燃料电池汽车电动液压助力转向系统设计研究.pdf

A版 燃料电池汽车电动液压助力转向系统设计研究术 谢泽金冷宏祥赖序年梁伟铭蔡恩凌天钧 上海汽车集团股份有限公司新能源汽车事业部， 上海2 0 1 8 0 4 【 摘要】 电动液压助力转向系统的 设计研究在燃料电池汽车整车开发中有着非常 重要的意义。 文章介 绍了燃料电池汽车电动液压助力转向系统设计及不同的系统控制设计方案， 并进行对 比分析， 得出了较优的燃 料电池汽车转向系统设计方案。研究结果对燃料电池汽车电动液压助力转向系统的开发设计具有重要的参考 价值。 【 A b s t r a c t 】 T h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o f e l e c t ri c h y d r a u l ic p o w e r s t e e ri n g E H P S i s v e r y i m p o r t a n t fo r t h e f u e l c e l l v e h i c le ． T h e d e s i g n a n d d i f f e r e n t c o n t r o l s y s t e m s o f E H P S a r e i n tr o d u c e d ． Th r o u g h c o mp a r e d wi t h e a c h o t h e r ，t h e o p t i ma l s t e e rin g s y s t e m i s u s e d for t h e f u e l c e l l v e h i c l e ．T h e r e s u l t i s i mp o rta n t for t he d e v e l o p me n t a n d d e s i g n o f EHPS o f t h e f u e l c e l l v e h i c l e ． 【 关键词】 燃料电池汽车助力转向系统电动液压 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 - 4 5 5 4 ． 2 0 1 2 ． 0 2 ． 0 1 0 引言 环境污染和能源危机 问题 已成为全球关注的 焦点。治理汽车尾气排放 ， 改善人类生存环境 ， 发 展“ 清洁汽车” ， 遏止大气状况恶化已成为汽车行 业需要解决 的首要难题。燃料电池汽车 F C V 是 一 种用清洁能源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 人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“ 8 6 3 ” 计划重点科 技攻关项 目， 并已取得 了重大成果 。 近年来， 随着新能源汽车的蓬勃发展， 传统车 上普遍应用 的液压动力转 向系统 HP S 由于体积 大、 结构复杂、 效率低等缺点已经不能适应新能源 汽车 的发展要求 ， 开发新 的助力转 向系统已成为 未来普遍共识。 目前 ， 国内外正在研 制的电子控 制助力转向系统 主要有两大类 ， 即电动液压助力 转向系统 E H P S ， 包括 电磁 阀控制式 和电动泵控 制式 和电动助力转向系统 E P S 。对于后者 ， 国 内各大高校、 科研机构和企业正在进行研究开发， 但在一些关键技术 和零部件 方面未 有突破 性进 展 ， 目前国内很少有成熟技术的 E P S产品投 向市 场 ， 还需要大力研究。尽管 E P S是动力转 向技术 未来 的发展趋 势， 但没有充分利用现有液压动力 转 向技术 ， 会丧失 习惯 的液力感觉 和转 向路感 。 E HP S系统作为中间产品起着承前启后的作用 ， 可 以充分利用现有成熟的液压动力转 向和控制技 术， 不仅能提高转向助力系统的工作性能、 降低系统 的能耗 ， 而且可以提供较大 的转 向助力 ， 滞后 时间 收稿 日期 2 0 1 11 2一 O 1 基金项 目 国家高科技发展计划 8 6 3 计划 重大专项资助项目 2 0 0 9 A A 1 1 A 1 2 3 。 上海汽车2 0 1 2 ． 0 2 短 ， 可吸收来 自路面的冲击， 大大降低开发成本和缩 短开发周期 ， 满足新能源汽车的开发要求。 本文的主要研究 目的是针对 目前燃料电池汽 车开发状况 ， 介绍如何充分利用成熟 H P S技术开 发应用电动液压助力转向系统。针对某 款燃料电 池汽车 E H P S系统设计 ， 提出不同的系统控制设计 方案 ， 并进行 比较， 得 出一种较优 的设计方案 ， 为 燃料电池汽车转向系统开发设计提供范例。 1 燃料电池汽车 E H P S系统 1 ． 1 E H P S系统介绍 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 E H P S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 关等组成 。 图 1 E H P S系统结构简 图 E HP S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 E C U 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 E C U中储存的 上海汽车2 0 1 2 ． 0 2 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 ， 从而获得理想的 转向效果 。因为助力特性 曲线可以通过 E C U的软 件来调节， 所以该系统可以适合多种车型。 丁 籁 鎏 图 2 E H P S系统原理图 ． ． 一行驶速度 图3 体积流量的通用特性场 E H P S系统有如下特点 1 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； 2 节能， 高速时最多能节约 8 5 ％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 0 ． 2 L ／ 1 0 0 k m； 3 根据车型的不 同和转向工况的不同， 提供不 同的助力 ， 有舒适 的 转向路感 ， 提高车辆行驶稳定性 。 1 ． 2 燃料电池汽车 E H P S系统设计 燃料 电池汽 车由于取消 内燃发动机 ， 采用燃 料电池动力系统， 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， 在充分利用传统成 熟 H P S系统的基础上 ， 需增加能独立提供液压动 5 力的电动泵 ， 重新设计开发部分零部件及控制系 统 ， 满足整车开发设计要求 ， 图 4为燃料 电池汽车 E H P S 设计流程图。根据燃料电池汽车整车参数， 按 E H P S 系统设计流程进行系统匹配计算和设计， 确定转向操纵机构、 转向器及传动机构沿用燃料 电池汽车原型车平 台， 转 向器 阀特性 曲线根据 系 统匹配要求重新调整 ， 选择成熟 电动泵供应商产 品， 电动泵、 转 向储液罐和转向管路根据整车布置 变化 重新 布置设 计 ， 图 5为 某款 燃料 电池 汽车 E H P S系统布置图。转 向管路及控制系统 匹配设 计开发 ， 系统调试及标定 ， 实现 电动液压助力转 向 系统集成设计 。 整车参数输入 l - 电动泵、转向操纵和传动机构选型及开发 E H P S 系统布置设计 l 样件制作及试验 l I 。 装车及调试 l 系 统试 验及 道路 试验l 图4 燃料电池汽车 E H P S系统设计流程图 图5 某款燃料电池汽车 E I - I P S系统布置图 1 ． 3 燃料电池汽车 E I - I P S系统关键零部件 燃料电池汽车 E H P S 系统的转向操纵机构、 转 向器及传动机构、 转向储液罐一般都可沿用原液 6 压动力转向系统部件 ， 其 匹配开发 的关键零部件 主要为电动泵、 转 向管路和通讯 网关。这样可 以 大大降低开发成本， 缩短开发周期， 控制技术开发 风险。 1 ． 3 ． 1 电动 泵 电动泵是 电动液压助力转 向系统 的核心零部 件， 它的功能是在汽车运行的各种工况 中， 电子控 制单元 E C U 根据检测到 的转角、 车速等信号来 判断汽车的转向状态 ， 向驱动单元发出控制指令 ， 使电动机产生相应 的转速 以驱动泵 ， 进 而输 出相 应流量和压力， 产生转向所需的助力。在 E C U中， 还有安全保护措施和故障诊断功能 。当电动机电 流过大或温度过高 时， 系统将会 限制或者切 断电 动机 的电流 ， 避 免故障 的发 生； 当系统发生故 障 如蓄电池电压过低、 转角传感器失效等 时， 系统 仍然可以依靠机械转 向系统进行转 向操纵 ， 同时 显示并存储其故障代码 。 电动泵主要 由齿轮泵 或叶片泵 ， E C U， 低惯 量、 高功率的直流电机和油罐集成在一起 ， 图 6为 电动泵结构 。集 成的电动泵结 构紧凑 ， 质量变得 更轻 ， 安装的柔性也大大增强。 图 6电动泵结构简图 1 ． 3 ． 2转向 管路 转向管路是转向液在转向器、 转向储液罐和 电动泵之间传输的管道 ， 主要 由高压油管、 吸油管 和低压油管组成。其主要作用为传输由来 自电动 泵的转向液， 保证液体的流通， 并防止其泄露和被 腐蚀， 保证转向系统在整车各种工况下的正常运 行 。 转向管路的布置走向和固定要根据整车布置 设计 ， 管路中的硬管和橡胶软管 的长度匹配设计 上海汽车2 0 1 2 ． 0 2 要合理 ， 否则会影响 E H P S系统的助力响应性能和 噪声。 1 ． 3 ． 3通 讯 网关 通讯网关 E G T 是实现电动泵与整车控制信 息交互功能 的关键部件。它主要包括将发动机转 速、 车速和转 向盘转角信号发送给 E H P S电动泵 ， 在燃料 电池汽车中会根据燃料电池动力系统工作 状态产生虚拟发动机转速 ， 同时将 E H P S的工作状 态、 故障信息反馈给整车平台， 保证 E H P S系统安 全 、 稳定和可靠的运行。 2 燃料电池汽车E H P S系统控制设计 燃料 电池汽车 E HP S系统工作模式为当钥匙 处于 I G N档 ， 唤醒 E H P S ， 开始通讯 ； 当燃料 电池动 力系统 F C P S 启动成功 ， 则 E H P S电动泵运转， 为 转向机提供 助力 ， 正常工作。本节介绍某款燃料 电池汽车 E H P S系统 3种控制设计方案 ， 并进行对 比分析 ， 得出了最优 的燃料 电池 汽车电动液压 助 力转 向系统控制方案。 2 ． 1 E H P S系统控制方案 1 方案 1如 图 7所示 ， 该方案需要通讯 网关实 现将转角传感器提供的 2 5 0 k H z 转角信号转换成 5 0 0 k H z 的转角信号传输至整车C A N B u s 。车辆管 理系统提供的燃料电池动力 系统工作状态和防抱 死制动系统提供的车速信息也传输至整车 C A N B u s ， E H P S电动泵接收整车 C A N B u s 上的信息实 现信息互换。该方案 C A N网络负载较高 ， 将达到 3 0％ 。 2 ． 2 E HP S系统控制方案 2． 方案 2如图 8所示 ， 该方案需要两个通讯 网 关。一个通讯网关将转角传感器提供的 2 5 0 k H z 转角信号转换成 5 0 0 k H z的转角信号传输 至整车 C A N B u s 。车辆管理系统提供的燃料电池动力系 统工作状态和防抱死制动系统提供 的车速信息也 传输 至整 车 C A N B u s ， 通 过另 一 通讯 网关 实 现 E H P S电动泵与整车 C A N B u s 的信息互换。该方 案可适当降低 C A N网络负载， 约为2 5 ％。 2 ． 3 E l I P S系统控制方案 3 方案 3如图 9所示 ， 该方案 E H P S通讯 网关功 上海汽车2 0 1 2 ． 0 2 图7 E H P S控制架构方案 1 一 一 E H P S I E G T E H P S I4 攀EGT髓SAS l l f I l 转角l 『 0 ． l 麟 u 一 车辆管理 系统 V MS 5 0 0 k n z l i l l ●● 一 ● 一 燃料 电池动力 车速 系统工作状态 防抱死制 动系统 A a S 图8 E H P S控制架构方案2 能集成于高性能网关， 将转角传感器的转角信号、 防 抱死制动系统 的车速信号和车辆管理系统发送 的 燃料电池动力系统工作状态信息转发给 E H P S电动 泵， 实现 E H P S电动泵与整车 C A N B u s 的信息互 换。该方案的 C A N网络负载最低 ， 约为 1 5 ％。 图9 E H P S 控制架构方案 3 2 ． 4 E H P S系统控制方案比较 燃料电池汽车电动液压助力转向系统在设计 ， 7 开发过程中不仅 系统性能要满足整车开发要求 ， 而且要尽量降低开发成本和缩短开发周期 。各控 制方案对整车 C A N B u s网络负载不一样 ， 网络负 载不仅影响系统信号通讯 ， 制约系统响应性能， 而 且会对整车通讯控制和传输造成影 响。因此系统 控制设计要 尽量 降低 C A N网络负载 ， 提 高可靠 性 。表 1为各控制方案根据 C A N B u s网络负载 、 开发成本和周期的分析与 比较 ， 由于方案 3 E HP S 通讯网关功能是集成于高性能网关， 对整车 C A N B u s 网络负载最低 ， 仅 为 1 5 ％。开发周期可 以与 H G T开发同步 ， 成本最低 。通过综合分析 ， 方案 3 是燃料电池汽车电动液压助力转 向系统最优化的 控制设计方案。某款燃料电池汽车电动液压助力 转向系统已采用该控制方案 ， 并 已通过各 种系统 和道路试验 ， 成功应用 于燃 料电池汽车的示 范运 行。 表 1 E HP S系统控制方案对比分析 内容 方案 1 方案 2 方案 3 C A N B u s 网络负载／ ％ 3 0 2 5 1 5 开发成本 较低 大 最低 开发周期 较短 长 最短 3 结论 本文对燃料电池汽车电动液压助力转向系统 设计进行了介绍， 并对系统各种控制设计方案进 行分析与 比较 ， 可以得 出以下结论 1 电动液压助力转向系统可以充分利用传 统的液压动力转 向系统技术 ， 沿用较多成熟的液 压转向系统零部件 ， 不仅可以实现节能， 提高转 向 性能 ， 而且 可以大大降低 开发成本、 缩短开发 周 期 ， 控制技术开发风险， 是 目前燃料 电池汽车研发 过程应用最广泛的转向系统。 2 文中较全面地介 绍了燃料 电池汽车 电动 液压助力转向系统设计及各种控制方案， 并对影 响系统和整车性能的 C A N B u s网络负载、 开发成 本 和周期进行 了分析与比较 ， 得 出了最优的系统 8 控制架构方案 ， 为燃料电池汽车电动液压助力 转 向系统控制设计方案提供了一定的参考依据 。 3 文中介绍的设计方案 已应用于某款示 范 运行开发的燃料 电池汽 车中， 转向各项性能满足 整车开发要求， 对燃料电池汽车技术研发具有非 常重要的意义。 4 E HP S技术是传统转 向技术 向未来动力转 向技术发展 的过渡技术 ， 具有 节能和改善操 纵性 能的双重优点 ， 技术较成熟 ， 特别适合轴荷重 、 助 力性能要求高 的新能源汽车 ， 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。 参考文献 [ 1 ] 陈全世， 仇斌， 谢起成 等． 燃料电池电动汽车[ M] ． 北 京 清华大学出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 苗立东， 何仁， 徐建平 等． 汽车电动转向技术发展综述 [ J ] ． 长安大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 4 1 ． [ 3 ] J A M E S E ． F o r b e s ， S T E V E N M． B a i r d ． T h o s m W．We i s g e r b e r El e c t r o h y d r anl i c P o we r S t e e r i n g An Ad v a n c e d S y s t e m f o r Un i q u e A p p l i c a t i o n s [ J ] ， S A E P a p e r 8 7 0 5 7 4 ． [ 4 ] 耿国庆， 苗立东， 李强．电动液压助力转向系统设计方 法[ J ] ．农机化研 究 ， 2 0 0 6 6 ． [ 5 ] 陈家瑞．汽车构造[ M] ．北京 人民交通出版社， 2 0 0 6 ． [ 6 ] 康展权． 汽车工程手册 设计篇 [ M] ． 北京 人民交通 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 7 ] 徐灏． 机械设计手册 第 5 卷 [ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 3 ． 上海汽车2 0 1 2 ． 0 2