差值大于0，则将前轴电机扭矩限制为M，右后轮电机扭矩限制为M(1-cosθ)，若轮速差小于0，则将左后轮电机扭矩限制为M。监测左右两后轮轮速差绝对值是否大于B，若大于B则将转速较高的车轮电机扭矩限制为M。监测三轮轮速和是否大于MAP1中所约定的值，若轮速和超出MAP1中的值则将总扭矩限制为N。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种前单后双电机纯电动全驱汽车转向辅助扭矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.通过转向辅助模式开关判定是否有转向辅助模式开启请求，若无则结束，有则执行步骤S2；

S2.分别通过左前轮轮速传感器、右前轮轮速传感器、左后轮轮速传感器、右后轮轮速传感器得出左前轮轮速、右前轮轮速、左后轮轮速、右后轮轮速，并通过四个传感器的综合计算得出实时车速，并判断当前车速是否为0，若车速不为0，结束，若车速为零则执行步骤S3；

S3.通过系统故障传感器得出驱动系统工作状态，判断当前车辆驱动系统是否正常工作，若系统存在故障，则点亮系统故障提示灯并结束；若系统工作正常则进入转向辅助模式，执行步骤S4；

S4.通过方向盘转角传感器得出外车前轮转角θ，判断车辆当前的期望转向方向，制动分配系统根据车辆期望转向方向为沿车头方向向左或向右转向，对左前轮或右前轮施加制动力使左前轮或右前轮锁死后，执行步骤S5：

S5.通过踏板开度传感器得出车辆需求总扭矩T，按照前轴电机负责驱动未被锁死的前轮，后轴两独立电机分别负责驱动左右两个后轮的驱动模式，驱动系统控制前轴电机和后轴两独立电机施加相应扭矩后，执行步骤S6；

S6.驱动系统监测未被锁死的前轮与转向方向异侧后轮的轮速差和未被锁死的前轮与转向方向同侧后轮的轮速差，并判断两个轮速差的绝对值是否大于A，若存在轮速差绝对值大于A且轮速差大于0，则将前轴电机扭矩限制为M，后轴与转向方向异侧电机扭矩限制为M(1-cosθ)，若存在轮速差绝对值大于A且轮速差小于0，则将后轴与转向方向同侧的电机扭矩限制为M，重复上述过程直至两个轮速差绝对值均小于A；若两个轮速差绝对值均小于A则执行步骤S7；

S7.计算两后轮的轮速差，并判断轮速差的绝对值是否大于B，若轮速差绝对值大于B则将轮速较高车轮对应电机的扭矩请求下降至M，重复上述过程直至轮速差绝对值小于B；若轮速差绝对值小于B则执行步骤S8；

S8.计算未被锁死的前轮与两后轮的轮速和并判断轮速和是否大于MAP1查表得出的当前扭矩所对应的最大驱动轮速和，若轮速和大于查表得出的结果则将当前需求总扭矩下降为N，重复上述过程直至轮速和小于查表得出的结果；若轮速和小于查表得出的结果则结束。

2.根据权利要求1所述的一种前单后双电机纯电动全驱汽车转向辅助扭矩控制方法，其特征在于，步骤S4中所述制动分配系统根据车辆期望转向方向为沿车头方向向左或向右转向，对左前轮或右前轮施加制动力使左前轮或右前轮锁死，具体过程为：

当检测到向左的转向意图后，通过制动分配系统给左前轮施加大小为F_f的制动力，以达到锁死左前轮的目的；当检测到向右的转向意图后，通过制动分配系统给右前轮施加大小为F_f的制动力，以达到锁死右前轮的目的；

上述的F_f为标定值，标定标准为达到相应车轮锁死的情况下尽可能减小制动力，以保护制动系统硬件；F_f标定原则为在该转向辅助转向功能开启时允许的最大路面附着系数下，相应车轮施加大小为F_f的力，车轮可完全被锁死，与地面发生滑动摩擦而非滚动摩擦，且当路面附着系数进一步提升时，F_f不足以使轮胎继续保持锁死，从而发生滚动摩擦。

3.根据权利要求1所述的一种前单后双电机纯电动全驱汽车转向辅助扭矩控制方法，其特征在于，步骤S5中所述驱动系统控制前轴电机和后轴两独立电机施加相应扭矩：驱动系统控制前轴电机施加正向扭矩T/2，后轴与转向方向同向的独立电机施加反向扭矩T/2，后轴与转向方向异向的独立电机施加正向扭矩（1-cosθ）T/2。

4.根据权利要求1所述的一种前单后双电机纯电动全驱汽车转向辅助扭矩控制方法，其特征在于，步骤S6中所述A和M为标定值，根据车辆实际情况及道路情况进行标定：当前后轴车轮所处的路面附着系数存在差异时，会导致车辆前后轴未被锁死的车轮存在较大的轮速差，这可能导致车辆出现前移或后移，无法实现车辆近似的原地旋转，因此为了实现车辆近似的原地旋转设置了未被锁死的前后轮轮速差绝对值A，A的标定方法为车辆在辅助转向功能开启状态下所允许的最大轮速；若轮速差绝对值大于A，则扭矩下降至M，M的标定方法为车辆行驶在最低附路面上以扭矩M进行驱动时车轮不会出现打滑情况。

5.根据权利要求1所述的一种前单后双电机纯电动全驱汽车转向辅助扭矩控制方法，其特征在于，步骤S7中所述B为标定值，B的标定方法为车辆在辅助转向功能开启状态下所允许的最大轮速的1/2。

6.根据权利要求1所述的一种前单后双电机纯电动全驱汽车转向辅助扭矩控制方法，其特征在于，步骤S8中所述MAP1为可标定二轴MAP，二轴分别对应当前需求总扭矩及最大驱动轮轮速和；MAP1的标定方法为车辆以正常的行驶状态行驶在最低附路面上时激活转向辅助功能，记录激活转向辅助功能后的行驶过程中驱动轮轮速随驱动扭矩变化曲线即为MAP1；N的标定方法为车辆以正常的行驶状态行驶在最低附路面上以总扭矩N行驶时，四轮均不会出现打滑情况。