純電動商用車電動助力轉向泵選型匹配設計探討

郝少紅 劉學卿 郝宏剛

1.山東五征集團有限公司 山東省日照市 276800 2.吉林大學青島汽車研究院 山東省青島市 266043 3.林德液壓（中國） 山東省濰坊市 261000

1 引言

純電動商用車取消傳統發動機，采用電池電機驅動形式，其中還融入了電動助力轉向系統。該系統有關組件包括電動轉向泵以及該設備的控制器、定向機等，傳統的液壓部件被淘汰。這其中，純電動商用車參數匹配關鍵技術中電動轉向泵總成參數匹配十分關鍵。因此，所設計的過程中應注意電動增壓泵的匹配，以滿足需求。

2 純電動商用車電動助力轉向泵的綜合概述

2.1 運行原理

純電動商用車電動助力轉向泵結構如下圖1 所示。

圖1 電動助力轉向泵結構示意圖

運行原理為：汽車啟動后控制信號通過車輛控制器傳輸到轉向控制器。轉向控制器的作用是驅動轉向電機啟動轉向泵的供油工作。開始轉方向盤時，電動轉向泵工作形成高壓油，轉換后不斷注入轉向缸，驅動舵機逐漸完成相應的運動，活塞的往復直線運動促進操舵桿和輪子依照相應的旋轉方向，這是整個電動液壓動力來實現車輛轉向的原則。在能量轉換過程中，純電動商用車內的電能先轉換成電機旋轉的機械能，再轉換成液壓油壓的動能，最后再由動能轉換成車輪旋轉的機械能。

2.2 具體分類

（1）齒輪式，這類結構如圖2 所示。

圖2 齒輪式電動助力轉向泵結構示意圖

動力轉向電機與采用增強型扭轉動力控制的傳動機構采用減速器的驅動齒輪與采用驅動動力小齒輪以連接形式達成了交互驅動目的。因為大型客艙無需安裝動力驅動轉向電機，因此駕駛員可通過大功率轉向電機以及動力驅動而獲得適當功率的轉向電機扭矩，同時無需擔心這種操作會引發電機產生強烈震動以及噪音。一般此類設計多用于中型車，可保證車輛獲得足夠的動力。

（2）轉向式，電機、減速器直接與純電動商用車駕駛員轉向柱直接并聯連接，驅動電機可安裝在純電動商用車駕駛員轉向柱上任意合適的旋轉角度位置，在一般電動機中提供一種驅動蝸輪和一種作為驅動機構的蝸桿，也可以用來為驅動電動機當純電動商用車減速時和當純電動商用車剎車時工作。由于自動工作使用方便，環境好，電機的最大固定輸出齒輪驅動力和最大扭矩相對較小，是一種常見的動力輔助齒輪驅動機械形式。由于各驅動部件相對獨立，便于自動操作和維護。但在設計中還必須保證其本身自動化和靈活性。然而，有些純電動商用車電機由于固定輸出最大驅動轉矩的大小和波動，容易直接自動傳遞到整個純電動商用車方向盤的輸出。如果整個齒輪電機的正常驅動位置接近整個電機的驅動器的正常驅動位置，同時必須考慮對整個齒輪電機的最大輸出機械噪聲進行有效的自動抑制。

2.3 發展趨勢

EPS初期主要設計為微型或小型商用車，但隨著EPS 在大中型車輛上的廣泛應用，對純電動商用車轉向動力的技術要求也越來越高。因此，要增加發電機的驅動功率，也要增加動力電機的驅動直徑。但對于技術要求較高的微型EPS，特別是小型EPS，電機的尺寸和輔助安裝點的位置就比較困難。因此，在未來需要在減小電機體積前提下要不斷提升電機功率，這是未來電機技術關鍵點。

電機和齒輪箱直接或機架式舵機在一起，但整體外觀仍大，所以在進行整車結構設計時也需要充分考慮如何合理安排。此外，在電機選型方面，目前EPS 電機多為直流永磁無磁電磁發動機或永磁無刷直流電動機，而直流無磁無刷永磁電機將成為未來電機技術發展的主要方向。

3 純電動商用車電動助力轉向泵的作用價值

3.1 結構簡單

動力傳動系統需要十分貼合動力傳動模塊，保證動力傳動的科學性。但因為不同企業在設計上有所差異，需要操作人員進行不同的動力傳動系統的測試、加工等，這其中還要考慮成本因素。正因為如此設計人員總會有自己較為獨特的設計方案去保證系統的可操作性。其中簡易板材易于在生產線上進行加工和裝配。但其他一些相對于傳統的液壓動力系統對轉向器驅動控制組合系統而言，電動動力系統對轉向器控制傳輸的泵一般不是泵、油管，而只是安裝在液壓發動機的兩個驅動皮帶輪上，使相關人員在設計動力傳動系統時有更多的選擇空間，傳動系統的兩齒輪轉向控制組合空間傳動模塊的一體化設計方案，需結合不同助力齒輪的各自屬性形成組合模塊設計方案，也可以將二者分離單獨設計。所以由此可見發動機內部空間的利用需要認真分析研究，才能達成高效率利用目的。

3.2 加強性能

在電動助力高速轉向傳動系統中，電機直接與助力轉向機構連接，使傳動能量集中于驅動輪高速轉向之上，以往出現的高速行車軸向反轉、方向盤和前輪的擺陣也會因為設計者融入車輪慣性驅動減震器而得到有效控制。所以，電動轉向系統獲得了強大的車輪抗軸向擾動的抑制能力。高速轉向液壓助力傳動系統主要是通過驅動電機來形成旋轉扭矩，故而消除了前輪滯回傳遞效應，也代表著車輪和電動方向盤的配合能力顯著提升。

3.3 提高效益

液壓式動力轉向油泵是基于舵機傳動系統在操作過程中需要液壓發動機直接供油來驅動的一種新型液壓輪式動力轉向油泵，它利用整個液壓動力油泵的能量在不斷的旋轉流動中，浪費部分由轉向傳動油形成的動力。電動助力轉向系統的融入，有效地摒棄了傳統的油系統EPS，在電動助力轉向系統的操作中，車輛只需要靠液壓發電機自動提供動力就可以使用車輛，作為傳動能量的一部分，是根據車輛對自動動力的要求所需要的供油和節能型轉向傳動系統。純電動商用車配備電動助力轉向系統的大型專用車輛和其他車輛配備電動液壓助力轉向系統的充分利用電力燃料的大型特種車輛燃料消耗的能量相比，其影響分析根據實驗結果表明，沒有電動轉向系統運行油耗需求大，配備電動助力轉向系統燃油的專用車對其他燃油的綜合利用能耗同比降低2.5 個百分點，電動助力轉向若是發揮作用，會導致燃油能耗提升，提升比例為5.5 個百分點。

4 純電動商用車電動助力轉型泵的選型匹配要點

4.1 確定流量

電動助力轉向泵和燃油的流量循環應確保助力轉向泵能夠比較功率相對較弱的高速轉向，以功率較高的轉速旋轉到自動轉向裝置用于柴油車，無動力高速轉向則讓柴油車獲得較大的動力轉向扭矩，增加操作阻力。因為純電動柴油轉儲車特殊性，需要在設計時在電動助力轉向泵燃料流量循環當中融入QT 機理論，操作上可分為兩種方式：其一是動力轉向裝置的理論流量，其二是必須將理論動力轉向油缸流量的Q 缸融入進來。

4.2 確定壓力

為了達成電動轉向泵所需要的最大壓力，要提前對轉向系統最大壓力及雙轉向軸負載展開測量。如果發現前者滿足后者要求，將轉向泵壓力調到方向機所需最大壓力水平。如果不匹配，說明定向機型號較小，需要重新匹配。因為轉向系統的最大壓力為18.5mpa，故而可將這一參數來衡量轉向泵壓力，保證二者持平即可。

4.3 確定原則

第一，方向機安全閥壓力需要大于轉向泵壓力限值。若是出現了油壓高問題，操作上是以先卸方向機安全閥后卸轉向泵為準；第二，要確保轉向泵控制流量處在16ml-251ml 之間。

4.4 確定控制策略

動力控制是將動力電機的轉矩通過減速機構施加到機械轉向系統上，以減小方向盤的轉向力。為了幫助駕駛員順利轉向，需要制定功率控制策略。該策略是以轉向功率特性曲線為依據，來決定動力電機功率大小。

5 純電動商用車電動助力轉型泵的選型匹配設計

5.1 控制器設計

轉向控制器的主要功能是將純電動商用車的電壓轉換為電動機的工作電壓，并且可以接受所有控制器的控制信號，變頻參數需要參考詳細的模型來完成校準。當轉向控制器采集的勵磁電流幅值小于2.5a 時，轉向電機轉速可達到800r/min。當采集到的電流矢量幅值大于等于2.5a 時，轉向電機的轉速將達到1200r/min。當采集到的電流矢量幅值小于1.5A 時，轉向電機轉速為800/min，響應時間小于20ms。有必要根據車輛的實際轉向性能對轉向電機的工作參數進行改進，使其工作效率達到最高。轉向電機根據不同的車輛性能參數需要不同的功率，從而實現轉速、轉矩的輸出，這些參數主要由轉向控制器實現控制。

5.2 結構設計

EPS 純電動商用車轉向驅動系統的設計是在原有車型的基礎上進行設計開發的，為了保證當前純電動商用車安裝布局方向的改變量最小，轉向驅動系統的硬點保持不變。由于集成電子功率控制模塊的應用增加電動轉向系統管柱支撐組件的空間占用率，故而必須要對支撐部件進行重新設計。同時，轉向系統裝配的重量增加，所以需要重新安裝和設計的下部安裝，和結構剛性需求的儀器平臺。綜合分析，考慮到目前車輛的通用性變化和有關機械部件都在不斷集成化，在整體安裝以及布局方面要將系統管柱支撐總成的原來四點固定安裝模式予以沿用。為了避免管柱支撐總成和車輛部件碰撞，需要管柱轉向塌陷直徑和行程長度不應超過50mm。和原車型比較來看，融入EPS 電動轉向系統驅動軸的車輛形成的轉向力矩明顯要大，故而需增加軸的相位收縮直徑，可從22.5mm調到24mm。因為沒有改變硬點，故而相位軸偏離角可保持在或小于30mm，最大值可根據設計條件確定，有助于將轉向轉矩軸的波動強度控制在+5%左右的范圍內。

5.3 軟件設計

以9S12BDM 軟件調試器作為具體的軟件功能調試主體，該調試器調試核心是JB16 單片機，屬于最新型微控設備。其上有USBDM接口，和USCODEWarrior 接口連接后，能夠展開線上軟件調試。BDM 可獨立為每個目標板供電。其可以模擬調試MC9S12 系列單片機，支持高達25MHZ 的晶體頻率。EPS系統軟件運行前，需要對系統展開初始化以及自檢操作，采集外部轉矩、角度以及連接速度傳感器后，才能更好地發揮出EPS 系統功能，并進入相應的子程序。

根據車輛當前的轉向力矩、轉角變化率和速度信號，確定車輛進入功率模塊理想功率特性曲線，計算出功率電機在某一轉速下的目標電流。需要通過修正目標電流來保證補償控制機制發揮作用，具體操作當中主要是對實際電流展開監控以及修正，然后跟蹤該修正后的電流有效控制功率輸出。電機轉矩有效控制，需要明確單片機輸出PWM 波形的占空比在0.05-0.95 區間。

5.4 硬件設計

（1）處理器設計時要考慮到數據處理數量多寡、EPS 控制器所在位置、單片機尺寸，并最終要形成盡可能小的模塊，故而需要盡可能保證外圍電路簡潔而且穩定，也能夠保證模塊運行速度較快。因此建議EPS MCU選用飛思卡爾的16 位MC9S12DG128 芯片。（2）傳感器設計，要融入脈沖式速度傳感器，來監測車軸的運轉速度，每圈周圍八個ECU的每個軸的速度輸入脈沖電壓數字信號，每輛車速度脈沖信號可以直接從一個速度傳感器的信號通過速度純電動商用車儀表盤速度脈沖信號顯示，顯示形式一般為轉速脈沖電壓數字信號，當設置轉速大于目前速度，傳感器會形成較為明顯的電源脈沖電壓。因為外部屏蔽層和傳輸線緊貼，需要融入RC 濾波以及限幅電路，這樣可以有效提高設備計速速度。

5.5 參數設計

EPS 系統調試主要考慮到動力參數，必須以轉向性為第一要求。因為上文涉及到的電源模塊來自于傳統汽油車，故而現有車型的功率特性曲線必須要進一步優化。功率特性曲線的橫軸是方向盤的扭矩，而控制功率電流輸出成為了縱軸。形成的曲線圖說明了扭矩輸入功率和速度的關系。彎道速度從上到下逐步增大，范圍為0 ～120km /h。總共選擇8 條曲線。為了改善停車和低速行駛時手動控制力大的現象，要提升斜率（停車狀態與低速曲線構成），讓電機功率得到提升；中高速轉向時，易發生轉向力減弱問題，需要降低中高速曲線坡度，同時減少電機功率，提升高速行駛手動控制力度；提高轉向響應速度，需調整曲線橫坐標起點，讓中心感獲得增強；為了改善轉向性，需要調整不同速度曲線間隔，從而讓車輛驅動力可以均勻增加。

6 結語

總而言之，電動轉向系統在純電動商用車節能、環保、機動性等方面具有突出的性能優勢，具有很強的實用性。現階段世界范圍內有關于電動助力轉向系統研究體現出了一定的市場價值。我國是汽車大國，對此更需要進一步提高研究水平。