Системите за кормилно управление на електрически превозни средства, като ключова система на електрическите превозни средства, се различават значително от тези на-задвижваните с гориво превозни средства. Те са разделени основно в три категории: електрическо сервоуправление (EPS), електро-хидравлично сервоуправление (EHPS) и управление-чрез-кабел (SBW). Всеки тип има различни принципи на работа, предимства, недостатъци и области на приложение. Тази статия разработва състава и принципите на работа на тези три кормилни системи за електрически превозни средства.
I. Електрическо сервоуправление (EPS)
EPSе най-често използваната кормилна система в електрически превозни средства в момента. Той използва електрически мотор за подпомагане на кормилното управление, заменяйки традиционното хидравлично сервоуправление (HPS).
1. Състав на EPS
EPS се състои основно от следните компоненти:
(1) Сензор за въртящ момент: Отчита въртящия момент и посоката на въртене на волана (намерението на водача).
(2) Сензор за ъгъл на завиване: Следи ъгъла на завиване (интегриран в сензора за въртящ момент в някои системи).
(3) Сензор за скорост на превозното средство: Осигурява сигнали за скоростта на превозното средство (за динамично регулиране на нивото на помощ при управление).
(4) Електронен контролен блок (ECU): Обработва данните от сензорите в реално време и изчислява необходимата помощ при управление.
(5) Силов{1}}мотор за подпомагане: Обикновено безчетков постояннотоков двигател (BLDC), който предава въртящ момент към кормилната колона или рейката чрез редуктор (напр. червячна предавка).
(6) Редукционен механизъм: Усилва въртящия момент на двигателя за задвижване на кормилната система.
2. Принцип на работа на EPS
(1) Откриване на намерението на водача Когато водачът завърти волана, сензорът за въртящ момент измерва въртящия момент на кормилния вал, а сензорът за ъгъл на завиване записва ъгъла на завиване, като и двата изпращат сигнали към ECU. Сигналите за скоростта на автомобила се въвеждат синхронно (напр. изисква се повече помощ при ниски скорости и помощта се намалява при високи скорости, за да се подобри стабилността).
(2) ECU изчислява искането за помощ ECU изчислява целевата помощ въз основа на въртящия момент, скоростта на превозното средство и дори статуса на превозното средство (напр. ъгъл на наклон в някои модели от висок -) и извежда PWM сигнал за управление на двигателя. Примери за алгоритъм:
Ниско{0}}скоростно паркиране: Моторът за-усилвател извежда висок въртящ момент (за управление без усилие).
Високо{0}}шофиране: Помощта е намалена (за подобряване на усещането за пътя и избягване на свръх-чувствителността).
(3) Моторът изпълнява помощ при управление Моторът предава мощност към кормилната колона чрез редуктор (напр. червячна предавка, ремък) или директно задвижва зъбната рейка (съществуват структурни разлики между различните типове EPS, вижте по-долу). Посоката на помощ на двигателя е в съответствие с посоката на управление на водача (съдено по полярността на сензора за въртящ момент).
(4) Обратна връзка и корекция. Системата непрекъснато следи въртящия момент на волана и действителния ъгъл на завъртане, като динамично регулира мощността на двигателя, за да постигне управление на затворения-контур и да избегне свръх-помощ или забавяне.
3. Класификация и обхват на приложение на EPS
Въз основа на различните монтажни позиции на двигателя, EPS може да бъде разделен на следните типове:
| Тип | Моторна позиция | Приложими модели превозни средства | Характеристики |
|---|---|---|---|
| C-EPS (колона-тип EPS) | Монтира се на кормилната колона | Компактни автомобили, микро автомобили | Проста структура, ниска цена, но ниска помощ |
| P-EPS (пиньон-тип EPS) | Монтира се на кормилното зъбно колело | Компактни/средни автомобили | Умерена помощ, добре-балансирана производителност |
| R-EPS (Rack-тип EPS) | Директно задвижва кормилната рейка | Големи и средни{0}}коли, джипове | Висока помощна мощност, бърза реакция, подходяща за тежкотоварни-автомобили |
| DP-EPS (Двойно-пиньон EPS) | Два мотора задвижват съответно зъбното колело и зъбната рейка | Високо{0}}мощни автомобили, луксозни автомобили | По-прецизно управление, по-добра динамична реакция |
4. Предимства и недостатъци на EPS
Предимства
(1) Висока енергийна ефективност, благоприятен-обхват: Задвижван директно от електрически мотор, EPS не изисква хидравлична помпа и има изключително ниски загуби на енергия (традиционният HPS непрекъснато консумира мощност на двигателя). За електрическите превозни средства спестената енергия може индиректно да увеличи обхвата на шофиране (около 3%-5% оптимизация на енергийната ефективност).
(2) Гъвкаво регулируема помощ при управление: Нивото на помощ може да се регулира динамично чрез софтуер, за да се адаптира към различни сценарии (напр. леко управление при ниски скорости, стабилно управление при високи скорости) и дори поддържа персонализирани режими на шофиране (спорт/комфорт).
(3) Проста структура, ниски разходи за поддръжка: Елиминира хидравлично масло, помпи, тръбопроводи и други компоненти, намалявайки риска от изтичане на масло и необходимостта от последваща поддръжка.
(4) Силна адаптивност към околната среда: Не се влияе от екстремни температури (хидравличното масло се сгъстява при ниски температури в хидравличните системи, което води до забавяне на управлението).
(5) Поддръжка за усъвършенствани системи за подпомагане на водача (ADAS): Съвместим с ADAS функции като поддържане на лентата и автоматично паркиране.
Недостатъци
(1) Слаба обратна връзка за усещане на пътя: Симулираното усещане за път на електрическа помощ е по-малко естествено от това на хидравличните системи.
(2) Зависимост от надеждността на електронната система за управление: Неизправностите на двигателя, сензорите или контролния софтуер могат да доведат до внезапна загуба на помощ (въпреки че съществуват резервни конструкции, рисковете все още съществуват).
(3) Недостатъчна помощ при сценарии с високо-натоварване: Моторите с висока-мощност са скъпи, а някои модели с ниски-цени може да имат недостатъчна помощ при екстремни условия на работа (напр. кормилно управление в неподвижно положение).
II. Електро-хидравлично кормилно управление (EHPS)
Поради голямото натоварване на електрическите камиони и необходимостта от по-мощно подпомагане на кормилното управление, някои модели приемат електро-хидравлично кормилно управление (EHPS), което въвежда технология за електронно управление на базата на традиционно хидравлично сервоуправление (HPS) за подобряване на енергийната ефективност и управляемост.
1. Състав на EHPS
EHPS системата се състои основно от следните компоненти:
(1) Електро-хидравлична помпа (заменя традиционната хидравлична помпа, задвижвана от-двигател) Задвижвана от електрически мотор и работеща независимо от двигателя, тя е подходяща за електрически превозни средства. Обикновено използва безчетков постояннотоков двигател (BLDC) или синхронен двигател с постоянен магнит (PMSM) за подобряване на енергийната ефективност.
(2) Механизъм за подпомагане- на хидравличната мощност (зъбна рейка и зъбно колело или рециркулираща сферична кормилна уредба) Подобно на HPS, но хидравличното налягане се регулира прецизно от електронната система за управление.
(3) Електронен контролен блок (ECU) Регулира скоростта на въртене и налягането на електро-хидравличната помпа според сигнали като скорост на превозното средство и въртящ момент на волана.
(4) Хидравличен резервоар, хидравлични тръбопроводи, кормилен клапан Същият като традиционния HPS, отговорен за съхранението и контрола на потока на хидравличното масло.
2. Принцип на работа на EHPS
(1) Събиране на сигнали Когато водачът завърти волана, сензорът за въртящ момент на волана разпознава намерението на водача да завива (големината и посоката на силата на управление). Сензорът за скорост на автомобила предоставя текущата информация за скоростта на автомобила (повече помощ при ниски скорости, по-малко помощ при високи скорости).
(2) ECU изчислява необходимата помощ Въз основа на данни като въртящ момент, скорост на превозното средство и ъгъл на завиване, ECU изчислява необходимото хидравлично налягане и контролира скоростта на въртене на електро-хидравличната помпа.
Ниски скорости (напр. паркиране): Моторът работи с висока скорост, за да осигури голям поток от хидравлично масло за лесно управление.
Високи скорости: Моторът забавя, за да намали помощта, да подобри "стабилността" на волана и да подобри стабилността при шофиране.
(3) Електро-хидравличната помпа осигурява налягане Моторът задвижва хидравличната помпа, която повишава налягането на хидравличното масло и го доставя към управляващия клапан на волана. Според посоката на въртящия момент на волана, управляващият клапан насочва хидравличното масло в съответната камера на хидравличния цилиндър, натискайки зъбната рейка или кормилната връзка, за да постигне помощ при управление.
Ниска скорост/тежко натоварване: Увеличете хидравличното налягане, за да подобрите помощта за по-лесно управление.
Висока скорост/без товар: Намалете хидравличното налягане, за да намалите помощта и да подобрите стабилността при шофиране.
(4) Циркулация на хидравличното масло След приключване на помощта, хидравличното масло се връща обратно към резервоара, за да образува затворен-циркулационен кръг.
3. Предимства и недостатъци на EHPS
Предимства
(1) Помощ при висок-въртящ момент: Подходящ за тежкотоварни-електрически камиони и търговски превозни средства, като осигурява по-силна сила на управление от EPS.
(2) Висока надеждност: Зрялата хидравлична система работи стабилно при екстремни работни условия (напр. ниска температура, високо натоварване).
(3) Умерени разходи: По-икономичен от EPS (оборудван с двигател с висока-мощност + редукционен механизъм) и по-енергийно{3}}ефективен от традиционния HPS.
Недостатъци
(1) Относително висока консумация на енергия: Електро-хидравличната помпа работи непрекъснато и консумира повече енергия от EPS (но по-енергийно-ефективна от традиционната HPS).
(2) Сложна структура: Изисква хидравлични тръбопроводи, резервоари и други компоненти, с малко по-обезпокоителна поддръжка от EPS.
(3) Леко бавна реакция: Скоростта на динамично регулиране на хидравличната система е малко по-ниска от тази на EPS.
III. Управление-по-тел (SBW)
Управление-по-тел (SBW)е бъдещата посока на развитие на кормилните системи. Той напълно премахва механичната връзка между волана и колелата и разчита изцяло на електрически сигнали за управление на управлението.
1. Състав на SBW
Системата SBW се състои основно от следните компоненти:
(1) Модул на волана Отговорен за откриване на намерението на водача да завие и симулиране на обратна връзка за усещане на пътя, включително: сензор за въртящ момент/ъгъл на волана, двигател за обратна връзка за усещане на пътя и електронно управление на волана.
(2) Изпълнителен модул за кормилно управление Отговаря за задвижването на управлението на колелата, заменяйки традиционната кормилна колона и механизъм с рейка и зъбно колело, включително: двигател за изпълнение на кормилното управление, сензор за ъгъл на завиване и редукционен механизъм (напр. сачмен винт или комплект зъбни колела).
(3) Електронен контролен блок (ECU) „Мозъкът“ на SBW, отговорен за обработката на сигнала и координацията на системата, включително: основен ECU и резервен ECU.
(4) Резервирана система за безопасност За да се гарантира безопасността, SBW трябва да бъде оборудван с множество резервни копия, включително: двойно-захранване, двойни комуникационни канали и механично аварийно резервно копие.
2. Принцип на работа на SBW
(1) Събиране на сигнали (модул на волана)
Сензор за въртящ момент/ъгъл: Отчита силата и ъгъла на въртене на волана на водача и ги преобразува в електрически сигнали.
Сигнали като скорост на превозното средство и скорост на отклонение: Получете статус на превозното средство (напр. ESP, ABS данни) през CAN шината за изчисляване на оптималната реакция на кормилното управление.
(2) Електронно управление (ECU вземане на решения)-
Главен ECU: Изчислява целевия ъгъл на завиване (динамично регулира съотношението на завиване в комбинация със скоростта на превозното средство, режима на шофиране и т.н.) и интензитета на обратната връзка за усещане на пътя (симулира силата на взаимодействие между гумите и пътната настилка) въз основа на сигнали от сензори.
Резервен ECU: Наблюдава основната система в реално време и незабавно поема или активира аварийния режим, след като бъде открита повреда (напр. загуба на сигнал, аномалия на двигателя).
(3) Изпълнение на кормилното управление (задвижване на колелата) Моторът за изпълнение на кормилното управление (обикновено безчетков двигател с висок-въртящ момент) директно задвижва зъбната рейка или кормилния накрайник, за да натисне колелата, за да се завъртят. Сензорът за позиция подава обратна информация за действителния ъгъл на завъртане на колелата в реално време, за да постигне затворен -контролен цикъл и да гарантира точното изпълнение на инструкциите на ECU.
(4) Симулация на усещане за пътя (обратна връзка от волана) Моторът за обратна връзка при усещане за пътя прилага програмируемо съпротивление към волана, за да симулира механичното усещане за пътя на традиционните системи за кормилно управление (напр. неравности, промени в сцеплението на гумата).
3. Предимства и недостатъци на SBW
Предимства
(1) Без механична връзка: Подобрява гъвкавостта на оформлението на шасито и увеличава вътрешното пространство.
(2) Променливо съотношение на кормилното управление: Ъгълът на въртене на волана и ъгълът на завиване на колелата могат да се регулират свободно (напр. по-чувствителен волан при ниски скорости, по-стабилен при високи скорости).
(3) Перфектно адаптиран за автономно шофиране: Управлението може да се контролира напълно от компютър без намеса на водача.
(4) По-безопасна защита при сблъсък: Няма кормилна колона, която няма да навлезе в отделението на водача в случай на сблъсък.
Недостатъци
(1) Висока цена: Изисква високо-надеждни електронни компоненти и резервни системи.
(2) Регулаторни ограничения: Понастоящем някои страни изискват запазване на частични механични резервни копия (напр. системата SBW на Toyota все още поддържа аварийна връзка на съединителя).
(3) Приемане от потребителите: Някои потребители имат съмнения относно метода на управление „без механична връзка“.
IV. Резюме
Тази статия представя три различни типа кормилни системи за електрически превозни средства и техните принципи на работа. Поради голямото натоварване на кормилното управление на електрическите камиони, EHPS (Electro-Hydraulic Power Steering) все още е основното решение в момента, което постига добър баланс между интензивност на помощ, надеждност и цена. Въпреки това, с развитието на високо-мощната EPS технология, някои електрически камиони може да преминат към EPS или хибридни кормилни системи в бъдеще. Понастоящем EPS все още е най-разходно{5}}ефективното решение и се използва широко. Бъдещето на системите за кормилно управление на електрически превозни средства ще се развие от EPS (Electric Power Steering) до SBW (Steer-By-Wire), а SBW ще се превърне в мейнстрийм със своята по-висока гъвкавост и съвместимост с автономното шофиране.