燃料电池汽车电动液压助力转向系统设计研究

A版燃料电池汽车电动液压助力转向系统设计研究术谢泽金冷宏祥赖序年梁伟铭蔡恩凌天钧上海汽车集团股份有限公司新能源汽车事业部，上海201804【摘要】电动液压助力转向系统的设计研究在燃料电池汽车整车开发中有着非常重要的意义。文章介绍了燃料电池汽车电动液压助力转向系统设计及不同的系统控制设计方案，并进行对比分析，得出了较优的燃料电池汽车转向系统设计方案。研究结果对燃料电池汽车电动液压助力转向系统的开发设计具有重要的参考价值。【ABSTRACT】THERESEARCHANDDEVELOPMENTOFELECTRICHYDRAULICPOWERSTEERINGEHPSISVERYIMPORTANTFORTHEFUELCELLVEHICLETHEDESIGNANDDIFFERENTCONTROLSYSTEMSOFEHPSAREINTRODUCEDTHROUGHCOMPAREDWITHEACHOTHER，THEOPTIMALSTEERINGSYSTEMISUSEDFORTHEFUELCELLVEHICLETHERESULTISIMPORTANTFORTHEDEVELOPMENTANDDESIGNOFEHPSOFTHEFUELCELLVEHICLE【关键词】燃料电池汽车助力转向系统电动液压DOI103969JISSN10074554201202010引言环境污染和能源危机问题已成为全球关注的焦点。治理汽车尾气排放，改善人类生存环境，发展“清洁汽车”，遏止大气状况恶化已成为汽车行业需要解决的首要难题。燃料电池汽车FCV是一种用清洁能源氢气作为新能源的新技术汽车，具有节能、零排放、无污染、效率高、噪声低等优点，因而有可能成为解决能源和环保问题的关键技术。现在美国、日本及西欧等许多国家都投人了巨大的人力和资金来发展燃料电池汽车，我国也把燃料电池汽车列入国家“863”计划重点科技攻关项目，并已取得了重大成果。近年来，随着新能源汽车的蓬勃发展，传统车上普遍应用的液压动力转向系统HPS由于体积大、结构复杂、效率低等缺点已经不能适应新能源汽车的发展要求，开发新的助力转向系统已成为未来普遍共识。目前，国内外正在研制的电子控制助力转向系统主要有两大类，即电动液压助力转向系统EHPS，包括电磁阀控制式和电动泵控制式和电动助力转向系统EPS。对于后者，国内各大高校、科研机构和企业正在进行研究开发，但在一些关键技术和零部件方面未有突破性进展，目前国内很少有成熟技术的EPS产品投向市场，还需要大力研究。尽管EPS是动力转向技术未来的发展趋势，但没有充分利用现有液压动力转向技术，会丧失习惯的液力感觉和转向路感。EHPS系统作为中间产品起着承前启后的作用，可以充分利用现有成熟的液压动力转向和控制技术，不仅能提高转向助力系统的工作性能、降低系统的能耗，而且可以提供较大的转向助力，滞后时间收稿日期201112一O1基金项目国家高科技发展计划863计划重大专项资助项目2009AA11A123。上海汽车201202短，可吸收来自路面的冲击，大大降低开发成本和缩短开发周期，满足新能源汽车的开发要求。本文的主要研究目的是针对目前燃料电池汽车开发状况，介绍如何充分利用成熟HPS技术开发应用电动液压助力转向系统。针对某款燃料电池汽车EHPS系统设计，提出不同的系统控制设计方案，并进行比较，得出一种较优的设计方案，为燃料电池汽车转向系统开发设计提供范例。1燃料电池汽车EHPS系统11EHPS系统介绍电动液压助力转向系统一般由机械装置和电气装置两部分组成，图1是EHPS系统结构简图。机械装置主要包括转向操纵机构、转向器、转向传动机构、转向储液罐、电动泵及管路，电气装置由车速传感器、转角传感器、线束及接插件、通讯网关等组成。图1EHPS系统结构简图EHPS系统的工作原理如图2所示。汽车直线行驶时，转向盘不转动，液压泵以很低的速度运转，大部分工作油经过转向阀流回储液罐，少部分经液控阀直接流回储液罐；当驾驶员开始转动转向盘时，集成于液压泵的电子控制单元ECU根据检测到的转角、车速以及电机的反馈信号等判断汽车的转向状态，向驱动单元发出控制指令，使电机产生相应的转速以驱动液压泵，进而输出相应流量和压力的高压油瞬时流量从ECU中储存的上海汽车201202流量通用特性场中读取，如图3所示。压力油经转向阀进入齿条上的动力缸，推动活塞以产生适当的助力，协助驾驶员进行转向操纵，从而获得理想的转向效果。因为助力特性曲线可以通过ECU的软件来调节，所以该系统可以适合多种车型。丁籁鎏图2EHPS系统原理图一行驶速度图3体积流量的通用特性场EHPS系统有如下特点1可以充分利用传统液压动力转向系统技术，核心部件电动泵集成了电动机、油泵和电子控制单元，结构紧凑，具有良好的模块化设计，质量轻，系统布置不需要大更改；2节能，高速时最多能节约85的能源相对于传统的由发动机驱动泵的系统，实际行驶过程中能节约燃油02L100KM；3根据车型的不同和转向工况的不同，提供不同的助力，有舒适的转向路感，提高车辆行驶稳定性。12燃料电池汽车EHPS系统设计燃料电池汽车由于取消内燃发动机，采用燃料电池动力系统，原来靠发动机带动提供转向助力的动力转向泵失去动力源，在充分利用传统成熟HPS系统的基础上，需增加能独立提供液压动5力的电动泵，重新设计开发部分零部件及控制系统，满足整车开发设计要求，图4为燃料电池汽车EHPS设计流程图。根据燃料电池汽车整车参数，按EHPS系统设计流程进行系统匹配计算和设计，确定转向操纵机构、转向器及传动机构沿用燃料电池汽车原型车平台，转向器阀特性曲线根据系统匹配要求重新调整，选择成熟电动泵供应商产品，电动泵、转向储液罐和转向管路根据整车布置变化重新布置设计，图5为某款燃料电池汽车EHPS系统布置图。转向管路及控制系统匹配设计开发，系统调试及标定，实现电动液压助力转向系统集成设计。整车参数输入L电动泵、转向操纵和传动机构选型及开发EHPS系统布置设计L样件制作及试验LI。装车及调试L系统试验及道路试验L图4燃料电池汽车EHPS系统设计流程图图5某款燃料电池汽车EIIPS系统布置图13燃料电池汽车EIIPS系统关键零部件燃料电池汽车EHPS系统的转向操纵机构、转向器及传动机构、转向储液罐一般都可沿用原液6压动力转向系统部件，其匹配开发的关键零部件主要为电动泵、转向管路和通讯网关。这样可以大大降低开发成本，缩短开发周期，控制技术开发风险。131电动泵电动泵是电动液压助力转向系统的核心零部件，它的功能是在汽车运行的各种工况中，电子控制单元ECU根据检测到的转角、车速等信号来判断汽车的转向状态，向驱动单元发出控制指令，使电动机产生相应的转速以驱动泵，进而输出相应流量和压力，产生转向所需的助力。在ECU中，还有安全保护措施和故障诊断功能。当电动机电流过大或温度过高时，系统将会限制或者切断电动机的电流，避免故障的发生；当系统发生故障如蓄电池电压过低、转角传感器失效等时，系统仍然可以依靠机械转向系统进行转向操纵，同时显示并存储其故障代码。电动泵主要由齿轮泵或叶片泵，ECU，低惯量、高功率的直流电机和油罐集成在一起，图6为电动泵结构。集成的电动泵结构紧凑，质量变得更轻，安装的柔性也大大增强。图6电动泵结构简图132转向管路转向管路是转向液在转向器、转向储液罐和电动泵之间传输的管道，主要由高压油管、吸油管和低压油管组成。其主要作用为传输由来自电动泵的转向液，保证液体的流通，并防止其泄露和被腐蚀，保证转向系统在整车各种工况下的正常运行。转向管路的布置走向和固定要根据整车布置设计，管路中的硬管和橡胶软管的长度匹配设计上海汽车201202要合理，否则会影响EHPS系统的助力响应性能和噪声。133通讯网关通讯网关EGT是实现电动泵与整车控制信息交互功能的关键部件。它主要包括将发动机转速、车速和转向盘转角信号发送给EHPS电动泵，在燃料电池汽车中会根据燃料电池动力系统工作状态产生虚拟发动机转速，同时将EHPS的工作状态、故障信息反馈给整车平台，保证EHPS系统安全、稳定和可靠的运行。2燃料电池汽车EHPS系统控制设计燃料电池汽车EHPS系统工作模式为当钥匙处于IGN档，唤醒EHPS，开始通讯；当燃料电池动力系统FCPS启动成功，则EHPS电动泵运转，为转向机提供助力，正常工作。本节介绍某款燃料电池汽车EHPS系统3种控制设计方案，并进行对比分析，得出了最优的燃料电池汽车电动液压助力转向系统控制方案。21EHPS系统控制方案1方案1如图7所示，该方案需要通讯网关实现将转角传感器提供的250KHZ转角信号转换成500KHZ的转角信号传输至整车CANBUS。车辆管理系统提供的燃料电池动力系统工作状态和防抱死制动系统提供的车速信息也传输至整车CANBUS，EHPS电动泵接收整车CANBUS上的信息实现信息互换。该方案CAN网络负载较高，将达到30。22EHPS系统控制方案2方案2如图8所示，该方案需要两个通讯网关。一个通讯网关将转角传感器提供的250KHZ转角信号转换成500KHZ的转角信号传输至整车CANBUS。车辆管理系统提供的燃料电池动力系统工作状态和防抱死制动系统提供的车速信息也传输至整车CANBUS，通过另一通讯网关实现EHPS电动泵与整车CANBUS的信息互换。该方案可适当降低CAN网络负载，约为25。23ELIPS系统控制方案3方案3如图9所示，该方案EHPS通讯网关功上海汽车201202图7EHPS控制架构方案1一一EHPSIEGTEHPSI4攀EGT髓SASLLFIL转角L0L麟U一车辆管理系统VMS500KNZLILL一一燃料电池动力车速系统工作状态防抱死制动系统AAS图8EHPS控制架构方案2能集成于高性能网关，将转角传感器的转角信号、防抱死制动系统的车速信号和车辆管理系统发送的燃料电池动力系统工作状态信息转发给EHPS电动泵，实现EHPS电动泵与整车CANBUS的信息互换。该方案的CAN网络负载最低，约为15。图9EHPS控制架构方案324EHPS系统控制方案比较燃料电池汽车电动液压助力转向系统在设计，7开发过程中不仅系统性能要满足整车开发要求，而且要尽量降低开发成本和缩短开发周期。各控制方案对整车CANBUS网络负载不一样，网络负载不仅影响系统信号通讯，制约系统响应性能，而且会对整车通讯控制和传输造成影响。因此系统控制设计要尽量降低CAN网络负载，提高可靠性。表1为各控制方案根据CANBUS网络负载、开发成本和周期的分析与比较，由于方案3EHPS通讯网关功能是集成于高性能网关，对整车CANBUS网络负载最低，仅为15。开发周期可以与HGT开发同步，成本最低。通过综合分析，方案3是燃料电池汽车电动液压助力转向系统最优化的控制设计方案。某款燃料电池汽车电动液压助力转向系统已采用该控制方案，并已通过各种系统和道路试验，成功应用于燃料电池汽车的示范运行。表1EHPS系统控制方案对比分析内容方案1方案2方案3CANBUS网络负载302515开发成本较低大最低开发周期较短长最短3结论本文对燃料电池汽车电动液压助力转向系统设计进行了介绍，并对系统各种控制设计方案进行分析与比较，可以得出以下结论1电动液压助力转向系统可以充分利用传统的液压动力转向系统技术，沿用较多成熟的液压转向系统零部件，不仅可以实现节能，提高转向性能，而且可以大大降低开发成本、缩短开发周期，控制技术开发风险，是目前燃料电池汽车研发过程应用最广泛的转向系统。2文中较全面地介绍了燃料电池汽车电动液压助力转向系统设计及各种控制方案，并对影响系统和整车性能的CANBUS网络负载、开发成本和周期进行了分析与比较，得出了最优的系统8控制架构方案，为燃料电池汽车电动液压助力转向系统控制设计方案提供了一定的参考依据。3文中介绍的设计方案已应用于某款示范运行开发的燃料电池汽车中，转向各项性能满足整车开发要求，对燃料电池汽车技术研发具有非常重要的意义。4EHPS技术是传统转向技术向未来动力转向技术发展的过渡技术，具有节能和改善操纵性能的双重优点，技术较成熟，特别适合轴荷重、助力性能要求高的新能源汽车，在一定时期内还有很大发展，它将向控制算法更完善、动态性能更高、低噪声、小型化方向发展。参考文献1陈全世，仇斌，谢起成等燃料电池电动汽车M北京清华大学出版社，20052苗立东，何仁，徐建平等汽车电动转向技术发展