輔助蓄能器式電液動力助力轉向系統節能優化及仿真分析

呂晗珺， 閔永軍， 朱慶華, 林宇凡， 孫文進

(1.南京林業大學汽車與交通學院，江蘇南京 210037；2.揚州盛達特種車有限公司，江蘇揚州 225000)

引言

為解決車輛轉向系統中轉向的靈敏度與輕便性兩者之間的矛盾，汽車普遍采用動力轉向系統。隨著電機技術及其控制的迅速發展，電動助力轉向在汽車行業得到廣泛應用。目前，采用傳統常流式液壓助力轉向的中大型汽車，通常使用常流式電動液壓助力轉向(EHPS)系統，這一情況在純電動汽車上尤為普遍。為了防止助力電機以及液壓泵的響應遲滯引起駕駛人員感覺助力滯后，提升系統助力響應速度，目前EHPS系統在車輛處于非轉向工況時，助力電機及液壓泵仍以一定速度持續運轉，勢必造成能量消耗過大[1]。常壓式EHPS系統雖然可以解決汽車非轉向工況下能量浪費的問題，但系統中的高壓蓄能器會導致液壓油路長期處于高壓的狀態，容易大幅度縮短系統中液壓元件的使用壽命，并且系統內部泄漏問題極為嚴重[2]。

圖1 系統結構示意圖

在常流式EHPS系統助力響應性能和能耗方面，國內外學者做了許多相關研究，PETER等[3]采用建立模型和臺架試驗相結合的方法分析了EHPS系統中存在的能源浪費問題，由仿真和試驗的結果可看出能量損耗主要來自轉向系統中的助力電機和轉向閥位置；KEMMETMULLER W等[4]通過對轉向系統當中轉向控制閥的結構參數進行優化，提高了EHPS系統的助力響應特性；ZHAO W等[5]為了減少車輛轉向能耗并改善轉向路感，設計了一種電動液壓復合轉向系統，與原始EHPS相比，改進的系統在轉向條件下的能耗顯著降低，并可滿足轉向輔助和駕駛員路感要求；尹晨輝等[6]提出了一種帶有助力矩耦合裝置的混合動力電控轉向系統，分析了汽車在原地轉向、轉向盤中心區轉向工況下系統的助力特性和能耗問題，提高了助力響應特性；但上述研究在非轉向工況下，電機仍持續運轉，能源損耗的問題仍未解決。

基于此，本研究針對某A型純電動客車常流式EHPS系統存在的問題，在文獻[7]研究成果的基礎上，提出了輔助蓄能器式EHPS系統的技術改進方案，通過增加皮囊式蓄能器、電磁減壓閥等元件使車輛在非轉向工況下，助力電機不持續處于運轉狀態，在助力電機轉速響應階段，蓄能器和電機驅動的液壓泵一起向整體循環球式轉向器中的轉閥通入油液，從而改善整個系統的助力性能，采用建立系統仿真模型的方法，分析驗證了改進后的技術方案不僅能滿足助力需求，而且可以降低系統的能源消耗。

1 輔助蓄能器式EHPS系統技術方案

1.1 系統結構方案

本研究構建的EHPS系統的改進方案，如圖1所示，系統由機械液壓部分和電器部分組成，機械液壓部分包括：方向盤、轉向軸、整體循環球式動力轉向器、儲油罐、液壓泵、皮囊式蓄能器、單向閥及相應液壓管；電器部分包括：助力電機、電磁減壓閥、EHPS系統控制器、轉向盤轉矩轉角傳感器、電機控制器、蓄能器壓力傳感器、第一電磁開關閥以及第二電磁開關閥。

1.2 系統工作原理

當車輛行駛時，EHPS系統控制器根據轉向盤轉矩轉角信號判別車輛是否處于轉向工況。若控制器檢測到方向盤的轉角小于或等于方向盤的自由行程，則判定車輛處于非轉向工況；當方向盤的轉角大于其自由行程時，則判定車輛處于轉向工況。

當汽車在非轉向工況時，EHPS系統控制器檢測皮囊式蓄能器內部壓力，當皮囊式蓄能器內部壓力在設定值的上下限之間時，系統維持原狀不變；若蓄能器儲存油液的壓力低于下限值，EHPS系統控制器打開第二電磁開關閥，發送蓄能器補油轉速信號給電機控制器，電機控制器啟動助力電機，驅動液壓泵向皮囊式蓄能器內補充油液，達到設定的壓力上限值時，系統控制器關閉第二電磁開關閥，助力電機停止運轉；若蓄能器儲存油液的壓力高于設定的下限值，系統狀態不變，助力電機不運轉。

當車輛在轉向工況時，系統控制器打開第一電磁開關閥，根據轉向盤轉矩、轉角信號和車速信號確定當前工況下助力電機的目標轉速，電機控制器將按照確定的目標轉速控制電機的運轉，實現轉向助力控制；在助力電機轉速處于上升的階段，EHPS系統控制器根據助力電機的目標轉速確定電磁減壓閥的輸出油液目標壓力，給電磁減壓閥輸入一定的勵磁電流使電磁減壓閥輸出目標壓力的油液，蓄能器與液壓泵一起向轉向器中的轉向控制閥輸入液壓油，提高整個系統的助力響應速度；當EHPS系統控制器檢測到蓄能器壓力回升時，系統控制器關閉電磁減壓閥，蓄能器不再提供助力，由液壓泵單獨向整體循環球式轉向器中的轉向控制閥提供油液，為轉向提供助力。

所構建的系統可以保證車輛在非轉向工況下助力電機停止轉動，系統能耗得以降低。蓄能器屬于輔助的動力源，只在助力電機的轉速未達到目標轉速時提供助力，提高車輛進入轉向狀態時系統助力響應速度，并且蓄能器內壓力遠小于常壓式。蓄能器出口設有電磁減壓閥，便于非轉向工況下蓄能器儲存油液壓力的設定和控制，避免因蓄能器儲存油液壓力隨著車輛行駛速度上升而調低導致的蓄能器中油液無謂釋放，進一步節能。

2 輔助蓄能器式EHPS系統模型建立

為了分析蓄能器的主要參數對系統助力特性的影響，建立了輔助蓄能器式EHPS系統各模塊的數學模型。

2.1 系統轉向阻力分析

汽車行駛時受到側向力的作用會產生側向力回正力矩和輪胎自回正力矩，汽車輪胎和路面之間存在的摩擦形成阻力矩，而汽車輪胎的垂直載荷會產生重力回正力矩，這些力矩組成汽車轉向阻力矩，所以轉向阻力矩M可用式(1)表示：

M=Fyξccosτcosσ+Fzμdsinδ+

Fzqσsin(2σ)cosτsinδ

(1)

式中，Fy—— 汽車輪胎受到的側向力

Fz—— 汽車駕駛時輪胎的垂直載荷

τ，δ—— 汽車轉向車輪的主銷后傾角和主銷內傾角

ξc—— 主銷后傾拖距

μ—— 車輪與路面間的摩擦系數

σ—— 轉向車輪的轉角

d—— 輪胎接觸點面中心到轉向節的距離

根據車輛三自由度模型可構建轉向阻力矩模型[8]，結合純電動客車各車速下駕駛員理想的轉向手力矩[7]，可得到車輛滿載狀態下轉向時汽車車速、方向盤轉角與系統轉向阻力矩之間的關系，如圖2所示。

圖2 汽車車速和方向盤轉角與轉向阻力矩的關系

2.2 蓄能器蓄能和放能模型

本研究中蓄能器提供助力的時間取決于助力電機及液壓泵的響應速度,蓄能器在提供助力時，其內部氣體變化的規律可當作絕熱過程，則蓄能器蓄能和放能模型可由式(2)表示：

(2)

式中,p1，p2—— 分別為蓄能器內部氣體最初的壓力值和助力后壓力值

V1，V2—— 分別為蓄能器內氣體初始體積和最終體積

k—— 蓄能器絕熱系數[9]

2.3 轉向控制閥模型

輔助蓄能器式EHPS系統中轉向閥的類型為中位開式轉向閥，結合轉向閥的結構和工作原理對其進行數學建模，轉向閥結構等效模型[10]，如圖3所示。

根據油液流量平衡的原則，轉向閥內部的閥芯轉動一定角度時，對應的流量方程可用式(3)表示：

(3)

式中，Qin—— 通入轉向閥內油液的流量

Q0，Q1，Q2，Q3—— 轉向閥各間隙的油液流量

QA，QB—— 分別為液壓缸右側和左側出口的流量

Qt—— 轉向閥出口油液的流量

圖3 中位開式轉向控制閥結構等效模型

液壓助力缸兩側的壓力差為：

Δp=K(Qin/S)2

(4)

式中,S—— 轉向閥左右兩側間隙面積最小一側的間隙面積

K—— 系統的轉向壓力系數，通常K可用

2.4 電機目標轉速模型

車輛轉向時，助力矩Mp、液壓缸有效工作面積A與液壓缸兩側的壓力差Δp之間的關系為：

Mp=ΔpALη

(5)

式中,L—— 輪胎節臂受轉向橫拉桿作用的長度

η—— 轉向系統的傳動效率

根據液壓助力缸兩側的壓力差與助力矩的關系可得到進入轉閥的流量與轉向助力系統提供的助力矩的關系，如式(6)：

Qin=S(Mp/KALη)0.5

(6)

助力電機轉速與轉向助力矩的關系為：

n=1.5S(Mp/KALη)0.5/q

(7)

3 系統仿真及能耗分析

3.1 輔助蓄能器式EHPS系統仿真模型

基于MATLAB/Simulink根據上述各模塊數學模型構建系統控制器模型、助力電機模型，在AMESim中構建機械液壓部分的模型。圖4為輔助蓄能器式EHPS系統仿真模型，系統仿真的主要參數如表1所示。

圖4 系統整體模型示意圖

表1 系統仿真模型主要參數

3.2 蓄能器容積對助力響應性能的影響

純電動客車在路上行駛時大多數是以20～50 km/h 的車速運行[11]，設置仿真汽車速度為35 km/h，汽車的方向盤在0.2 s內以300 (°)/s的起躍速度轉過60°，皮囊式蓄能器的預充壓力設定為2.5 MPa不變，在無蓄能器以及蓄能器容積分別為3.0，2.6，1.8 L的條件下，通過仿真分析系統的助力響應性能。

仿真結果如圖5所示，在無蓄能器的系統當中助力響應存在顯著滯后的問題，當蓄能器內的預充壓力相同，蓄能器容積小于2.6 L時，容積越大，整個系統的助力響應越迅速；而當蓄能器容積大于2.6 L時，增大蓄能器的容積系統助力響應速度上升并不明顯。所以本著夠用且盡量小的原則，選取蓄能器容積為2.6 L，并且該蓄能器容積適用于后面的分析。

圖5 v=35 km/h，不同蓄能器容積狀態下系統助力響應曲線

3.3 預充壓力對系統助力響應特性的影響

汽車在行駛時，轉向系統助力過大或過小都會影響汽車的安全性和駕駛人員的路感，所以液壓缸活塞兩側存在理想壓差既能夠滿足系統助力響應特性，并且可以協調汽車低速轉向時的轉向輕便性和高速轉向時駕駛人員的路感[12]。因此，皮囊式蓄能器內預充壓力的選取應當滿足系統助力響應特性以及轉向平順性的要求，設置車速分別為20，50，80 km/h，汽車的方向盤在0.2 s內以300 (°)/s為起躍速度轉動60°，蓄能器體積設定為2.6 L，仿真分析蓄能器預充壓力對系統助力響應特性的影響。

根據圖6～圖8仿真的結果可知，隨著轉向盤轉角的增大，所需的助力增大，液壓缸活塞兩側壓差也呈現不斷上升的趨勢。當車速一定時，隨著皮囊式蓄能器預充壓力的升高，系統助力響應時間在縮短，則表明汽車在轉向時系統的助力響應速度不斷加快；當蓄能器的預充壓力上升至過高時，液壓缸活塞兩側壓差偏離理想壓差，此時系統過度助力會導致駕駛員的路感受到影響；當車速由20 km/h不斷上升時，汽車所受到的轉向阻力矩減少，此時皮囊式蓄能器的預充壓力應當調整降低；所以不同的車速，蓄能器預充壓力是不同的。

圖6 v=20 km/h，不同蓄能器預充壓力下系統助力響應曲線

圖8 v=80 km/h，不同蓄能器預充壓力下系統助力響應曲線

3.4 系統能耗分析

輔助蓄能器式EHPS系統與普通常流式EHPS系統在能耗方面的差異主要在于非轉向工況下助力電機停止轉動，由蓄能器在電機轉速響應階段暫時提供助力。由于大部分某A型純電動客車在城市區域內駕駛，所以選擇市區循環工況，對某A型純電動客車行駛過程系統能耗進行分析計算，單個市區循環工況下車輛行駛情況如圖9所示。

圖9 單個市區循環工況車輛行駛情況

汽車處于轉向工況的時間大約占整個過程20%～30%左右，并且單次轉向一般維持10 s[13]。由此可假設汽車在道路上行駛時，汽車處于轉向工況的時間大約為30%，所以A型純電動客車在單個市區循環工況行駛時汽車大約需進行6次轉向。

車輛轉向時，輔助蓄能器式EHPS系統與文獻[7]中系統電機的工作方式相同，所有轉向工況下能耗相當約0.25 kW·h。假設每次轉向操作后，系統需要重新檢測皮囊式蓄能器內部壓力，控制助力電機啟動液壓泵重新向蓄能器內通入油液供油，此時在非轉向工況下，系統通過控制助力電機向蓄能器補充油液所消耗的能量可通過式(8)求出：

(8)

汽車非轉向工況下，系統控制助力電機啟動液壓泵向蓄能器通入油液的時間約4.8 s，則汽車在市區循環工況下，助力系統所消耗的總能量約為0.08 kW·h。經計算可得，本研究設計的系統可以節省大約54.9%的能量，由此說明該系統有良好的節能性。

4 結論

本研究針對常流式EHPS系統中助力電機能耗較大的問題，提出了輔助蓄能器式EHPS系統的技術方案，使車輛處于非轉向工況下助力電機基本停止運轉。通過仿真分析得到最佳的蓄能器容積為2.6 L；車速一定時，蓄能器預充壓力越高系統的助力響應速度越快；不同車速下蓄能器預充壓力不同，并且隨著車速的升高，預充壓力應該相應的減小；經過能耗分析，本研究設計的技術方案具有良好的節能性。