Styresystemer for elektriske kjøretøy, som et nøkkelsystem for elektriske kjøretøy, skiller seg betydelig fra styringssystemer for drivstoff-drevne kjøretøy. De er hovedsakelig delt inn i tre kategorier: elektrisk servostyring (EPS), elektro-hydraulisk servostyring (EHPS) og styring-by-wire (SBW). Hver type har distinkte arbeidsprinsipper, fordeler, ulemper og bruksområde. Denne artikkelen utdyper sammensetningen og arbeidsprinsippene til disse tre styresystemene for elektriske kjøretøy.
I. Elektrisk servostyring (EPS)
EPSer det mest brukte styresystemet i elektriske kjøretøy for tiden. Den bruker en elektrisk motor for å gi styrehjelp, og erstatter den tradisjonelle hydrauliske servostyringen (HPS).
1. Sammensetning av EPS
EPS består hovedsakelig av følgende komponenter:
(1) Momentsensor: Registrerer dreiemomentet og retningen til rattrotasjonen (sjåførens intensjon).
(2) Styrevinkelsensor: Overvåker rattvinkelen (integrert i dreiemomentsensoren i noen systemer).
(3) Kjøretøyets hastighetssensor: Gir kjøretøyets hastighetssignaler (for dynamisk justering av nivået på styreassistanse).
(4) Elektronisk kontrollenhet (ECU): Behandler sensordata i sanntid og beregner nødvendig styrehjelp.
(5) Power-hjelpemotor: Vanligvis en børsteløs likestrømsmotor (BLDC), som overfører dreiemoment til rattstammen eller tannstangen gjennom en reduksjonsmekanisme (f.eks. snekkegir).
(6) Reduksjonsmekanisme: Forsterker motormomentet for å drive styresystemet.
2. Arbeidsprinsipp for EPS
(1) Oppdag førerens intensjon Når sjåføren dreier rattet, måler dreiemomentsensoren vridningsmomentet til styreakselen, og styrevinkelsensoren registrerer styrevinkelen, begge sender signaler til ECU. Kjøretøyets hastighetssignaler legges inn synkront (f.eks. kreves mer assistanse for å forbedre stabiliteten ved høye hastigheter, og mer assistanse kreves).
(2) ECU beregner assistansebehov ECU-en beregner målassistanse basert på dreiemoment, kjøretøyhastighet og jevn kjøretøystatus (f.eks. tiltvinkel i noen high-modeller), og sender ut et PWM-signal for å kontrollere motoren. Algoritmeeksempler:
Parkering med lav-hastighet: Den kraftfulle-hjelpemotoren gir høyt dreiemoment (for enkel styring).
Høy-kjøring: Assistansen reduseres (for å forbedre veifølelsen og unngå over-følsomhet).
(3) Motoren utfører styreassistanse Motoren overfører kraft til rattstammen gjennom en reduksjonsmekanisme (f.eks. snekkegir, belte) eller driver tannstangen direkte (strukturelle forskjeller finnes mellom ulike EPS-typer, se nedenfor). Motorassistansens retning er i samsvar med førerens styreretning (bedømt ut fra polariteten til momentsensoren).
(4) Tilbakemelding og korreksjon Systemet overvåker kontinuerlig rattmomentet og den faktiske styrevinkelen, og justerer dynamisk motorytelsen for å oppnå lukket-sløyfekontroll og unngå over-hjelp eller etterslep.
3. Klassifisering og anvendelsesomfang for EPS
Basert på de forskjellige installasjonsposisjonene til motoren, kan EPS deles inn i følgende typer:
| Type | Motorposisjon | Gjeldende kjøretøymodeller | Funksjoner |
|---|---|---|---|
| C-EPS (kolonne-type EPS) | Montert på rattstammen | Kompakte biler, mikrobiler | Enkel struktur, lav kostnad, men lav assistanseutgang |
| P-EPS (Pinion-type EPS) | Montert på styredrevet | Kompakte/mellomstore biler | Moderat hjelp, godt-balansert ytelse |
| R-EPS (Rack-type EPS) | Driver styrestangen direkte | Store og mellomstore-biler, SUV-er | Høy assistanseeffekt, rask respons, egnet for tunge-lastekjøretøyer |
| DP-EPS (Dual-Pinion EPS) | To motorer driver henholdsvis tannhjulet og tannstangen | Høye-biler, luksusbiler | Mer presis styring, bedre dynamisk respons |
4. Fordeler og ulemper med EPS
Fordeler
(1) Høy energieffektivitet, rekkevidde-vennlig: Drives direkte av en elektrisk motor, EPS krever ingen hydraulisk pumpe og har ekstremt lavt energitap (tradisjonell HPS bruker kontinuerlig motorkraft). For elektriske kjøretøy kan den sparede energien indirekte øke rekkevidden (omtrent 3%-5% energieffektiviseringsoptimalisering).
(2) Fleksibelt justerbar styringsassistanse: Assistansenivået kan justeres dynamisk via programvare for å tilpasse seg ulike scenarier (f.eks. lett styring ved lave hastigheter, stabil styring i høye hastigheter), og den støtter til og med personlig tilpassede kjøremoduser (sport/komfort).
(3) Enkel struktur, lave vedlikeholdskostnader: Eliminerer hydraulikkolje, pumper, rørledninger og andre komponenter, og reduserer risikoen for oljelekkasje og behovet for etterfølgende vedlikehold.
(4) Sterk miljøtilpasningsevne: Upåvirket av ekstreme temperaturer (hydraulikkolje tykner ved lave temperaturer i hydrauliske systemer, noe som fører til styreforsinkelse).
(5) Støtte for Advanced Driver Assistance Systems (ADAS): Kompatibel med ADAS-funksjoner som kjørefelt og automatisk parkering.
Ulemper
(1) Svak tilbakemelding på veifølelsen: Den simulerte veifølelsen til elektrisk assistanse er mindre naturlig enn for hydrauliske systemer.
(2) Avhengighet av påliteligheten til det elektroniske kontrollsystemet: Feil på motoren, sensorene eller kontrollprogramvaren kan forårsake plutselig tap av assistanse (selv om redundansdesign er på plass, eksisterer det fortsatt risiko).
(3) Utilstrekkelig assistanse under scenarier med høy-belastning: Motorer med høy-effekt er kostbare, og noen lav-prismodeller kan ha utilstrekkelig hjelp under ekstreme arbeidsforhold (f.eks. styring mens de står stille).
II. Elektro-hydraulisk servostyring (EHPS)
På grunn av den tunge belastningen av elektriske lastebiler og behovet for sterkere styreassistanse, tar noen modeller i bruk elektro-hydraulisk servostyring (EHPS), som introduserer elektronisk kontrollteknologi på grunnlag av tradisjonell hydraulisk servostyring (HPS) for å forbedre energieffektiviteten og kontrollerbarheten.
1. Sammensetning av EHPS
EHPS-systemet består hovedsakelig av følgende komponenter:
(1) Elektro-hydraulisk pumpe (erstatter den tradisjonelle motor-drevne hydraulikkpumpen) Drevet av en elektrisk motor og fungerer uavhengig av motoren, er den egnet for elektriske kjøretøy. Den bruker vanligvis en børsteløs DC-motor (BLDC) eller Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) for å forbedre energieffektiviteten.
(2) Hydraulisk kraft-hjelpemekanisme (stang og tannhjul eller resirkulerende kulestyring) Ligner på HPS, men det hydrauliske trykket justeres nøyaktig av det elektroniske kontrollsystemet.
(3) Elektronisk kontrollenhet (ECU) Justerer rotasjonshastigheten og trykket til den elektro-hydrauliske pumpen i henhold til signaler som kjøretøyets hastighet og styremoment.
(4) Hydraulikkreservoar, hydrauliske rørledninger, styreventil Samme som tradisjonell HPS, ansvarlig for lagring og strømningskontroll av hydraulikkolje.
2. Arbeidsprinsipp for EHPS
(1) Signalsamling Når sjåføren dreier rattet, registrerer rattets dreiemomentsensor førerens styringsintensjon (størrelsen og retningen på styrekraften). Kjøretøyets hastighetssensor gir gjeldende kjøretøyhastighetsinformasjon (mer assistanse ved lave hastigheter, mindre assistanse ved høye hastigheter).
(2) ECU beregner nødvendig assistanse Basert på data som dreiemoment, kjøretøyhastighet og styrevinkel, beregner ECU det passende hydrauliske trykkbehovet og kontrollerer rotasjonshastigheten til den elektro-hydrauliske pumpen.
Lave hastigheter (f.eks. parkering): Motoren går med høy hastighet for å gi en stor flyt av hydraulikkolje for uanstrengt styring.
Høye hastigheter: Motoren bremser ned for å redusere assistanse, forbedre "stabiliteten" på rattet og forbedre kjørestabiliteten.
(3) Elektro-hydraulisk pumpe gir trykkMotoren driver hydraulikkpumpen, som setter hydraulikkoljen under trykk og leverer den til styreventilen. I henhold til retningen på rattmomentet, fører kontrollventilen hydraulikkoljen inn i det tilsvarende kammeret i den hydrauliske sylinderen, og skyver stativet eller styreleddet for å oppnå styringshjelp.
Lav hastighet/tung last: Øk det hydrauliske trykket for å forbedre assistanse for enklere styring.
Høy hastighet/uten belastning: Reduser hydraulikktrykket for å redusere assistanse og forbedre kjørestabiliteten.
(4) Hydraulikkoljesirkulasjon Etter at assistansen er fullført, strømmer hydraulikkoljen tilbake til reservoaret for å danne en lukket-sløyfesirkulasjon.
3. Fordeler og ulemper med EHPS
Fordeler
(1) Høyt-momentassistanse: Egnet for tunge-elektriske lastebiler og nyttekjøretøyer, og gir sterkere styrekraft enn EPS.
(2) Høy pålitelighet: Det modne hydrauliske systemet fungerer stabilt under ekstreme arbeidsforhold (f.eks. lav temperatur, høy belastning).
(3) Moderat kostnad: Mer økonomisk enn EPS (utstyrt med høy-motor + reduksjonsmekanisme) og mer-energieffektiv enn tradisjonell HPS.
Ulemper
(1) Relativt høyt energiforbruk: Den elektro-hydrauliske pumpen går kontinuerlig og bruker mer strøm enn EPS (men mer energi-effektiv enn tradisjonell HPS).
(2) Kompleks struktur: Krever hydrauliske rørledninger, reservoarer og andre komponenter, med litt mer plagsomt vedlikehold enn EPS.
(3) Litt langsom respons: Den dynamiske justeringshastigheten til det hydrauliske systemet er litt lavere enn for EPS.
III. Styr-By-wire (SBW)
Steer-By-Wire (SBW)er den fremtidige utviklingsretningen for styresystemer. Den eliminerer fullstendig den mekaniske forbindelsen mellom rattet og hjulene, og er helt avhengig av elektriske signaler for å kontrollere styringen.
1. Sammensetning av SBW
SBW-systemet består hovedsakelig av følgende komponenter:
(1) Rattmodul Ansvarlig for å oppdage førerens styreintensjon og simulere tilbakemelding på veifølelse, inkludert: rattmoment/vinkelsensor, motor for tilbakemelding av veifølelse og elektronisk styreenhet på rattet.
(2) Styreutførelsesmodul Ansvarlig for å drive hjulstyringen, erstatte den tradisjonelle rattstammen og tannstangmekanismen, inkludert: styreutførelsesmotor, styrevinkelsensor og reduksjonsmekanisme (f.eks. kuleskrue eller girsett).
(3) Elektronisk kontrollenhet (ECU) "Hjernen" til SBW, ansvarlig for signalbehandling og systemkoordinering, inkludert: hoved-ECU og redundant ECU.
(4) Redundant sikkerhetssystem For å sikre sikkerheten må SBW være utstyrt med flere sikkerhetskopier, inkludert: dobbel-strømforsyning, doble kommunikasjonskanaler og mekanisk nødbackup.
2. Arbeidsprinsipp for SBW
(1) Signaloppsamling (rattmodul)
Dreiemoment/vinkelsensor: Registrerer kraften og vinkelen til førerens rattrotasjon og konverterer dem til elektriske signaler.
Signaler som kjøretøyets hastighet og girhastighet: Få kjøretøystatus (f.eks. ESP, ABS-data) gjennom CAN-bussen for å beregne optimal styrerespons.
(2) Elektronisk kontroll (ECU-beslutnings-taking)
Hoved-ECU: Beregner målstyrevinkelen (justerer dynamisk styreforholdet kombinert med kjøretøyets hastighet, kjøremodus osv.) og intensiteten av tilbakemeldinger om veifølelse (simulerer samspillkraften mellom dekk og veibanen) basert på sensorsignaler.
Redundant ECU: Overvåker hovedsystemet i sanntid og tar umiddelbart over eller aktiverer nødmodusen når en feil oppdages (f.eks. signaltap, motoravvik).
(3) Styreutførelse (hjulsdrift) Styreutførelsesmotoren (vanligvis en børsteløs motor med høyt-moment) driver stativet eller styreknoken direkte for å skyve hjulene for å dreie. Posisjonssensoren mater tilbake den faktiske styrevinkelen til hjulene i sanntid for å oppnå lukket-sløyfekontroll og sikre nøyaktig utførelse av ECU-instruksjonene.
(4) Simulering av veifølelse (tilbakemelding på ratt) Motoren for tilbakemelding av veifølelse bruker programmerbar motstand på rattet for å simulere den mekaniske veifølelsen til tradisjonelle styresystemer (f.eks. ujevnheter, endringer i dekkgrep).
3. Fordeler og ulemper med SBW
Fordeler
(1) Ingen mekanisk tilkobling: Forbedrer fleksibiliteten til chassisoppsettet og øker innvendig plass.
(2) Variabelt styreforhold: Rattets rotasjonsvinkel og hjulstyringsvinkel kan justeres fritt (f.eks. mer følsomt ratt ved lave hastigheter, mer stabilt ved høye hastigheter).
(3) Perfekt tilpasset autonom kjøring: Styringen kan styres fullt ut av en datamaskin uten sjåførinnblanding.
(4) Sikrere kollisjonsbeskyttelse: Ingen rattstamme, som ikke vil trenge inn i førerrommet ved en kollisjon.
Ulemper
(1) Høye kostnader: Krever høy-pålitelige elektroniske komponenter og redundante systemer.
(2) Reguleringsbegrensninger: For øyeblikket krever enkelte land oppbevaring av delvis mekanisk sikkerhetskopi (f.eks. beholder Toyotas SBW-system fortsatt en clutch-nødforbindelse).
(3) Forbrukeraksept: Noen brukere er i tvil om styremetoden "ingen mekanisk tilkobling".
IV. Sammendrag
Denne artikkelen introduserer tre forskjellige typer styresystemer for elektriske kjøretøy og deres arbeidsprinsipper. På grunn av den tunge styrebelastningen til elektriske lastebiler, er EHPS (elektro-hydraulisk servostyring) fortsatt hovedløsningen for tiden, som oppnår en god balanse mellom assistanseintensitet, pålitelighet og kostnad. Med utviklingen av høy-EPS-teknologi kan imidlertid enkelte elektriske lastebiler bytte til EPS eller hybridstyringssystemer i fremtiden. For tiden er EPS fortsatt den mest kostnadseffektive-løsningen og er mye brukt. Fremtiden for styresystemer for elektriske kjøretøy vil utvikle seg fra EPS (Electric Power Steering) til SBW (Steer-By-Wire), og SBW vil bli mainstream med sin høyere fleksibilitet og kompatibilitet med autonom kjøring.