新能源汽車電氣技術(shù)教學(xué)課件-新能源汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的認(rèn)知

新能源汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的認(rèn)知

車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SteeringSystem）是汽車的一個(gè)重要構(gòu)成部件，是保障汽車安全駕駛十分重要的安全裝置，其功能就是要求能夠按照駕駛員的意圖來控制汽車的行駛方向，它直接影響到汽車的整體操縱性和行駛穩(wěn)定性。隨著汽車各方面的技術(shù)不斷發(fā)展、完善、突破、創(chuàng)新，人們對(duì)汽車的需求已經(jīng)不僅僅局限于安全性和功能性，還比較關(guān)注它的舒適性和經(jīng)濟(jì)性等。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來控制車輛前進(jìn)方向的一套機(jī)構(gòu)，最初的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是純機(jī)械結(jié)構(gòu)，操作費(fèi)力、駕駛舒適性差。助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的出現(xiàn)很好的解決了這個(gè)難題，并逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)中必不可少的一部分。一、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

1.機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大致分為三部分：轉(zhuǎn)向操控機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)部分。轉(zhuǎn)向操控機(jī)構(gòu)是指駕駛員直接接觸的部分，負(fù)責(zé)把駕駛員的動(dòng)作和力傳遞到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)中；轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件，一方面將駕駛員輸入的力進(jìn)行放大，另一方面變換這個(gè)力的方向；轉(zhuǎn)向傳動(dòng)部分包括轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向輪之間的傳動(dòng)零部件，負(fù)責(zé)把轉(zhuǎn)向器輸出的力傳遞到轉(zhuǎn)向輪上，從而完成轉(zhuǎn)向輪的動(dòng)作。二、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程

2.傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

液壓助力是目前車輛使用最多的一種轉(zhuǎn)向助力方式，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示，它通過在純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中添加一套液壓系統(tǒng)（包括動(dòng)力缸、閥、液壓油罐、油泵和油管等）用以提供轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力，液壓系統(tǒng)根據(jù)液流的形式不同，又能夠分為常流式和常壓式。常壓式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車輛行駛過程中，不管轉(zhuǎn)向盤有沒有轉(zhuǎn)向力輸入，它的液壓系統(tǒng)始終保持高油壓；而常流式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車輛行駛過程中，轉(zhuǎn)向盤不動(dòng)的情況下，流量控制閥處于中間處，油路常通。二、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程

3.電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

由于傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會(huì)消耗相當(dāng)多的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，所以人們?cè)谒幕A(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，得到了能耗相對(duì)較低的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)如圖，主要包括動(dòng)力轉(zhuǎn)向電子控制系統(tǒng)（ECU）、電動(dòng)液壓油泵、液壓油罐、限壓閥、單向閥、轉(zhuǎn)向器、車速傳感器以及其他信號(hào)傳感器等。二、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程

4.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

現(xiàn)如今汽車微電子技術(shù)越來越成熟，因此，對(duì)車輛節(jié)能與環(huán)保方面的要求也越來越高，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所存在的能耗高、油液泄漏和污染等問題變得更加明顯，不能完全滿足時(shí)代發(fā)展的要求。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)綜合了最前沿的電子控制技術(shù)和最新的電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，它不僅能有效改善車輛的動(dòng)靜態(tài)性能，還可以顯著提高車輛的駕駛舒適性和安全性，降低對(duì)環(huán)境所造成的污染。所以，EPS系統(tǒng)剛剛提出，就得到了很多大型汽車企業(yè)的青睞，并在第一時(shí)間投入大量的人力、財(cái)力進(jìn)行相關(guān)研究，由此可見，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向必將成為助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的佼佼者。圖所示為速騰汽車EPS系統(tǒng)的組成。二、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程

5.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是EPS系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向，英文名稱SteeringByWire，故簡(jiǎn)稱SBW，其結(jié)構(gòu)如圖所示，主要包括電子控制單元（ECU）、轉(zhuǎn)向盤、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)向盤回正電機(jī)、助力電機(jī)、轉(zhuǎn)向器以及助力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，它省去了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。二、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程

由于汽車電子控制技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)汽車設(shè)計(jì)的要求以及對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性的要求也逐漸增高，特別是對(duì)車輛的環(huán)保和節(jié)能的要求越來越顯著。曾經(jīng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）存在的浪費(fèi)能源和污染環(huán)境的缺點(diǎn)己經(jīng)變得越發(fā)嚴(yán)重，不能夠滿足時(shí)代對(duì)汽車發(fā)展的需要。而電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）將最新的高性能的電機(jī)控制理論和電子技術(shù)應(yīng)用到汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，顯著的改善了車輛的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性，并更加有效的提高了行駛過程中駕駛員的轉(zhuǎn)向輕便性和駕駛安全性，于此同時(shí)也更加節(jié)能和環(huán)保。對(duì)于新能源汽車來說，采用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種必然的選擇，因?yàn)樗旧聿恍枰褂脙?nèi)燃機(jī)，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力的來源完全來自電機(jī)，所以新能源汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的選擇只能是EHPS或EPS，一般情況下，設(shè)計(jì)者都會(huì)選擇EPS。三、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

根據(jù)助力電機(jī)在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的安裝位置可分為三類：轉(zhuǎn)向柱助力型（ColumnEPS，C-EPS）；小齒輪助力型（PinionEPS，P-EPS）；齒條助力型（RackEPS，R-EPS）。其中，C-EPS與P-EPS、R-EPS相比，由于駕駛員和電機(jī)助力的轉(zhuǎn)矩同時(shí)通過轉(zhuǎn)向器的小齒輪齒條傳遞，考慮到齒的剛度和強(qiáng)度，助力轉(zhuǎn)矩值不能太大，多用于小型汽車；而P-EPS和R-EPS成本相對(duì)較高，多用于中高級(jí)車輛。

按照助力電機(jī)的安裝部位不同，EPS系統(tǒng)一般分為轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式和齒條助力式3種類型四、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分類

1.EPS系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

與其他轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)突出的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：1）更加節(jié)省能源和環(huán)保。因?yàn)镋PS沒有液壓器件，所以可算得上是標(biāo)準(zhǔn)的“按需供能型”系統(tǒng)，即在轉(zhuǎn)向的情況下系統(tǒng)才工作，而汽車停止時(shí)或者直線運(yùn)行時(shí)完全不消耗任何能量，這樣一來耗能就會(huì)相對(duì)較少。因此與液壓動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行比較，可以節(jié)約能源80%到90%。而在不轉(zhuǎn)向時(shí)，EPS燃油消耗會(huì)降低2.5%；在使用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，則會(huì)減少5.5%。另外又因?yàn)樵?40℃的低溫的狀況下，EPS也可以較好地工作，而傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)只有液壓油預(yù)熱后才可以工作，由于EPS沒有起動(dòng)時(shí)的預(yù)熱過程，所以節(jié)省了許多能量。EPS也不存在液態(tài)油的泄漏問題，從而也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，符合了環(huán)保的設(shè)計(jì)理念。

2）助力效果相對(duì)更好。EPS可根據(jù)汽車運(yùn)行的不同工況，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)助力特性曲線，獲得準(zhǔn)確的助力，助力效果十分理想。同時(shí)還可以通過控制阻尼系數(shù)減小因?yàn)槁访娴母蓴_對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，保障車輛低速行駛時(shí)的輕便性，提高汽車高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高汽車的轉(zhuǎn)向性能。五、EPS系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

3）質(zhì)量大大減輕。與液壓轉(zhuǎn)向比較，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，零件數(shù)目顯著減少，因而帶來質(zhì)量的輕便，于此同時(shí)使布置更加簡(jiǎn)單，而且降低了工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲污染。

4）安全性能更好。與HPS比較，EPS發(fā)生故障后，系統(tǒng)通過電磁離合器切斷電機(jī)與減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力連接，進(jìn)入機(jī)械轉(zhuǎn)向模式。另一方面由于EPS的助力由電機(jī)提供，所以與車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相互獨(dú)立，只要新能源汽車的DC/DC不出現(xiàn)問題，即使在汽車不啟動(dòng)或發(fā)生故障也能夠準(zhǔn)確的提供助力。5）開發(fā)和生產(chǎn)的周期短。雖然EPS的設(shè)計(jì)時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，但是設(shè)計(jì)完成以后，可以通過編輯相應(yīng)的設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)與各種不同車型之間的匹配，從而能夠減少針對(duì)各個(gè)車型的設(shè)計(jì)時(shí)間。

6）提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正性能。在某一車速下，當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤一個(gè)角度放手后，汽車具有使其自身回到直線方向行駛的特性，這是汽車固有屬性所決定的。但是EPS系統(tǒng)能夠?qū)卣^程進(jìn)行人工控制，在最大限度內(nèi)通過軟件修改設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到使車輛獲得最優(yōu)回正性的目的。在傳統(tǒng)的HPS中，汽車一旦設(shè)計(jì)完成，回正特性就無法改變，否則必須徹底改動(dòng)底盤的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)起來非常困難。

7）EPS效率一般比HPS高，使用車輛范圍也相對(duì)較廣，特別適用于新能源汽車。五、EPS系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.EPS系統(tǒng)的缺點(diǎn)：

1）由于車載電源的電壓一般比較低，故電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)所能提供的助力轉(zhuǎn)矩也不會(huì)太大，所以不適合用于大型車輛。

2）助力電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)等零部件的摩擦和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)對(duì)EPS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向特性產(chǎn)生一定的影響，因此動(dòng)力匹配比較困難。五、EPS系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器（EPS）是一種機(jī)電一體化的新一代車輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它由扭矩傳感器、電機(jī)總成、轉(zhuǎn)向器和控制器（VCU）組成。汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器是根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力（即扭矩傳感器）、車速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等控制信號(hào)，確定轉(zhuǎn)向助力的大小和方向，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)輔助轉(zhuǎn)向操作。六、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向器選擇齒輪齒條式，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩通過扭矩傳感器來測(cè)得。當(dāng)沒有轉(zhuǎn)向動(dòng)作時(shí)，助力電機(jī)不工作；當(dāng)駕駛員有轉(zhuǎn)向操作時(shí)，扭矩傳感器發(fā)出一個(gè)電壓信號(hào)，電子控制單元（ECU）根據(jù)電壓信號(hào)值推算得到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的大小及方向，同時(shí)，車速傳感器將檢測(cè)到的當(dāng)前車速傳遞到電子控制單元（ECU），電子控制單元（ECU）先根據(jù)車速選擇與之對(duì)應(yīng)的助力特性曲線，再根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩進(jìn)行運(yùn)算處理，得到目標(biāo)助力轉(zhuǎn)矩的大小以及方向，再經(jīng)過一系列計(jì)算確定助力電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和驅(qū)動(dòng)電流的大小，助力電機(jī)根據(jù)得到的驅(qū)動(dòng)電流提供相應(yīng)的助力轉(zhuǎn)矩，減速增扭后作用到轉(zhuǎn)向軸上，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供與工況相適應(yīng)的助力。七、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）工作原理

EPS是一個(gè)非線性、多輸入多輸出的控制系統(tǒng)，因此，控制策略的設(shè)計(jì)是EPS的核心技術(shù)之一。EPS控制策略的基本功能是在不同行駛工況下的轉(zhuǎn)向過程中提供最佳轉(zhuǎn)向助力，從而減輕駕駛員的操作疲勞。根據(jù)不同的控制目標(biāo)，控制策略可分為：基本助力控制，設(shè)計(jì)合理助力曲線，兼顧低速的轉(zhuǎn)向輕便性和高速的穩(wěn)定性；回正控制，使轉(zhuǎn)向盤具有較好的回正特性，避免回正不足或回正超調(diào)；補(bǔ)償控制，EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中除了機(jī)械部件的摩擦和阻尼因素，還有電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)的慣量因素，因此，需要采用合適的補(bǔ)償控制，減小慣量、摩擦、阻尼因素的影響，提高車輛的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能；抑振控制，當(dāng)在不平路面行駛時(shí)，由輪胎傳遞過來的擾動(dòng)會(huì)造成轉(zhuǎn)向盤的振動(dòng)，使駕駛員感到不適，喪失路感；魯棒控制，抑制系統(tǒng)內(nèi)部的各種擾動(dòng)；其他控制，隨著汽車安全性和舒適性要求的提高，EPS的控制策略正朝著智能化的方向發(fā)展，包括：個(gè)性化助力特性、自動(dòng)泊車功能、車道保持功能等等。八、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的助力策略

該車采用REPS轉(zhuǎn)向器總成內(nèi)部集成控制器、助力電機(jī)、轉(zhuǎn)角扭矩傳感器與機(jī)械轉(zhuǎn)向器；采集轉(zhuǎn)角扭矩信號(hào)、車速信號(hào)控制助力大小。系統(tǒng)具有：助力控制功能、主動(dòng)回正功能、阻尼控制功能。九、比亞迪E5電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，扭矩及轉(zhuǎn)角傳感器把檢測(cè)到的扭矩及角度信號(hào)的大小、方向經(jīng)處理后傳給REPS電子控制單元，REPS電子控制單元同時(shí)接收車速信號(hào)，根據(jù)車速信號(hào)、轉(zhuǎn)角和扭矩信號(hào)決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和助力扭矩的大