新能源汽车电气技术教学课件-新能源汽车电动助力转向系统的认知

新能源汽车电动助力转向系统的认知

车转向系统（SteeringSystem）是汽车的一个重要构成部件，是保障汽车安全驾驶十分重要的安全装置，其功能就是要求能够按照驾驶员的意图来控制汽车的行驶方向，它直接影响到汽车的整体操纵性和行驶稳定性。随着汽车各方面的技术不断发展、完善、突破、创新，人们对汽车的需求已经不仅仅局限于安全性和功能性，还比较关注它的舒适性和经济性等。转向系统是用来控制车辆前进方向的一套机构，最初的转向机构是纯机械结构，操作费力、驾驶舒适性差。助力转向系统的出现很好的解决了这个难题，并逐渐发展成为现代汽车结构中必不可少的一部分。一、汽车转向系统概述

1.机械式转向系统

纯机械式转向系统大致分为三部分：转向操控机构、转向器和转向传动部分。转向操控机构是指驾驶员直接接触的部分，负责把驾驶员的动作和力传递到转向系统当中；转向器是转向系统的核心部件，一方面将驾驶员输入的力进行放大，另一方面变换这个力的方向；转向传动部分包括转向器与转向轮之间的传动零部件，负责把转向器输出的力传递到转向轮上，从而完成转向轮的动作。二、汽车转向系统的发展历程

2.传统液压助力转向系统

液压助力是目前车辆使用最多的一种转向助力方式，其系统结构如图所示，它通过在纯机械式转向系统中添加一套液压系统（包括动力缸、阀、液压油罐、油泵和油管等）用以提供转向系统的助力，液压系统根据液流的形式不同，又能够分为常流式和常压式。常压式液压助力转向系统在车辆行驶过程中，不管转向盘有没有转向力输入，它的液压系统始终保持高油压；而常流式液压助力转向系统在车辆行驶过程中，转向盘不动的情况下，流量控制阀处于中间处，油路常通。二、汽车转向系统的发展历程

3.电控液压助力转向系统

由于传统液压助力转向系统会消耗相当多的发动机动力，所以人们在它的基础上进行改进，得到了能耗相对较低的电控液压助力转向系统，它的结构如图，主要包括动力转向电子控制系统（ECU）、电动液压油泵、液压油罐、限压阀、单向阀、转向器、车速传感器以及其他信号传感器等。二、汽车转向系统的发展历程

4.电动助力转向系统

现如今汽车微电子技术越来越成熟，因此，对车辆节能与环保方面的要求也越来越高，液压助力转向系统所存在的能耗高、油液泄漏和污染等问题变得更加明显，不能完全满足时代发展的要求。电动助力转向（EPS）系统综合了最前沿的电子控制技术和最新的电动机控制技术，它不仅能有效改善车辆的动静态性能，还可以显著提高车辆的驾驶舒适性和安全性，降低对环境所造成的污染。所以，EPS系统刚刚提出，就得到了很多大型汽车企业的青睐，并在第一时间投入大量的人力、财力进行相关研究，由此可见，电动助力转向必将成为助力转向系统中的佼佼者。图所示为速腾汽车EPS系统的组成。二、汽车转向系统的发展历程

5.线控转向系统线控转向系统是EPS系统的一个发展方向，英文名称SteeringByWire，故简称SBW，其结构如图所示，主要包括电子控制单元（ECU）、转向盘、扭矩传感器、转向盘回正电机、助力电机、转向器以及助力传动机构等，它省去了转向盘和转向器之间的传动机构。二、汽车转向系统的发展历程

由于汽车电子控制技术的不断发展，对汽车设计的要求以及对汽车的操纵稳定性的要求也逐渐增高，特别是对车辆的环保和节能的要求越来越显著。曾经的液压助力转向系统（HPS）存在的浪费能源和污染环境的缺点己经变得越发严重，不能够满足时代对汽车发展的需要。而电动助力转向系统（EPS）将最新的高性能的电机控制理论和电子技术应用到汽车的转向系统中，显著的改善了车辆的动态特性和静态特性，并更加有效的提高了行驶过程中驾驶员的转向轻便性和驾驶安全性，于此同时也更加节能和环保。对于新能源汽车来说，采用电动助力转向系统是一种必然的选择，因为它本身不需要使用内燃机，助力转向系统动力的来源完全来自电机，所以新能源汽车动力转向系统的选择只能是EHPS或EPS，一般情况下，设计者都会选择EPS。三、电动助力转向系统概述

根据助力电机在转向系统中的安装位置可分为三类：转向柱助力型（ColumnEPS，C-EPS）；小齿轮助力型（PinionEPS，P-EPS）；齿条助力型（RackEPS，R-EPS）。其中，C-EPS与P-EPS、R-EPS相比，由于驾驶员和电机助力的转矩同时通过转向器的小齿轮齿条传递，考虑到齿的刚度和强度，助力转矩值不能太大，多用于小型汽车；而P-EPS和R-EPS成本相对较高，多用于中高级车辆。

按照助力电机的安装部位不同，EPS系统一般分为转向轴助力式、齿轮助力式和齿条助力式3种类型四、电动助力转向系统分类

1.EPS系统具有以下优点：

与其他转向系统相比，该系统突出的优点表现在：1）更加节省能源和环保。因为EPS没有液压器件，所以可算得上是标准的“按需供能型”系统，即在转向的情况下系统才工作，而汽车停止时或者直线运行时完全不消耗任何能量，这样一来耗能就会相对较少。因此与液压动力系统进行比较，可以节约能源80%到90%。而在不转向时，EPS燃油消耗会降低2.5%；在使用转向系统时，则会减少5.5%。另外又因为在-40℃的低温的状况下，EPS也可以较好地工作，而传统的液压系统只有液压油预热后才可以工作，由于EPS没有起动时的预热过程，所以节省了许多能量。EPS也不存在液态油的泄漏问题，从而也不会对环境造成严重的污染，符合了环保的设计理念。

2）助力效果相对更好。EPS可根据汽车运行的不同工况，通过优化设计助力特性曲线，获得准确的助力，助力效果十分理想。同时还可以通过控制阻尼系数减小因为路面的干扰对转向系统产生的影响，保障车辆低速行驶时的轻便性，提高汽车高速行驶时的稳定性，进而提高汽车的转向性能。五、EPS系统的优缺点

3）质量大大减轻。与液压转向比较，电动助力转向系统的结构更加简单，零件数目显著减少，因而带来质量的轻便，于此同时使布置更加简单，而且降低了工作时产生的噪声污染。

4）安全性能更好。与HPS比较，EPS发生故障后，系统通过电磁离合器切断电机与减速传动机构的动力连接，进入机械转向模式。另一方面由于EPS的助力由电机提供，所以与车辆的驱动系统相互独立，只要新能源汽车的DC/DC不出现问题，即使在汽车不启动或发生故障也能够准确的提供助力。5）开发和生产的周期短。虽然EPS的设计时间会比较长，但是设计完成以后，可以通过编辑相应的设计程序，实现与各种不同车型之间的匹配，从而能够减少针对各个车型的设计时间。

6）提高了转向系统的回正性能。在某一车速下，当驾驶员转动转向盘一个角度放手后，汽车具有使其自身回到直线方向行驶的特性，这是汽车固有属性所决定的。但是EPS系统能够对回正过程进行人工控制，在最大限度内通过软件修改设计参数达到使车辆获得最优回正性的目的。在传统的HPS中，汽车一旦设计完成，回正特性就无法改变，否则必须彻底改动底盘的结构，实现起来非常困难。

7）EPS效率一般比HPS高，使用车辆范围也相对较广，特别适用于新能源汽车。五、EPS系统的优缺点

2.EPS系统的缺点：

1）由于车载电源的电压一般比较低，故电动助力转向（EPS）系统所能提供的助力转矩也不会太大，所以不适合用于大型车辆。

2）助力电机、减速机构等零部件的摩擦和转动惯量会对EPS系统的转向特性产生一定的影响，因此动力匹配比较困难。五、EPS系统的优缺点

汽车电动助力转向器（EPS）是一种机电一体化的新一代车辆动力转向系统。它由扭矩传感器、电机总成、转向器和控制器（VCU）组成。汽车电动助力转向器是根据转向盘的转向力（即扭矩传感器）、车速传感器、发动机转速等控制信号，确定转向助力的大小和方向，并驱动电机辅助转向操作。六、电动助力转向系统（EPS）结构

转向器选择齿轮齿条式，转向盘转矩通过扭矩传感器来测得。当没有转向动作时，助力电机不工作；当驾驶员有转向操作时，扭矩传感器发出一个电压信号，电子控制单元（ECU）根据电压信号值推算得到转向盘转矩的大小及方向，同时，车速传感器将检测到的当前车速传递到电子控制单元（ECU），电子控制单元（ECU）先根据车速选择与之对应的助力特性曲线，再根据转向盘转矩进行运算处理，得到目标助力转矩的大小以及方向，再经过一系列计算确定助力电机的旋转方向和驱动电流的大小，助力电机根据得到的驱动电流提供相应的助力转矩，减速增扭后作用到转向轴上，为转向系统提供与工况相适应的助力。七、电动助力转向系统（EPS）工作原理

EPS是一个非线性、多输入多输出的控制系统，因此，控制策略的设计是EPS的核心技术之一。EPS控制策略的基本功能是在不同行驶工况下的转向过程中提供最佳转向助力，从而减轻驾驶员的操作疲劳。根据不同的控制目标，控制策略可分为：基本助力控制，设计合理助力曲线，兼顾低速的转向轻便性和高速的稳定性；回正控制，使转向盘具有较好的回正特性，避免回正不足或回正超调；补偿控制，EPS转向系统中除了机械部件的摩擦和阻尼因素，还有电机和减速机构的惯量因素，因此，需要采用合适的补偿控制，减小惯量、摩擦、阻尼因素的影响，提高车辆的稳态性能和动态性能；抑振控制，当在不平路面行驶时，由轮胎传递过来的扰动会造成转向盘的振动，使驾驶员感到不适，丧失路感；鲁棒控制，抑制系统内部的各种扰动；其他控制，随着汽车安全性和舒适性要求的提高，EPS的控制策略正朝着智能化的方向发展，包括：个性化助力特性、自动泊车功能、车道保持功能等等。八、电动助力转向系统（EPS）的助力策略

该车采用REPS转向器总成内部集成控制器、助力电机、转角扭矩传感器与机械转向器；采集转角扭矩信号、车速信号控制助力大小。系统具有：助力控制功能、主动回正功能、阻尼控制功能。九、比亚迪E5电动转向系统

汽车转向时，扭矩及转角传感器把检测到的扭矩及角度信号的大小、方向经处理后传给REPS电子控制单元，REPS电子控制单元同时接收车速信号，根据车速信号、转角和扭矩信号决定电机的旋转方向和助力扭矩的大