電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化研究

夏雨　張涌　吳海嘯　姜朋昌

摘要：針對某型純電動商用汽車的EHPS，在傳統(tǒng)常流式EHPS基礎(chǔ)上提出一種新型的常壓式EHPS系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在傳統(tǒng)常流式 EHPS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝了蓄能器和電磁閥等結(jié)構(gòu)，取代了電機(jī)和液壓泵的持續(xù)工作狀態(tài)，使系統(tǒng)既能滿足轉(zhuǎn)向助力的需求，又能減輕能量的耗損，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化。根據(jù)系統(tǒng)性能對其關(guān)鍵部件進(jìn)行合理的選型和計算;基于助力需求選擇合適的助力特性曲線形式，并在 MATLAB 曲線擬合工具箱中進(jìn)行基于車速系數(shù)的助力特性的曲線擬合;根據(jù)助力特性確立系統(tǒng)控制的方法;在MATLAB/simulink 軟件中對常壓式EHPS進(jìn)行建模，對系統(tǒng)的助力響應(yīng)、控制性能和助力跟隨性進(jìn)行仿真分析，并對能耗進(jìn)行計算。仿真得到的結(jié)果表明，這種常壓式 EHPS 能夠達(dá)到轉(zhuǎn)向助力性和節(jié)能性的雙重要求。

關(guān)鍵詞：常壓式 EHPS;助力特性;建模與仿真

中圖分類號：U463.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8023（2019）03-0093-07

Study on Energy Saving Optimization of Electric Hydraulic

Power Steering System

XIA Yu， ZHANG Yong*， WU Haixiao， JIANG Pengchang

（College of Automobile and Traffic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037）

Abstract：For EHPS of a pure electric commercial vehicle， a constant pressure type EHPS has been proposed based on the constant flow type EHPS. This system has been installed an accumulator and solenoid valve on the basis of the traditional constant flow type EHPS， which replaces the continuous working state of the motor and hydraulic pump. This system can not only meet the needs of steering power， but also reduce energy consumption and realize energy-saving optimization of the system. According to the system performance， the key components have been selected and calculated reasonably; choose the appropriate assist characteristic curve form based on the assist demand， and perform curve fitting of assist characteristic based on the vehicle speed coefficient in MATLAB curve fitting toolbox; the method of system control has been established according to the assist characteristic; the constant pressure type EHPS has been modeled in MATLAB/simulink software， and the systems assist response， control performance and power-following performance have been simulated and analyzed， and the energy consumption has also been calculated. The simulation results show that the constant pressure type EHPS can meet the dual requirements of steering assist and energy saving.

Keywords：Constant pressure type EHPS; assist characteristic; modeling and simulation

0引言

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對車輛的性能影響十分顯著，對該系統(tǒng)的研究和改進(jìn)會提高系統(tǒng)的整體性能。助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已有多種發(fā)展較好的類型，從前汽車上較多采用的是機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering System，HPS）。隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering System，EPS）和電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Hydraulic Power Steering System，EHPS）技術(shù)也迅速興起，在現(xiàn)在許多新能源的純電動商用車上都能夠加以應(yīng)用。EHPS 保留了 HPS 工作的平順性和較大的轉(zhuǎn)向助力，同時兼顧了 EPS 的轉(zhuǎn)向輕便性，在中、重型車輛上的應(yīng)用前景較為樂觀。本文對EHPS 系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化研究，使優(yōu)化后的常壓式 EHPS 系統(tǒng)既能滿足轉(zhuǎn)向助力的要求，又能在一定工況下降低系統(tǒng)的功耗損失，完成節(jié)能減排的技術(shù)革新，使EHPS 在新能源汽車尤其是純電動商用車上有比較良好的發(fā)展前途。

1常壓式EHPS相關(guān)部件的選型

由于傳統(tǒng)常流式EHPS能耗量是相當(dāng)大的，本文對該型電動車的EHPS系統(tǒng)進(jìn)行改造，在常流式EHPS的基礎(chǔ)上，增加關(guān)鍵零部件：蓄能器、電磁閥和蓄能器內(nèi)壓力傳感器[1-3]。通過優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其能耗降低，力求適應(yīng)當(dāng)下發(fā)展的大環(huán)境。

1.1蓄能器的選型

考慮到液壓蓄能器在車輛上的安裝并綜合考慮蓄能器的使用壓力、有效容積和響應(yīng)時間等因素[4-5]，本文選氣囊式的蓄能器。對蓄能器的參數(shù)加以計算，選定高壓蓄能器工作壓力的最大值為10 MPa，根據(jù)國標(biāo)，選擇無錫穆格流體控制有限公司的型號為NXQ-A-2.5/10-L-Y的蓄能器，其工作壓力為10 MPa，公稱容積為25 L。

1.2蓄能器內(nèi)壓力傳感器的選取

蓄能器內(nèi)壓力傳感器能檢測到的最大的壓力值應(yīng)該大于蓄能器的標(biāo)稱壓10 MPa，同時還要兼顧工作環(huán)境溫度和輸出信號等因素，選擇上海余洋傳感科技有限公司的以電壓信號為輸出信號的壓力傳感器。

1.3電磁閥的選型計算

根據(jù)系統(tǒng)性能，常壓式EHPS系統(tǒng)需要對轉(zhuǎn)向助力的大小進(jìn)行實(shí)時的控制，比例流量閥是最適合的控制閥，ECU可以通過改變比例閥的控制電流來改變比例閥的開度，從而對流過電磁閥的油液流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文采用一款常閉的比例流量閥[6-7]，閥的型號為BFW-2B-2B-17，該閥來自于無錫溫納自動化有限公司。

1.4液壓泵的選型計算

參照實(shí)驗(yàn)車上原有的轉(zhuǎn)向泵的類型，選擇特性良好的、目前使用最為廣泛的葉片泵作為本系統(tǒng)的動力泵。經(jīng)過調(diào)研分析，液壓泵的工作壓力在10 MPa即可滿足該型電動車的轉(zhuǎn)向需要。根據(jù)能量守恒定律：

η·P=p×Q。（1）

式中：η為助力效率;P為電機(jī)功率;p為目標(biāo)助力油壓;Q為目標(biāo)液壓泵流量。

可以計算得到目標(biāo)液壓泵的流量Q=2.025 L/min，因此液壓泵選型需滿足 2.025 L/min的流量需求。

1.5電動機(jī)的選型計算

根據(jù)液壓泵匹配電機(jī)，為了滿足低噪聲、易控制、高性能的要求，本課題選用無刷直流電動機(jī)。市場上的無刷直流電動機(jī)的供電電壓一般為24 V或48 V，最大功率在400～600 W之間，符合本系統(tǒng)的要求。本文選用無刷直流電動機(jī)，選擇額定電壓12 V，額定轉(zhuǎn)速1 250 r/min，額定功率為500 W。

1.6其他傳感器選型

除了蓄能器壓力傳感器之外，系統(tǒng)還需要車速傳感器和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器等，在對這些傳感器進(jìn)行選型時，考慮了這些傳感器在汽車上的使用環(huán)境和參數(shù)等因素，選用適合系統(tǒng)的傳感器。

2常壓式 EHPS 系統(tǒng)的助力特性

常壓式 EHPS助力需求與常流式 EHPS 的助力需求有所不同，對電機(jī)只需要簡單的啟?？刂?，助力特性主要是針對比例電磁閥而言的，控制電磁閥的電流就可以對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向助力進(jìn)行控制[8]。

2.1系統(tǒng)助力特性曲線的確定

助力特性曲線決定了汽車轉(zhuǎn)向時的助力特性，設(shè)計良好的助力特性曲線對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著重要的影響[9]，基于方便性的原則，采用直線型的助力特性曲線，根據(jù)對EHPS系統(tǒng)助力特性的要求，得到圖1的直線型助力特性曲線。

在相同的車速運(yùn)行下，轉(zhuǎn)向盤角速度的增加要求電磁閥的工作電流也隨之增大，以此提供對應(yīng)工況下的助力轉(zhuǎn)矩，確保良好的轉(zhuǎn)向助力;當(dāng)車速為 0 時，助力特性曲線的斜率應(yīng)該比其它車速下的曲線斜率大，以確保提供最大的轉(zhuǎn)向力。在轉(zhuǎn)向盤角速度一定的情況下，隨著車速越來越大，電磁閥控制電流是慢慢減小的，助力曲線的斜率也是減小的，當(dāng)車速達(dá)到一定值時，助力特性曲線的斜率最小。

EHPS 系統(tǒng)進(jìn)入到了助力飽和區(qū)，電磁閥的工作電流達(dá)到最大額定電流后不再繼續(xù)增加。

2.2助力特性曲線的擬合

車在不同的行駛工況下，不同的車速和方向盤轉(zhuǎn)向角速度與電磁閥控制電流大小之間的對應(yīng)關(guān)系是進(jìn)行 EHPS 系統(tǒng)助力特性曲線擬合的關(guān)鍵[10]。根據(jù)直線型助力線型的表達(dá)式和系統(tǒng)要求，設(shè)定方向盤角速度ω1=60°/s，ω2=60°/s。

在對轉(zhuǎn)向阻力矩進(jìn)行了動力學(xué)研究之后，通過對機(jī)械模塊與液壓模塊的傳遞函數(shù)和模型的建立，可以得到不同車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速下對應(yīng)汽車行駛工況的轉(zhuǎn)向阻力矩和相應(yīng)的電磁閥控制電流的值。通過車速和方向盤轉(zhuǎn)速控制電磁閥的電流值，可以通過公式（2）進(jìn)行表述：

I（v，ω）=k（v）·ω。（2）

式中：I為電磁閥電流;k為速度的負(fù)相關(guān)系數(shù);ω為轉(zhuǎn)向盤角速度。

由于k是速度的負(fù)相關(guān)系數(shù)，則用k（ν）表示由速度決定的車速系數(shù)的表達(dá)式，由計算得出不同車速下的助力特性車速系數(shù)，見表1。

根據(jù)不同車速對應(yīng)的車速系數(shù)，MATLAB 中通過曲線擬合工具箱Curve FittingTool（cftool）采用公式進(jìn)行三次多項(xiàng)式的擬合。車速系數(shù)的擬合結(jié)果如圖2所示。

擬合結(jié)果的曲線趨勢可以正確反映助力需求與車速的對應(yīng)關(guān)系。依據(jù)車速系數(shù)的擬合結(jié)果，再在MATLAB中通過曲面擬合工具箱 Surface Fitting Tool（sftool）擬合得到助力特性曲線的 MAP 圖，如圖 3所示。

該擬合的 MAP 圖曲線能夠得到與本文分析的理想助力特性曲線的特點(diǎn)一樣的結(jié)論，證明本文確立的助力特性曲線適用于本系統(tǒng)。

2.3常壓式 EHPS 系統(tǒng)控制策略

根據(jù)對助力特性曲線的描述和選取，系統(tǒng)的控制應(yīng)該從電機(jī)和比例電磁閥兩方面入手，即需要在蓄能器內(nèi)壓力不足的時候啟動電機(jī)補(bǔ)充液壓油，當(dāng)達(dá)到一定壓力時停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn);在需要轉(zhuǎn)向助力時，根據(jù)助力特性曲線確定適宜當(dāng)前工況的轉(zhuǎn)向助力，從而確定對應(yīng)的控制電磁閥的電流值。根據(jù)系統(tǒng)這一特點(diǎn)，確立 EHPS 系統(tǒng)的控制策略框圖如圖4所示。

對系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行分析，確定了電機(jī)的控制方式為簡單的啟停控制，基于不同車速和轉(zhuǎn)向盤角速度對應(yīng)不同的電磁閥的控制電流，確定了電磁閥的控制方式為閉環(huán)控制[11]。

3常壓式 EHPS 系統(tǒng)仿真結(jié)果及能耗分析

對常壓式EHPS 進(jìn)行建模，確定MATLAB/simulink 軟件各自的建模任務(wù)，對系統(tǒng)的助力響應(yīng)、助力跟隨性和控制性能進(jìn)行了仿真分析，并對能耗進(jìn)行計算。

3.1助力階躍響應(yīng)仿真分析

汽車的瞬態(tài)響應(yīng)性能是否良好對車輛在轉(zhuǎn)向時的穩(wěn)定性與舒適性有著很大的影響，為了檢驗(yàn)系統(tǒng)是否具有良好的操縱穩(wěn)定性，本節(jié)對轉(zhuǎn)向助力進(jìn)行階躍仿真。設(shè)定方向盤轉(zhuǎn)角穩(wěn)定后為 30°，分別對這一角階躍輸入下車速為 40、60 km/h時的助力響應(yīng)情況進(jìn)行仿真，以各自對應(yīng)車速恒定駕駛，開始計時 1s 后快速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，使轉(zhuǎn)向盤達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)角，方向盤的角階躍輸入信號如圖5所示。

在這一角階躍輸入信號下，圖6和圖7分別為對應(yīng)的電磁閥的電流響應(yīng)情況。

由此可以總結(jié)出這樣一個結(jié)論，轉(zhuǎn)向盤突然轉(zhuǎn)動并保持一定角度不變，電磁閥能夠快速對這一動作做出響應(yīng)，當(dāng)汽車行駛速度較低時，電磁閥從開始響應(yīng)到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所用的時間略短，不同車速下電磁閥響應(yīng)的電流大小也有所差別，能夠隨著車速而改變，且汽車行駛工況穩(wěn)定時，轉(zhuǎn)向助力也比較平滑，不會產(chǎn)生太大的波動，使駕駛員駕駛車輛時能夠更加舒適，以便獲得良好的對路面的感知。

3.2助力跟隨性仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)的模型，分別檢驗(yàn) EHPS 的助力跟隨性與方向盤轉(zhuǎn)速和車速的變化關(guān)系。

3.2.1EHPS 系統(tǒng)的助力跟隨性與轉(zhuǎn)向盤角速度

圖8為當(dāng)汽車行駛速度為 20 km/h 時，液壓系統(tǒng)提供的液壓助力矩和方向盤力矩隨著轉(zhuǎn)向盤角速度的增大的變化關(guān)系曲線。

從圖8的曲線能夠看到，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤的角速度小于 60°/s時，由于此時轉(zhuǎn)向盤角速度較小，汽車行駛受到的轉(zhuǎn)向阻力較小，助力系統(tǒng)不提供動力，司機(jī)靠作用在轉(zhuǎn)向盤上較小的力矩就能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作;當(dāng)轉(zhuǎn)向盤的角速度大于等于 60°/s小于 540°/s并逐漸增大的過程中，轉(zhuǎn)向阻力越來越大，方向盤力矩也越來越大，這時 EHPS 要供給一定的液壓助力來協(xié)助司機(jī)完成轉(zhuǎn)向動作，以確保轉(zhuǎn)向操作的輕便性;當(dāng)轉(zhuǎn)向盤角速度大于 540°/s 時，系統(tǒng)提供的助力值達(dá)到最大，且不超過原地轉(zhuǎn)向時需要提供最大的助力轉(zhuǎn)向值，此時轉(zhuǎn)向盤力矩也達(dá)到一個穩(wěn)定值。該仿真結(jié)果表明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力需求與方向盤轉(zhuǎn)速之間的跟隨性良好。

3.2.2EHPS 系統(tǒng)的助力跟隨性與車速

圖9為當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速一定時，伴隨行駛速度的提高，系統(tǒng)的液壓助力力矩與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)情況曲線。

從圖9中能夠看出，當(dāng)方向盤角速度一定時，液壓助力力矩和方向盤力矩隨著車速的增大呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。當(dāng)車速為 0 km/h 時，此時轉(zhuǎn)向阻力矩最大，轉(zhuǎn)向較為沉重，轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩此時最大，仿真結(jié)果約為 52 Nm ，與實(shí)車試驗(yàn)時55 Nm比較符合。由于此時轉(zhuǎn)向沉重，液壓系統(tǒng)需要提供最大的液壓助力，以保證轉(zhuǎn)向的輕便性;隨著車輛行駛速度的逐漸增大，汽車的回正力矩是越來越小的，轉(zhuǎn)向阻力矩作用在方向盤上的力也逐漸減小，此時需要的液壓助力減小;當(dāng)速度逐漸增大到 80 km/h時，系統(tǒng)提供的液壓助力達(dá)到一個比較小的水平，并幾乎趨于穩(wěn)定;當(dāng)大于 80 km/h 時，液壓系統(tǒng)幾乎不再提供轉(zhuǎn)向助力，使駕駛員有一個比較好的轉(zhuǎn)向路感，不至于因?yàn)榉较虮P發(fā)飄而發(fā)生交通事故，保證行車的安全。該仿真結(jié)果表明，常壓式 EHPS 的助力跟隨性與車速之間的響應(yīng)關(guān)系較好，符合系統(tǒng)的助力需求。

3.3控制系統(tǒng)仿真分析

為了驗(yàn)證助力特性曲線的合理性以及控制策略的可行性，分別對轉(zhuǎn)向盤角速度和車速影響下的電磁閥電流的實(shí)測值與跟進(jìn)助力特性曲線設(shè)置的目標(biāo)值進(jìn)行比較。

3.3.1電磁閥電流與轉(zhuǎn)向盤角速度

圖10和圖11分別給出了車速為10 km/h 和 60 km/h 時，方向盤的角速度與電磁閥電流的關(guān)系曲線圖。

通過這兩個圖可以看出，雖然實(shí)際控制值與目標(biāo)值之間存在一定的偏差，但整體差別不大，波動范圍還比較合理，基本能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)助力曲線的要求。因此，在誤差允許的范圍內(nèi)，電磁閥的電流值能夠隨轉(zhuǎn)向盤角速度的增大而升高，可以實(shí)現(xiàn)助力的實(shí)時調(diào)節(jié)。

3.3.2電磁閥電流與車速

本節(jié)對在一定的轉(zhuǎn)向盤角速度下，車速的變化對應(yīng)的比例閥的電流變化關(guān)系進(jìn)行了仿真研究，并與助力曲線的目標(biāo)值進(jìn)行對比，如圖12所示。

從圖12中曲線可以看出，電磁閥的控制值與目標(biāo)值的趨勢很吻合，都是隨著車速的增大電流值逐漸減小。實(shí)際控制的電磁閥電流值與根據(jù)助力特性曲線設(shè)置的目標(biāo)電流值在誤差允許的范圍內(nèi)基本吻合。比例閥電流隨車速的變化具有良好的響應(yīng)性。

3.4能耗分析

3.4.1非轉(zhuǎn)向工況時的能耗分析

在常流式 EHPS 系統(tǒng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不工作的時候，為了保持良好的助力響應(yīng)性，以便在汽車突然進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時能迅速為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)向助力，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電機(jī)需要保持一個怠速狀態(tài)，以一個較低轉(zhuǎn)速持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，汽車在車速為 62.6 km/h 時電機(jī)的電流約為 10 A[12-13]，本文研究的車型上電機(jī)以額定以8 A的電流進(jìn)行怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。車輛在非轉(zhuǎn)向狀態(tài)下的常流式 EHPS和常壓式 EHPS 的電機(jī)電流大小情況如圖13所示。

從圖13中能夠分析出，車輛在非轉(zhuǎn)向狀態(tài)時，常壓式 EHPS 的電流值始終0A ，而常流式EHPS的電流值為8A，此時常壓式EHPS系統(tǒng)的電機(jī)能耗明顯低于常流式EHPS的電機(jī)能耗，常流式 EHPS 在非轉(zhuǎn)向工況下電機(jī)上的能耗是非常大的。

3.4.2轉(zhuǎn)向工況時的能耗分析

常壓式 EHPS 中，電機(jī)與液壓泵的能量損耗與常流式 EHPS中電機(jī)與液壓泵的能量損耗情況相同，不同的是電機(jī)和液壓泵的工作時間有所區(qū)別。按照市郊內(nèi)汽車以 60 km/h 的速度行駛，在某次轉(zhuǎn)向過后，蓄能器內(nèi)壓力達(dá)到閾值下限，直線行駛一定時間后，在某一點(diǎn)再次進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時，5 s內(nèi)電機(jī)的功耗情況來對比計算，常流式 EHPS 的電機(jī)的能耗為：

Wcc=P×5 s=1250×112≈105 （kw·min）

而常壓式 EHPS 電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，為蓄能器內(nèi)補(bǔ)充足夠的液壓油后即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)的工作時間為：

t=2.52.025≈1.23（s）

同樣以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行大約 1.23 s 即可停止工作，因此它的能耗為：

W2=P×1.23 s=1250×1.2360≈25.63（kw·min）

由此可以計算出以同樣轉(zhuǎn)速工作的常流式EHPS比常壓式EHPS的電機(jī)能耗高出了4倍之多。兩種系統(tǒng)的電機(jī)工作情況如圖14所示。

通過計算對比分析，常壓式 EHPS 系統(tǒng)的電機(jī)能耗相比常流式 EHPS 系統(tǒng)的能耗減少了約有 75.5%。除了電機(jī)和液壓泵，電磁閥的閥口在工作的時候會產(chǎn)生一定的壓差，這個壓差也就是造成電磁閥的功率損失的主要來源，由于電源驅(qū)動的電磁閥的電流很小，最大的電磁閥電流也不會超過 1.5 A ，因此電磁閥部分的能量損耗相比較電動機(jī)和液壓泵來說十分微小，甚至可以忽略不計。結(jié)合以上分析，常壓式 EHPS 與常流式 EHPS 相比，能量損耗顯著減少，以電機(jī)和助力油泵部分減少的最為顯著[14-18]。

4結(jié)論

本文提出了一種常壓式EHPS系統(tǒng)，確定了適用該系統(tǒng)的直線型助力特性曲線形式，利用 MATLAB 擬合得到助力特性曲線的 MAP 圖，基于汽車轉(zhuǎn)向特性確定電機(jī)和電磁閥的控制策略。對系統(tǒng)的助力響應(yīng)、控制性能和助力跟隨性進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果基本能滿足提出的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能需求。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上具有創(chuàng)新性，基本能夠滿足助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，也能達(dá)到比常流式 EHPS 系統(tǒng)更節(jié)能的目的。

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