第6章 电动汽车辅助系统.ppt

1、电动汽车技术与原理 第 1 页,第6章 电动汽车辅助系统,6. 1电控助力转向系统 6. 2线控制动系统 6. 3电控悬架系统 6. 4电动空调系统,电动汽车技术与原理 第 2 页,6. 1. 1概述 6. 1. 2 EPS系统的基本组成 6. 1. 3 EPS系统的工作原理 6. 1. 4 电子控制器ECU及其控制策略 6. 1. 5 EPS系统的优点,6. 1电控助力转向系统,电动汽车技术与原理 第 3 页,就轮式汽车，改变行驶方向的方法 驾驶员通过专设机构，使汽车转向桥上车轮相对汽车纵轴线偏转一定角度。 路面作用于转向轮向后的反作用力就产生了垂直于车轮的分量，成为汽车转弯运动的向心力。

2、汽车直线行驶，转向轮也会受到路面侧向干扰力作用，产生自动偏转而干扰行驶方向。此时驾驶员也可以利用这一套机构使转向轮向相反的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。 改变或恢复汽车行驶方向的专设机构-汽车转向系统。,6. 1. 1 概述,机械转向系结构,转向盘,转向轴,转向万向节,转向器,转向摇臂,转向直拉杆,转向节臂,转向节,梯形臂,横拉杆,转向梯形,机械式转向系工作过程,两转向轮内转角与外转角之差-称为前展。 为了产生前展，将转向机构设计成梯形。,转向系相关术语,转向中心与转弯半径,（1）转向中心：汽车转向时，所有车轮轴线都应交于一点，此交点o称为转向中心。 （2）转弯半径：由转向中心o到外

3、转向轮与地面接触点距离R称为汽车的转弯半径。,转向梯形与前展,Cot=cot+B/L,转向系角传动比,.转向器角传动比iw1 ：,转向盘转角增量与转向摇臂转角的相应增量之比。,转向摇臂转角增量与转向盘所在一侧的转向节的转角相应增量之比。,.转向传动机构传动比iw2 ：,.转向系角传动比i ：,转向系角传动比越大，转向越轻便; 传动比过大，将导致转向操纵不够灵敏。,i=iw1 iw2,转向盘自由行程,转向盘在空转阶段中的角行程。,自由行程过大，转向不灵敏。 自由行程过小，路面冲击大，驾驶员过度紧张。,电动汽车技术与原理 第 8 页,汽车转向系统发展要求 （1）良好的操纵性；操纵轻便灵活 （2）较

4、高的转向灵敏度；响应的快慢程度 （3）转向车轮的运动规律正确稳定；车轮滚动无滑动 （4）具有良好的稳定操控性；自动回正，直线行驶稳定性 （5）安全可靠性；减轻或避免对驾驶员的伤害 （6）较小的转弯半径。 转向性能,6. 1. 1 概述,电动汽车技术与原理 第 9 页,机械转向不足： 无法同时满足转向轻便和转向灵敏 动力转向优点： 可使转向即轻便又灵敏，且有缓冲减震作用 动力转向分类：,6. 1. 1 概述,电动汽车技术与原理 第 10 页,电子控制电动助力转向系统 （Electric Power Steering，EPS） 未来转向系统的发展方向； 适于在电动汽车中应用的转向系统； 随着微机及

5、电动机控制技术的发展而成熟。 EPS系统组成 传感器（车速传感器、转矩传感器、转向角传感器） 电子控制器ECU 执行机构（电动机、电磁离合器、齿轮减速及其传动件）,6. 1. 2 EPS系统的基本组成,电动汽车技术与原理 第 11 页,输入信号,方向盘转角,方向盘转动速度,车速,转向力矩,电机转动速度,主动回正功能,助力力矩,控制单元,EPS系统的功能,转向助力功能,直线行驶功能,6. 1. 2 EPS系统的基本组成,电子控制电动助力转向系统的基本组成,电动汽车技术与原理 第 13 页,用磁性材料构成的定子和转子可以形成闭合的回来，线圈A、B、C、D分别绕在极靴上，构成一个桥式回路。 转向轴扭

6、转变形的扭转角和转矩成正比，所以只要测定转向轴的扭转角，就可间接知道转向力的大小。,转向力矩传感器,电动助力转向系统类型,电动助力转向系统利用电动机作为动力源，根据车速和转向参数，由电子控制单元完成助力控制。 根据电动机布置位置不同，分为三种类型,转向柱助力式EPS的电动机固定在转向柱的一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。,齿轮助力式EPS的电动机和减速机构和小齿轮相连，直接驱动转向齿轮，实现助力转向。,齿条助力式EPS的电动机和减速机构直接驱动齿条提供助力。,电动汽车技术与原理 第 15 页,电动助力转向系统类型,电动汽车技术与原理 第 16 页,6. 1. 3 EPS系

7、统的工作原理,当操纵方向盘时，转矩传感器产生与输入转向力矩相对应的电压信号，该信号与车速信号同时输入ECU。 由ECU中的微机系统运算处理后，确定其助力转矩的大小和方向，即选定电动机的驱动电流和方向，调整转向的辅助动力。 电动机的转矩通过电磁离合器输出，再经减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。,大众“双齿轮”电动助力转向系统示意图,司机旋转方向盘 方向盘转角传感器将方向盘转动角度、转速传给控制单元 转向小齿轮旋转 转向力矩传感器将计算出的转向力传给控制单元。 控制单元工作 根据转向力、车速、方向盘转角、方向盘转速以及存储在控制单元中的特性曲线图，计算

8、出必要的助力力矩 控制电机开始工作 电机驱动的第二个小齿轮 驱动转向齿条产生助力,大众“双齿轮”电动助力转向系统工作原理,电动汽车技术与原理 第 19 页,6. 1. 4 电子控制器ECU及其控制策略,电子控制器ECU的基本组成 包括RAM、ROM、单片机及与其相应的外围接口电路。 外围接口电路主要包括： 整形放大输入接口电路 A/D转换器、D/A转换器 电流控制电路、驱动电路 故障诊断输出、稳压电源,电动汽车技术与原理 第 20 页,6. 1. 4 电子控制器ECU及其控制策略,电子控制器ECU的工作原理 转向时，转向转矩、转向角和车速信号整形放大，通过A/D转换输入到微处理器CPU。 CP

9、U根据这些信号计算出助力转矩、电流，把电流命令值通过D/A输入电流控制电路。 电流控制电路把电流命令值同电流实际值比较，产生差值信号，该信号被送到电动机驱动电路。同时CPU控制电动机驱动电路输出决定电动机转动方向的信号。 电动机按其要求电流值和转向提供转向机构相应助力。,电子控制器ECU的基本组成框图,电动汽车技术与原理 第 22 页,EPS电机正反转控制电路,a1和a2端为触发信号端，用以触发电动机产生正反转。 控制触发信号端电流的大小，就可以控制电动机通过电流的大小。,电动汽车技术与原理 第 23 页,助力电动机电流的控制逻辑,GOLF2004转向助力特性图,电动汽车技术与原理 第 25

10、页,6. 1. 5 EPS系统的优点,调整简单、控制灵活。 低速停车获得较大转向助力。高速时消减路面不平对转向轮冲击传到方向盘造成的“打手”现象。 高速行驶时，要求助力系统能对转向系统有一种“反向”助力，即适当增加转向系统的阻尼。传统的液压或气压动力转向系统很难做到，而EPS系统利用电动机特性即可实现。 电机只需在要求转向时运行，节省能源消耗。结构紧凑，一般要比同规格的液压式动力转向系统轻25%。 EPS系统有助于四轮转向的实现，促进车辆悬架系统发展。,返回,电动汽车技术与原理 第 26 页,分类 电子液压式制动系统 （Electro Hydraulic Braking，EHB） 电子机械式制

11、动系统 （Electro Mechanical Braking，EMB）,6. 2 线控制动系统,EHB 将电子与液压系统相结合所形成的制动系统。由电子系统提供控制，液压系统提供动力。 EMB 将传统制动系统中的液压油或空气等传力介质完全由电制动取代，是制动控制系统发展方向。,电动汽车技术与原理 第 27 页,电子液压式制动系统 组成 制动踏板 电子控制器 液压控制单元HCU （电机、液压泵、高压蓄能器、方向控制阀等） 传感器 （轮速、压力、温度传感器）,6. 2 线控制动系统,电动汽车技术与原理 第 28 页,电子液压式制动系统 原理 位移传感器将驾驶员踩下制动踏板的运动速度和踏板的行程信号

12、传送到电子控制器； 电子控制器再将这些信号与轮速传感器、压力传感器进行比较，判断出驾驶员的意图和汽车当前状态，判断制动属常规制动还是控制制动。 若是常规制动，则电子控制器不给液压控制单元控制信号。人力作用,制动主缸向制动轮缸传递压力. 若是控制制动，电子控制器向液压控制单元发出控制信号，制动轮缸的高压制动液由液压控制单元中的泵和高压蓄能器直接提供，缩短制动系统的反应时间，减少紧急制动制动距离。,6. 2 线控制动系统,电动汽车技术与原理 第 29 页,电子机械式制动系统 组成 电子踏板模块 （位移传感器和力传感器） 传感器组 （车轮转速传感器、方向盘转角传感器、偏航角度传感器、加速度传感器等）

13、 电子控制单元ECU 4个独立的电机制动模块EMB 电源模块 通信网络,6. 2 线控制动系统,电动汽车技术与原理 第 30 页,汽车线控制动系统结构简图一,1-车轮转速传感器 2-踏板传感器 3-电子控制单元 4-电机制动模块 5-电源 6-通信网络,汽车线控制动系统结构简图二,电动汽车技术与原理 第 32 页,车轮制动模块,电动汽车技术与原理 第 33 页,电子机械式制动系统 原理 当驾驶员踩下制动踏板后，传感器检测出制动动作和踏板力，经车载网络传给ECU； ECU结合其它传感器信号计算出最佳制动力，输出到4个车轮上的独立制动模块； 通过它提供适当的控制量给电机执行器，使其完成必要的转矩响

14、应，从而控制制动器实现制动。 线控制动系统还能根据路面状况、车速和车载质量等信息有效控制制动距离，并能对驾驶员的动作意图做出反应。,6. 2 线控制动系统,返回,电动汽车技术与原理 第 34 页,6. 3. 1概述 6. 3. 2电控悬架系统的功能 6. 3. 3电控悬架系统分类 6. 3. 4全主动式电控悬架系统,6. 3 电控悬架系统,电动汽车技术与原理 第 35 页,汽车悬架是指车身（或车架）与车轮（或车桥）之间的一切传动连接装置的总称。 其功用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力），纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力所形成的转矩传递到车身上，并缓和其冲击，吸收来自车轮振

15、动的能量，在汽车启动与制动时，抑制车身的俯仰，在转向时承受来自车身的侧倾力。,6. 3. 1 概述,使车辆具有良好的乘坐舒适性、平顺性和行驶稳定性。,悬架的组成 弹性元件、阻尼元件（减振器） 、导向杆系三部分组成，在一些车辆上还要加装横向稳定器。,使车架与车桥的连接具有弹性，吸收、缓和路面冲击和振动。,衰减弹性元件的振动，吸收并散发振动能量。,在汽车转向时，减小车身的倾斜和横向角振动。,悬架系统的自然振动频率,由悬架刚度和簧载质量所决定的汽车自然振动频率（振动系统的固有频率），一般称之为车辆的偏频（车身上下运动的频率）。其取值范围一般在11.6Hz之间（步行时人体上下运动的频率）。,簧载质量一

16、定，悬架刚度越小，偏频越小。 悬架刚度一定，簧载质量越大，偏频越小。,因为车辆的载荷一直是变化的，因此需要悬架的弹簧具有变刚度特性，以保证车辆在不同的载荷情况下具有相当的行驶平顺性。,电动汽车技术与原理 第 38 页,2.4 气体弹簧,由夹有帘线的橡胶气囊和密闭在其中的压缩空气做成。,由橡胶膜片和金属压制件组成,质量比其他弹簧小，寿命相对较长，但高度尺寸大，适合于在大型车上布置。,空气弹簧,电动汽车技术与原理 第 39 页,空气弹簧，刚度可变，调整车身高度。,空气弹簧,电动汽车技术与原理 第 40 页,传统的悬架系统弹簧刚度、减振器阻尼不能随路面状况和车速的变化而调整，舒适性较差， 无法满足行

17、驶平顺性操纵稳定性的要求，只能根据车辆的功用选择一种最优折衷。 轿车的悬架相对偏软，在平坦路面行驶时，比较舒适，但高速行驶或在起伏路面行驶时，操纵稳定性较差，悬架变形量也较大； 载货车悬架较硬，满载时行驶，车身振动较小，但空载或轻载时，高速行驶振动较大，平顺性较差。,传统的悬架的不足,电动汽车技术与原理 第 41 页,6. 3. 2 电控悬架系统的功能,（1）刚度调节功能。 悬架刚度主要根据车速、路况、车身姿态来控制。 （2）阻尼调节功能。 通过调节减振器阻尼改变悬架较“柔软”或更“坚硬”的状态。 （3）车体高度调节功能。 通过对悬架高度的控制，使车辆负载在规定范围内变 化时保证车高一定，以减

18、小汽车在转弯时产生侧倾。,电动汽车技术与原理 第 42 页,按控制方式 机械控制式 电子控制式 按功能 半主动悬架 慢主动悬架 全主动悬架,6. 3. 3 电控悬架系统分类,电动汽车技术与原理 第 43 页,被动悬架,电动汽车技术与原理 第 44 页,主动悬架,全主动,慢主动,电动汽车技术与原理 第 45 页,半主动悬架,电动汽车技术与原理 第 46 页,电控悬架主要形式 电控变高度空气悬架系统 电控变刚度空气悬架系统 电控变阻尼减振器悬架系统 电控变高度-变刚度空气弹簧悬架系统 电控变高度-变刚度空气弹簧-变阻尼减振器悬架系统,6. 3. 3 电控悬架系统分类,电动汽车技术与原理 第 47

19、页,1. 主动悬架系统优点 （1）载荷变化时，自动维持车身高度，保证车身平稳； （2）悬架刚度可设计小些，车身固有频率70次/分左右； （3）避免紧急制动时，后轮制动失灵； （4）使车轮与地面一直保持良好接触，因而附着力稳定； （5）调整悬架刚度和阻尼，消除恶性振动冲击，提高寿命。,6. 3. 4 全主动式电控悬架系统,电动汽车技术与原理 第 48 页,2. 全主动式电控悬架系统控制原理 方向盘转角信号间接地把汽车转向程度信息送给ECU； 加速度传感器的作用就是把加速踏板的加速动作信号送给ECU； 制动压力传感器也就是制动踏板上的制动力信号送给ECU 车速传感器将车速信号送给ECU，ECU利用

20、该信号与方向盘转角信号，计算车身倾斜程度；,6. 3. 4 全主动式电控悬架系统,信息检测,电动汽车技术与原理 第 49 页,2. 全主动式电控悬架系统控制原理 车身高度传感器有前左、前右、后左、后右四个 分别位于相应悬架上，用来测量车身与车轮相对高度， 其变化频率和幅度反映车身平顺性信息，用于车高调节； 车门传感器是为防止行车过程中车门未关闭而设置的； 模式选择开关位于驾驶室仪表盘上，由驾驶员选择 按需要可有“软”和“硬”两种控制模式 每种模式下按刚度和阻尼的大小依次有低、中、高三种状态，由ECU来决定。,6. 3. 4 全主动式电控悬架系统,信息检测,电动汽车技术与原理 第 50 页,电控

21、悬架传感器类型及用途,电动汽车技术与原理 第 51 页,2. 全主动式电控悬架系统控制原理 刚度与阻尼调节 悬架ECU根据模式选择开关、各传感器信息，计算并与设定值进行比较后发出控制信号使执行器工作， 带动减振器的阻尼调节杆和回转阀转动来调节减振器阻尼力的大小 带动空气弹簧气压缸的气阀控制杆旋转，从而改变悬架弹簧的刚度。,6. 3. 4 全主动式电控悬架系统,控制目标,电动汽车技术与原理 第 52 页,2. 全主动式电控悬架系统控制原理 高度调节 由ECU根据高度控制开关开关，车身高度传感器信息，经过计算并与设定值进行比较后发出控制信号； 使空气压缩机工作，给空气弹簧充气来提高车身高度； 或使

22、排气电磁阀通电，打开电磁阀使空气弹簧排气来降低车身高度。,6. 3. 4 全主动式电控悬架系统,控制目标,电动汽车技术与原理 第 53 页,6. 3. 4 全主动式电控悬架系统,2. 全主动式电控悬架系统控制原理,主动式空气悬架电子控制系统结构原理图,电动汽车技术与原理 第 55 页,凌志LS400乘用车悬架控制开关,控制开关由LRC开关和高度控制开关组成； 装在中央控制板的靠近驾驶座换档杆指示灯处； LRC开关用于选择减振器和空气弹簧的工作模式； NORMAL 或 SPORT HEIGHT高度控制开关用于选择车身高度； NORMAL 或 HIGH,LRCLexus Riding Contro

23、l,LRC开关,HEIGHT控制开关,开关位置,车身高度,高,车身高度控制开关,低,电动汽车技术与原理 第 58 页,车身高度传感器,安装在车身与车桥之间，用来检测车身高度的变化和因道路不平而引起的悬架位移量，并将其转化电信号传送给悬架ECU。 ECU根据输入的信号，控制空气压缩机工作或排气阀的开启，以增加或减少空气悬架主气室中的空气量，保持车身高度为需求值。 车身高度传感器有光电式和霍尔式两种。,电动汽车技术与原理 第 59 页,由4对遮光器和圆盘组成。每对遮光器又由发光二极管和光敏晶体管组成。 开有槽的圆盘与转轴一起旋转，转轴通过连杆与悬架的摆臂相连。圆盘装在遮光器的发光二极管和光敏晶体管

24、之间。,光电式车身高度传感器,产生“通”信号,产生“断”信号,电动汽车技术与原理 第 60 页,高度传感器的安装,电动汽车技术与原理 第 61 页,悬架控制执行器,调节减振器阻尼力和弹簧刚度 安装在空气弹簧与减振器总成的上部 由驱动电机、传动齿轮、小齿轮和两根输出轴组成,电动汽车技术与原理 第 62 页,两根输出轴分别驱动减振器回转阀控制杆和空气弹簧空气阀控制杆。 减振器回转阀在控制杆的带动下旋转，当回转阀转角发生变化时，减振器的阻尼力随之发生变化。 空气弹簧空气阀在控制杆的驱动下，打开或关闭空气弹簧气室与高度控制阀的通道，使压缩空气进入或排出，从而改变空气弹簧的刚度及车身高度。,悬架控制执行

25、器,电动汽车技术与原理 第 63 页,电控悬架的气源装置,气源装置由直流电动机、单缸空气压缩机、干燥器和排气阀等组成。 直流电动机由悬架ECU控制,驱动空气压缩机产生压缩空气。压缩空气在进入空气管路之前 要经过干燥器去除水分。 排气阀可将空气弹簧中的压缩空气排至大气中。空气弹簧排气时也通过干燥器，以保持化学干燥剂的干燥。,电动汽车技术与原理 第 64 页,高度控制阀和排气阀,由电磁线圈、柱塞、活动铁芯等组成 两者的功用都是用来调节车身高度和空气弹簧的刚度,区别在于安 装位置不同。 高度控制阀有4个,安装在空气管和空气弹簧气室之间,控制压缩空气的通断。 排气阀只有1个,安装在空气管与大气之间,控

26、制压缩空气与大气的通断。,电磁阀,来自压缩机,至气动缸,电动汽车技术与原理 第 65 页,凌志LS400悬架控制空气管路,电动汽车技术与原理 第 66 页,2. 全主动式电控悬架系统控制原理 电控悬架系统按其控制功能 （1）车速路面感应控制 （2）车身姿势控制 （3）车身高度控制,6. 3. 4 全主动式电控悬架系统,电动汽车技术与原理 第 67 页,（1）车速与路面感应控制 根据车速与路面的变化来改变悬架的刚度和阻尼。 通过模式选择开关来选择“软” 或“硬” 这两种模式。 在这两种模式中，又按刚度和阻尼的大小分为低（软）、 中（标准）、 高（硬）三种状态。,6. 3. 4 全主动式电控悬架系

27、统,电动汽车技术与原理 第 68 页,当车速高时，提高弹簧刚度和减振器阻尼力，以提高汽车高速行驶时的操纵稳定性。 当前轮遇到突起时，减小后轮悬架弹簧刚度和减振器阻尼力，以减小车身的振动和冲击。 当路面差时，提高弹簧刚度和减振器阻尼力，以抑制车身的振动。,车速与路面感应控制,电动汽车技术与原理 第 69 页,（2） 车身姿态控制 在汽车车速突然改变及转向等情况下，控制器对悬架的刚度和阻尼实施控制； 抑制车身的过度摆动，从而确保车辆乘坐舒适性和操纵稳定性。 包括转向车身侧倾控制、制动车身点头控制和起步车身俯仰控制。,6. 3. 4 全主动式电控悬架系统,电动汽车技术与原理 第 70 页,车身姿态控

28、制,转向车身侧倾控制,紧急转向，将内侧车轮处悬架阻尼和刚度调高,电动汽车技术与原理 第 71 页,车身姿态控制,制动点头控制 车速高于60km/h ，紧急制动，将前悬架阻尼和刚度调高,电动汽车技术与原理 第 72 页,车身姿态控制,起步车身后仰 车速较低(20km/h)，急加速，将后悬架阻尼和刚度调高,电动汽车技术与原理 第 73 页,（3） 车身高度控制 在汽车行驶车速和路面变化时，控制器对悬架输出控制信号，调整车身的高度，确保汽车行驶的稳定性和通过性； 分“标准”模式和“高”模式两种情况，在每种模式中又分“低”、“中”、“高” 三种状态。 包括高速感应控制和连续坏路面行驶控制等。,6. 3. 4 全主动式电控悬架系统,电动汽车技术与原理 第 74 页,高速感应控制：车速超过90km/h，降低车身高度，减少空气阻力，提高汽车行驶稳定性。 连续差路面行驶控制：车速在4090km/h，提高车身高度，以提高汽车的通过性；车速在90km/h以上，降低车身高度，以满足汽车行驶的稳定性。 点火开关OFF控制：驻车时，当点火开关关闭后，降低车身高度，便于乘客的乘降。 自动高度控制：当乘客和载质量变化时，保持车身高度恒定。,空气悬架高度调节,空气悬架高度调节的原理,a) 车高时,a) 车低时,返回,电动汽车技术与原理 第 77 页,电动空调系