淺談電動助力轉向系統發展趨勢

岳法，劉春梅

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

前言

汽車工業經過100多年的高速歷史，已經成為現代文明的主要標志之一，也是許多國家的支柱產業[1]。據中國汽車工業協會統計，2017年，中國大陸地區汽車銷量為2888萬輛，同比增長 3.04%。汽車轉向系統作為駕駛員直接操縱的系統，其性能的好壞，直接影響客戶感知，甚至會決定車輛在市場的表現，需要不斷進行技術革新，滿足人們的需要。

電動助力轉向系統(Electric Power Steering System, EPS)是在機械轉向系統的基礎上，將最新的電子技術和高性能電機的控制技術應用于汽車的轉向系統。它根據方向盤轉矩信號和車速信號，以蓄電池為能源，電動機為動力，通過電子控制裝置使電機產生相應大小和方向的輔助力，協助駕駛員進行轉向操作，并獲得最佳轉向特性。典型的EPS結構見圖1。

圖1 EPS系統結構原理圖[2]

由于EPS利于環保，安裝方便，提高了主動安全性，并且助力特性可以根據轉向速率、車速等參數設計為可變助力特性，所以一經出現就受到高度重視，成為汽車技術發展的研究熱點。隨著汽車電源向48V的過渡，以及新能源汽車的推廣，EPS在車輛上的使用會越來越普及。

1 EPS發展現狀

對比近期三次國內車展，展出車輛中 EPS車型占比由46%激增至81%，液壓助力（含電動液壓）占比大幅下降，EPS已經逐漸成為主流助力型式。

圖2 轉向助力型式變化

目前EPS主要有三種類型：管柱助力、小齒輪助力、齒條助力，使用范圍見圖3。

圖3 各類EPS應用范圍

管柱助力式電動轉向系統(C-EPS)的助力電機布置在管柱上，通過管柱實現助力功能，能實現的助力較小。一般應用在前軸載荷較小、機艙布置緊湊的小型車上。

齒輪助力式電動轉向系統(P-EPS)主要有兩種類型: 單齒輪助力和雙齒輪助力。單齒輪助力式適用于中級車，雙齒輪助力式適用于中高級車輛。它們的助力電機都安裝在發動機艙，選配該種助力形式時還要考慮發動機艙布置空間的影響因素。

齒條助力式電動助力轉向系統(R-EPS)可以提供較大的助力轉向力矩，主要適用于大型的車輛: SUV、卡車等。其電機也安裝在發動機艙，同樣也要考慮發動機艙的布置空間和電機的可靠性問題。

目前EPS已進入批量應用階段，一般EPS具備的功能主要包括三部分：

（1）常規助力

根據車速和轉角/扭矩信號，控制器對電機電流進行控制，通過電機實現助力，屬于EPS最基本的功能。圖4為助力曲線示意圖。

（2）回正控制

EPS根據轉角信號和車速信號，計算出車輛的側向加速度，再通過電機助力，產生與側向加速度相對應的回正力矩。一般帶有轉角傳感器的EPS，回正控制比較好，殘余角較小。

圖4 助力曲線示意圖

（3）阻尼補償

在EPS運行過程中，由于控制器采樣、電機感應等，可能會引起系統的自激震蕩。路邊激勵也可能會使車輪產生擺振，從而引起轉向盤抖動。為規避該問題，引入了阻尼補償的概念，根據轉向力的變化率，產生一個與轉向盤轉速相反的扭矩，確保EPS系統穩定性。

此外，EPS還具備良好的擴展功能，能為其他功能模塊提供基礎，如自動泊車、車道保持、無人駕駛、側風補償等。

目前國內外供應商對EPS的研究和應用逐漸增加，國外TRW、ZF、蒂森克虜伯、捷太格特、昭和、萬都、摩比斯等供應商已經推出了成熟的電動轉向產品，并廣泛應用于各合資品牌車輛上。國內方面，株洲易立達開始研究較早，恒隆、豫北、新世寶、龍潤等也已經推出了批量應用的有刷電機EPS，應用無刷的電機的EPS也逐步推廣。

2 EPS發展趨勢

從目前應用情況來看，未來EPS應用的趨勢有三個方向：安全、高效環保、舒適。

EPS首先應滿足整車安全性要求，保證成員安全，其次，隨著電子技術發展，EPS應提供更寬廣的拓展功能，最后，EPS也有環保方面的需求。

下文對未來EPS發展趨勢做一些簡單探討。

2.1 冗余設計

轉向系統作為重要的車輛安全系統，必須保障可靠性，而隨著智能駕駛的逐漸普及，對EPS安全要求也越來越高，必須對EPS進行冗余設計。如多ECU設計和信號自選模式等。多ECU設計是指系統內存在兩個ECU，互為備份。其中一個發生故障時，另外一個能及時接管，減少突然的助力失效，保證系統正常工作。在此基礎上，增加額外的扭矩和轉角傳感器，ECU可自主選擇所需扭矩和轉角信號，即為信號自選模式，系統冗余度進一步提升，安全性能更高。

2.2 48V電源

隨著電子設備在車輛上應用的日益增加，傳統的12V電源已經逐漸難以滿足需求，48V電源有望解決這一困擾。在節油減排的方面，48V系統也有著巨大優勢，據歐洲廠商實測，搭載48V系統的車輛與傳統車輛相比可以降低13%的油耗。[3]

對于EPS而言，尤其是CEPS，電機布置空間較為緊張，對電機體積提出了苛刻要求。但受限于系統所需的輸出功率，電機進一步小型化極為困難。提升電機工作電壓可在不加大電機體積的情況下增大電機輸出功率。另外，較小的輸出電流也有利于減少對電子芯片的沖擊，可提高其壽命。因此，采用48V電源將是EPS未來發展的方向。

目前歐洲已經制定 48V電源系統的相應標準。電動汽車因采用高壓直流供電，可以方便實現到48V電源系統的轉換。[4]

2.3 多助力模式

EPS相對于HPS系統，最大的優點是真正做到了隨速轉向，為駕駛員提供良好的駕駛感覺。但同一輛車輛，不同的駕駛員（性別、年齡、個性、身體狀況等），對 EPS助力特性也有不同的要求，目前的EPS無法滿足每一個駕駛員的需求。若在ECU中存儲多種助力特性曲線，可形成多助力模式，由駕駛員根據各自駕駛習慣自由選擇，則可以最大化滿足駕駛員的需求。

多助力模式對硬件改動較小（增加選擇開關），軟件及調教費用較低，性價比高，未來推廣較為容易。目前現代勝達、IX35等車型上已經配備多助力模式。

2.4 線控轉向

隨著車輛電氣化和智能化程度的提高，線控轉向（Steering By Wire,SBW）已經成為轉向系統的發展方向，未來會取得廣泛應用。所謂四輪轉向，是指取消轉向盤和車輪之間的機械連接裝置，使用控制信號連接，又稱為柔性轉向系統。

圖5 SBW結構原理圖[6]

SBW 的結構原理圖如圖5所示。轉動轉向盤時，轉矩、轉角傳感器2將測得的轉矩、轉角信號傳遞給ECU，ECU 根據汽車車速、橫擺角速度、側向加速度和位移傳感器7測得的位移信號控制路感電機4生成反饋轉矩、轉角，使駕駛員獲得良好的路感；同時，ECU向轉向電機5發出控制信號，使汽車按照駕駛員所期望的方向行駛[5]。通過對SBW傳動比進行優化設計，可以滿足汽車在較低車速下采用小的傳動比以增加系統增益，而在較高車速下采用大的傳動比以減小系統增益，實現轉向時轉向路感和轉向靈敏性的完美結合。

線控轉向主要優點：

（1）能有效消除轉向干涉現象，為實現自動控制提供了先決條件。

（2）系統在汽車上的布置更為靈活，轉向盤可以按需要布置（左右舵車型開發難度進一步降低）。

（3）可以取消管柱，對踏板等周邊件布置更為方便，也可以增加駕駛員腿部活動空間。在碰撞中，消除了碰撞對駕駛員的潛在風險，安全性得到提高。

（4）消除了地面對轉向輪的沖擊，提高舒適性。

（5）EPS固有的優點得到了保留（如燃油經濟型、隨速轉向等）。

由于 SBW采用柔性連接，轉向盤和車輪之間取消了機械連接，且電子元器件易受電磁干涉，需要接受的信號較多，系統復雜，其可靠性和安全性是最亟待解決的。為保障安全，一般采用冗余設計的方法，如在系統中增加傳感器、電機、電源或備份機械結構等，有效提高系統的可靠性。

如全球率先量產采用SBW的英菲尼迪Q50，就采用了備份機械機構的方式（圖 6）。車輛轉向時，不依靠傳統的機械連接，而是依靠三組電子控制單元（ECU）進行控制，根據路況和轉向盤轉動角度和扭矩、車速進行綜合計算，從而指揮轉向電機機構實現轉向。當任意一個ECU被監測到出現了問題時，備用模式將激活離合器，恢復至傳統的機械傳動轉向模式，確保駕駛員可以掌控車輛。

圖6 英菲尼迪Q50 SBW

2.5 功能拓展

EPS作為一個電控系統，與其他系統可以集成開發。在滿足轉向系統基本功能的前提下，提供功能擴展，如車道保持、自動泊車、無人駕駛、側風補償等。

車道保持模塊中，駕駛員偏離預定道路時，EPS將按照系統指令（若需要），駛入正確道路。

自動泊車模塊需要EPS實現精準轉向，自動控制轉向盤轉角，實現車輛停車入位。自動泊車也可視為無人駕駛的初級階段。

在無人駕駛車輛中，EPS將按照系統的指令，及時準確地改變車輛方向，真正代替駕駛員掌控車輛。

在車輛高速行駛時，如果有側風干擾，車輛將偏離行駛方向，發生危險，若此時通過EPS施加一個與側風方向相反的轉向盤轉角，可以糾正車輛方向，保持車輛直行，確保安全。

與ESC（車身控制系統）的集成。ESC會輸出轉向扭矩需求，EPS產生相應的轉向扭矩，從而使車輛的制動壓力快速提升，達到穩定車輛的效果。ESC和EPS的匹配能最大化穩定車輛和改善制動效果。

3 總結

電動化和智能化是車輛發展的趨勢，轉向系統同樣遵循這一趨勢。隨著電器元器件價格的下降和EPS技術的成熟，EPS發展前景會更加光明。未來EPS會朝著安全、高效環保、舒適的方向發展，冗余設計、48V電源、多助力模式和部分拓展功能會得到快速逐步應用。在解決線控轉向的可靠性和成本問題后，線控轉向作為轉向系統發展的主要方向，逐漸普及在量產車型上。

[1] 陳家瑞.汽車構造(下冊)[M].北京：機械工業出版社.2000.

[2] 趙萬忠等.新型汽車動力轉向技術發展綜述[J].汽車工程學報.2012.11.

[3]新浪汽車.48V系統將為汽車產業帶來重大改變. http://auto.sina.com.cn/news/2014-03-24/11411281430.shtml.

[4] 王強,張紅蓮.談汽車電動助力轉向系統特點及發展[J].農家科技.2014.5.

[5] KOIZUMI R,KURATA F,YAMAMOTO M. Experimental Study of Lateral Acceleration Feedback Control with Steer-by-wire System[C]. SAE Technical Paper. 2010-01-0996.

[6] 申榮衛,陶炳全.汽車轉向技術現狀與發展趨勢.邢臺職業技術學院學報.2016.10.