燃料电池汽车转向系统综述

A版燃料电池汽车转向系统综述谢泽金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】介绍燃料电池汽车转向系统的要求与特点，综述现有适合燃料电池汽车的电动液压助力转向系统、电动助力转向系统技术及未来线控转向系统技术，分析各自的特点，并阐述了燃料电池汽车转向系统的应用与发展趋势。【ABSTRACT】THEREQUIREMENTSANDCHARACTERISTICSOFSTEERINGSYSTEMFORFUELCELLVEHICLEAREINTRODUCEDTHECHARACTERISTICOFTHEELECTRICHYDRAULICPOWERSTEERING，ELECTRICPOWERSTEERINGANDSTEERINGBYWIREINFUELCELLVEHICLEARESUMMARIZED，ANDTHEAPPLICATIONANDDEVELOPMENTOFSTEERINGSYSTEMFORFUELCELLVEHICLEISEXPATIATEDITPROVIDESREFERENCEFORTHEDEVELOPMENTANDDESIGNOFPOWERSTEERINGSYSTEMFORFUELCELLVEHICLE【关键词】燃料电池汽车转向系统DOI103969JISSN10074554201106O10引言燃料电池汽车FCV是一种用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入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，并己取得了重大成果。近年来，随着新能源汽车技术迅速发展，转向系统也提出了更高的要求，除了具有操纵方便、高效节能、高可靠性等特点外，还要求能够在各种路况下，根据不同的行驶速度提供最佳路感，提高汽车操控性能。传统车上普遍应用的液压助力转向系统HPS由于能耗大、结构复杂、效率低和路感差等缺点已经无法适应燃料电池汽车的发展要求，开发和应用先进的助力转向系统已成为普遍收稿日期201104144共识。1燃料电池汽车转向系统要求与特点燃料电池汽车由于取消内燃发动机，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，传统HPS己无法适应燃料电池汽车特点，需要采用能独立提供转向动力源的助力转向系统。除此之外，燃料电池汽车转向系统还应具有节能环保、安全可靠、操纵性和智能化程度高等特点。目前国内外能满足燃料电池汽车特点的助力转向系统主要有两大类，即电动液压助力转向系统EHPS和电动助力转向系统EPS，未来还将向线控转向系统SBW发展。2电动液压助力转向系统电动液压助力转向系统EHPS是在传统上海汽车201106HPS的基础上采用直流电机代替发动机驱动油泵，电动机由蓄电池供电，控制器根据车速信号、方向盘转速信号或转矩信号等控制电动机转速，从而控制油泵的流量，来改变转向系统工作油压力，实现助力转向功能。21EITPS系统组成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。电动液压助力转向系统根据控制方式不同分为电磁阀控制式和电动泵控制式液压助力转向系统动力堕盟动力转向传动装置J储液罐限压阀车速信号发动机转速信号齿轮泵图1EHPS系统结构简图22EITPS系统工作原理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，从而获得上海汽车201106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。1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23EHPS系统特点EHPS系统主要具有如下优点一是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；是节能，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；三是低速时转向效果不变，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增加路感，提高车辆行驶稳定性；四是具有失效保护系统，电子元件失灵后仍可依靠原转向系统安全工作；五是根据车型的不同和转向工况的不同，提供不同的助力，可快速与车型匹配。24燃料电池汽车EHPS系统应用与发展过去几年国内外开发的燃料电池汽车重在研发燃料电池动力系统技术，多数都是在现有成熟车型平台上开发，这样可以沿用很多原车部件，降5低研发成本，加快开发周期。燃料电池汽车电动液压助力转向系统可以在充分利用传统成熟HPS系统的基础上，沿用原车转向操纵机构、转向器及传动机构、转向储液罐等部件，只需匹配开发电动泵、转向管路和通讯网关等关键部件即可实现转向系统应用开发。这样可以大大降低系统开发成本，缩短开发周期，控制技术开发风险。国内己成功开发的多款燃料电池轿车都应用了此方案，并己投入示范运行阶段，转向性能都能满足整车开发要求。EHPS系统因为液压装置的存在，使得该系统仍有难以克服的环保缺点，如还存在渗油问题，不便于安装维修及检测等。由于EHPS技术较为成熟，可以实现底盘和整车电控系统一体化，促进汽车智能控制技术的发展，是传统转向技术向未来动力转向技术发展的过渡技术。它具有节能和改善操纵性能的双重优点，特别适合轴荷重、助力性能要求高的燃料电池汽车，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。3电动助力转向系统电动助力转向系统EPS是在机械转向系统的基础上，根据作用在方向盘上的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶员进行转向操纵，获得最佳转向特性的伺服系统。31EPS系统组成EPS系统主要由转向操纵机构、转向器、转向传动机构、车速传感器、转矩传感器、转向角传感器、电子控制器ECU、电动机及减速机构等组成，如图4。电动助力转向系统根据电动机和减速机构位置不同分为图5轴助力式EPSCEPS，电机和减速装置在转向传动轴上，齿轮助力式EPSPEPS，电机和减速装置装在输入小齿轮上，齿条助力式EPSREPS，电机和减速装置套在齿条外侧。32EPS系统工作原理6絷转向轴助力式齿轮助力式齿条助力式图5EPS系统类型EPS系统基本工作原理如图6所示。根据汽车行驶速度车速传感器输出信号、转矩及转向角等信号输入电子控制器ECU判断汽车的转向状态，由ECU控制电动机及减速机构产生助力转矩，使汽车行驶在低、中车速下都能获得最佳的转向，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增加路感，提高车辆行驶稳定性。电动机底座装在转向器壳体上，电动机的输出转矩由蜗轮一蜗杆减速机构增大，并通过转向器的小齿轮把输出转矩送至齿条，便向转向轮提供助推转矩。图6EPS系统原理图转矩传感器、转向角传感器和汽车速度传感器为转向助力的信号源。ECU根据各传感器的输入信号确定助力转矩的幅值和方向，并且直接控上海汽车201106制驱动电路去驱动电动机。EPS系统还设有安全保护装置，由一个在主电源电路中能切断电动机电源的继电器和一个安装在电动机与减速机构之间能把它们断开的电磁离合器组成。只要系统发生故障，安全保护装置就会开始工作，确保安全。33EPS系统特点EPS系统主要具有如下优点1根据各种行驶工况产生适合各种车速的动力转向，不受发动机停止运转的情况，产生最佳助力特性，转向轻便，路感好；2EPS没有液压装置，不存在渗油问题，可大大降低保修成本，减少对环境的污染。3EPS结构紧凑，零部件少，重量轻，比HPS和EHPS更易调整和检测，装配自动化程度更高，便于模块化安装；4EPS只在转向时由电动机提供助力，不消耗发动机能量，因而能减少能量消耗，相比传统HPS系统可节能35；5EPS助力特性通过软件设置和修改，可以快速与车型匹配；6它比液压动力转向系统更轻便、紧凑、可靠，对控制计算机编程，可提供不同程度的动力转向，能与汽车上其它电气设备相连接，有助于四轮转向的实现，促进底盘和整车控制技术一体化的发展。34燃料电池汽车EPS系统应用与发展国内外燃料电池汽车技术经过近几年的快速发展，燃料电池动力系统技术己取得很大突破，燃料电池汽车也正朝着商业化运行和小批量生产方向发展，因此燃料电池汽车转向系统要满足未来燃料电池汽车产业化要求。电动助力转向系统在节能环保、操纵性和安全性等方面充分显示了其优越性，适合燃料电池汽车转向系统的要求与特点。虽然该系统无法充分利用传统HPS系统，开发周期较长，成本较高，但为适应燃料电池汽车技术的发展，满足未来产业化要求，电动助力转向系统开发与应用将越来越广泛，国内外正在开发的燃料电池汽车都采用了该系统。未来EPS系统的发展趋势是进一步改善控制性能，适应燃料电池汽车特点，提供最佳助力性能，并进一步简化系统，减小控制单元和驱动单元体积，控制生产成本。其控制单元与底盘及整车控制相联系，以实现控制系统的一体化，促进燃料上海汽车201106电池汽车智能控制技术的发展。4线控转向系统线控转向系统SBW也称为柔性转向系统，是指取消转向盘与转向轮之间的机械连接，采用两个电机，一个与前轮的转向机构相连接，作为转向执行机构。另一个直接与转向柱相连接，为驾驶员提供反力矩。方向盘和转向执行机构没有机械结构连接，是断开的，通过CAN总线传输必要的信息，完全由电能实现转向。41SBW系统组成线控转向系统由方向盘总成、转向执行总成和主控制器ECU3个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成如图7。基本控制器厂回正力矩马达图7线控转向系统结构示意图目前线控转向系统根据不同的故障保护行为，可以分为备用机械型SBW系统与容错型SBW系统如图8。备用机械型系统SBW容错型系统SBW图8SBW系统类型42SBW系统工作原理线控转向系统工作原理如图9所示。当方向盘转动时，方向盘转角传感器将测量到的驾驶员7转向意图转变成数字信号输入到转向控制器ECU，ECU对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向转向电机和方向盘力矩电机发送命令，控制转向电机转到要求的前轮转角，完成驾驶员的转向意图，实现车轮的转向，同时控制力矩电机旋转，产生方向盘回正力矩，给驾驶员提供相应的路感信息。图9SBW系统工作原理43SBW系统特点线控转向系统主要具有如下优点一是提高了驾驶员的安全性，由于减少了转向柱等机械机构，使得驾驶员周围空间变大，正面碰撞时大大降低对驾驶员的伤害。另外使得安全气囊与驾驶员间的距离加大，使得安全气囊可以张得更大，以增强对驾驶员的保护。二是提高了汽车的操纵性，由于可以实现传动比的任意设置，并针对不同的车速，转向状况进行参数补偿，从而提高汽车的操纵性。三是提高汽车的全面智能化，线控转向系统可以和其他设备如ABS、防碰撞、自动导航、自动驾驶等系统结合起来，最终实现汽车的全面智能化。四是改善驾驶员的路感，在SBW中路感由模拟生成，使得在回正力矩控制方面可以从信号中提出最能够反应汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为方向盘回正力矩的控制变量，使方向盘仅仅向驾驶员提供有用的信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。44燃料电池汽车SBW系统应用与发展线控转向系统在EPS系统的基础上，将动力转向技术的发展又推进了一步，它将为实现汽车智能化驾驶提供技术支持。由于燃料电池汽车技术还处于研发阶段，技术还未成熟，尽管SBW系8统有许多优点，但还存在着可靠性的问题，因此SBW系统目前只在某些燃料电池概念样车上应用。目前欧洲汽车法规还要求驾驶员与转向车轮之间必须有机械连接，而线控转向系统作为一个还不成熟的技术目前还不能有足够的证据证明其可靠性，其次，线控转向系统还需要在可靠性与成本之间做出较好的平衡，因此燃料电池汽车目前还无法应用。但线控转向可以与汽车其它电气系统通过CAN总线连接到中央控制器上，由中央控制器统一协调控制汽车的运动，从而实现汽车电气的一体化和智能化，该转向技术将会得到进一步的研究与开发，它将是燃料电池汽车转向系统未来技术的一个发展方向。5结语随着对节能环保要求的提高，以及为了满足人们对于操纵稳定性能和驾驶舒适性能日益增长的要求，电动液压助力转向系统和电动助力转向系统技术必然广泛应用于燃料电池汽车转向系统。电动助力转向系统技术由于其技术先进，性能优越，未来必然取代其它动力转向技术，成为动力转向技术的主流。线控动力转向系统将是动力转向系统的发展方向，是未来