电动液压助力转向系统的节能优化研究

夏雨　张涌　吴海啸　姜朋昌

摘要：针对某型纯电动商用汽车的EHPS，在传统常流式EHPS基础上提出一种新型的常压式EHPS系统。这种系统在传统常流式 EHPS 系统的基础上加装了蓄能器和电磁阀等结构，取代了电机和液压泵的持续工作状态，使系统既能满足转向助力的需求，又能减轻能量的耗损，实现系统的节能优化。根据系统性能对其关键部件进行合理的选型和计算;基于助力需求选择合适的助力特性曲线形式，并在 MATLAB 曲线拟合工具箱中进行基于车速系数的助力特性的曲线拟合;根据助力特性确立系统控制的方法;在MATLAB/simulink 软件中对常压式EHPS进行建模，对系统的助力响应、控制性能和助力跟随性进行仿真分析，并对能耗进行计算。仿真得到的结果表明，这种常压式 EHPS 能够达到转向助力性和节能性的双重要求。

关键词：常压式 EHPS;助力特性;建模与仿真

中图分类号：U463.4文献标识码：A文章编号：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

轉向系统对车辆的性能影响十分显著，对该系统的研究和改进会提高系统的整体性能。助力转向系统已有多种发展较好的类型，从前汽车上较多采用的是机械液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering System，HPS）。随着汽车电子技术的快速发展，电动助力转向系统（Electric Power Steering System，EPS）和电动液压助力转向系统（Electric Hydraulic Power Steering System，EHPS）技术也迅速兴起，在现在许多新能源的纯电动商用车上都能够加以应用。EHPS 保留了 HPS 工作的平顺性和较大的转向助力，同时兼顾了 EPS 的转向轻便性，在中、重型车辆上的应用前景较为乐观。本文对EHPS 系统进行节能优化研究，使优化后的常压式 EHPS 系统既能满足转向助力的要求，又能在一定工况下降低系统的功耗损失，完成节能减排的技术革新，使EHPS 在新能源汽车尤其是纯电动商用车上有比较良好的发展前途。

1常压式EHPS相关部件的选型

由于传统常流式EHPS能耗量是相当大的，本文对该型电动车的EHPS系统进行改造，在常流式EHPS的基础上，增加关键零部件：蓄能器、电磁阀和蓄能器内压力传感器[1-3]。通过优化系统结构，使其能耗降低，力求适应当下发展的大环境。

1.1蓄能器的选型

考虑到液压蓄能器在车辆上的安装并综合考虑蓄能器的使用压力、有效容积和响应时间等因素[4-5]，本文选气囊式的蓄能器。对蓄能器的参数加以计算，选定高压蓄能器工作压力的最大值为10 MPa，根据国标，选择无锡穆格流体控制有限公司的型号为NXQ-A-2.5/10-L-Y的蓄能器，其工作压力为10 MPa，公称容积为25 L。

1.2蓄能器内压力传感器的选取

蓄能器内压力传感器能检测到的最大的压力值应该大于蓄能器的标称压10 MPa，同时还要兼顾工作环境温度和输出信号等因素，选择上海余洋传感科技有限公司的以电压信号为输出信号的压力传感器。

1.3电磁阀的选型计算

根据系统性能，常压式EHPS系统需要对转向助力的大小进行实时的控制，比例流量阀是最适合的控制阀，ECU可以通过改变比例阀的控制电流来改变比例阀的开度，从而对流过电磁阀的油液流量进行调节。本文采用一款常闭的比例流量阀[6-7]，阀的型号为BFW-2B-2B-17，该阀来自于无锡温纳自动化有限公司。

1.4液压泵的选型计算

参照实验车上原有的转向泵的类型，选择特性良好的、目前使用最为广泛的叶片泵作为本系统的动力泵。经过调研分析，液压泵的工作压力在10 MPa即可满足该型电动车的转向需要。根据能量守恒定律：

η·P=p×Q。（1）

式中：η为助力效率;P为电机功率;p为目标助力油压;Q为目标液压泵流量。

可以计算得到目标液压泵的流量Q=2.025 L/min，因此液压泵选型需满足 2.025 L/min的流量需求。

1.5电动机的选型计算

根据液压泵匹配电机，为了满足低噪声、易控制、高性能的要求，本课题选用无刷直流电动机。市场上的无刷直流电动机的供电电压一般为24 V或48 V，最大功率在400～600 W之间，符合本系统的要求。本文选用无刷直流电动机，选择额定电压12 V，额定转速1 250 r/min，额定功率为500 W。

1.6其他传感器选型

除了蓄能器压力传感器之外，系统还需要车速传感器和转向盘转角传感器等，在对这些传感器进行选型时，考虑了这些传感器在汽车上的使用环境和参数等因素，选用适合系统的传感器。

2常压式 EHPS 系统的助力特性

常压式 EHPS助力需求与常流式 EHPS 的助力需求有所不同，对电机只需要简单的启停控制，助力特性主要是针对比例电磁阀而言的，控制电磁阀的电流就可以对系统的转向助力进行控制[8]。

2.1系統助力特性曲线的确定

助力特性曲线决定了汽车转向时的助力特性，设计良好的助力特性曲线对汽车转向系统有着重要的影响[9]，基于方便性的原则，采用直线型的助力特性曲线，根据对EHPS系统助力特性的要求，得到图1的直线型助力特性曲线。

在相同的车速运行下，转向盘角速度的增加要求电磁阀的工作电流也随之增大，以此提供对应工况下的助力转矩，确保良好的转向助力;当车速为 0 时，助力特性曲线的斜率应该比其它车速下的曲线斜率大，以确保提供最大的转向力。在转向盘角速度一定的情况下，随着车速越来越大，电磁阀控制电流是慢慢减小的，助力曲线的斜率也是减小的，当车速达到一定值时，助力特性曲线的斜率最小。

EHPS 系统进入到了助力饱和区，电磁阀的工作电流达到最大额定电流后不再继续增加。

2.2助力特性曲线的拟合

车在不同的行驶工况下，不同的车速和方向盘转向角速度与电磁阀控制电流大小之间的对应关系是进行 EHPS 系统助力特性曲线拟合的关键[10]。根据直线型助力线型的表达式和系统要求，设定方向盘角速度ω1=60°/s，ω2=60°/s。

在对转向阻力矩进行了动力学研究之后，通过对机械模块与液压模块的传递函数和模型的建立，可以得到不同车速和转向盘转速下对应汽车行驶工况的转向阻力矩和相应的电磁阀控制电流的值。通过车速和方向盘转速控制电磁阀的电流值，可以通过公式（2）进行表述：

I（v，ω）=k（v）·ω。（2）

式中：I为电磁阀电流;k为速度的负相关系数;ω为转向盘角速度。

由于k是速度的负相关系数，则用k（ν）表示由速度决定的车速系数的表达式，由计算得出不同车速下的助力特性车速系数，见表1。

根据不同车速对应的车速系数，MATLAB 中通过曲线拟合工具箱Curve FittingTool（cftool）采用公式进行三次多项式的拟合。车速系数的拟合结果如图2所示。

拟合结果的曲线趋势可以正确反映助力需求与车速的对应关系。依据车速系数的拟合结果，再在MATLAB中通过曲面拟合工具箱 Surface Fitting Tool（sftool）拟合得到助力特性曲线的 MAP 图，如图 3所示。

该拟合的 MAP 图曲线能够得到与本文分析的理想助力特性曲线的特点一样的结论，证明本文确立的助力特性曲线适用于本系统。

2.3常压式 EHPS 系统控制策略

根据对助力特性曲线的描述和选取，系统的控制应该从电机和比例电磁阀两方面入手，即需要在蓄能器内压力不足的时候启动电机补充液压油，当达到一定压力时停止电机运转;在需要转向助力时，根据助力特性曲线确定适宜当前工况的转向助力，从而确定对应的控制电磁阀的电流值。根据系统这一特点，确立 EHPS 系统的控制策略框图如图4所示。

对系统的控制策略进行分析，确定了电机的控制方式为简单的启停控制，基于不同车速和转向盘角速度对应不同的电磁阀的控制电流，确定了电磁阀的控制方式为闭环控制[11]。

3常压式 EHPS 系统仿真结果及能耗分析

对常压式EHPS 进行建模，确定MATLAB/simulink 软件各自的建模任务，对系统的助力响应、助力跟随性和控制性能进行了仿真分析，并对能耗进行计算。

3.1助力阶跃响应仿真分析

汽车的瞬态响应性能是否良好对车辆在转向时的稳定性与舒适性有着很大的影响，为了检验系统是否具有良好的操纵稳定性，本节对转向助力进行阶跃仿真。设定方向盘转角稳定后为 30°，分别对这一角阶跃输入下车速为 40、60 km/h时的助力响应情况进行仿真，以各自对应车速恒定驾驶，开始计时 1s 后快速转动转向盘，使转向盘达到预定的转角，方向盘的角阶跃输入信号如图5所示。

在这一角阶跃输入信号下，图6和图7分别为对应的电磁阀的电流响应情况。

由此可以总结出这样一个结论，转向盘突然转动并保持一定角度不变，电磁阀能够快速对这一动作做出响应，当汽车行驶速度较低时，电磁阀从开始响应到达到稳定状态所用的时间略短，不同车速下电磁阀响应的电流大小也有所差别，能够随着车速而改变，且汽车行驶工况稳定时，转向助力也比较平滑，不会产生太大的波动，使驾驶员驾驶车辆时能够更加舒适，以便获得良好的对路面的感知。

3.2助力跟随性仿真分析

根据系统的模型，分别检验 EHPS 的助力跟随性与方向盘转速和车速的变化关系。

3.2.1EHPS 系统的助力跟随性与转向盘角速度

图8为当汽车行驶速度为 20 km/h 时，液压系统提供的液压助力矩和方向盘力矩随着转向盘角速度的增大的变化关系曲线。

从图8的曲线能够看到，当转向盘的角速度小于 60°/s时，由于此时转向盘角速度较小，汽车行驶受到的转向阻力较小，助力系统不提供动力，司机靠作用在转向盘上较小的力矩就能够进行转向操作;当转向盘的角速度大于等于 60°/s小于 540°/s并逐渐增大的过程中，转向阻力越来越大，方向盘力矩也越来越大，这时 EHPS 要供给一定的液压助力来协助司机完成转向动作，以确保转向操作的轻便性;当转向盘角速度大于 540°/s 时，系统提供的助力值达到最大，且不超过原地转向时需要提供最大的助力转向值，此时转向盘力矩也达到一个稳定值。该仿真结果表明转向系统的助力需求与方向盘转速之间的跟随性良好。

3.2.2EHPS 系统的助力跟随性与车速

图9为当转向盘转速一定时，伴随行驶速度的提高，系统的液压助力力矩与转向盘转矩的响应情况曲线。

从图9中能够看出，当方向盘角速度一定时，液压助力力矩和方向盘力矩随着车速的增大呈现逐渐减小的趋势。当车速为 0 km/h 时，此时转向阻力矩最大，转向较为沉重，转向盘上的轉矩此时最大，仿真结果约为 52 Nm ，与实车试验时55 Nm比较符合。由于此时转向沉重，液压系统需要提供最大的液压助力，以保证转向的轻便性;随着车辆行驶速度的逐渐增大，汽车的回正力矩是越来越小的，转向阻力矩作用在方向盘上的力也逐渐减小，此时需要的液压助力减小;当速度逐渐增大到 80 km/h时，系统提供的液压助力达到一个比较小的水平，并几乎趋于稳定;当大于 80 km/h 时，液压系统几乎不再提供转向助力，使驾驶员有一个比较好的转向路感，不至于因为方向盘发飘而发生交通事故，保证行车的安全。该仿真结果表明，常压式 EHPS 的助力跟随性与车速之间的响应关系较好，符合系统的助力需求。

3.3控制系统仿真分析

为了验证助力特性曲线的合理性以及控制策略的可行性，分别对转向盘角速度和车速影响下的电磁阀电流的实测值与跟进助力特性曲线设置的目标值进行比较。

3.3.1电磁阀电流与转向盘角速度

图10和图11分别给出了车速为10 km/h 和 60 km/h 时，方向盘的角速度与电磁阀电流的关系曲线图。

通过这两个图可以看出，虽然实际控制值与目标值之间存在一定的偏差，但整体差别不大，波动范围还比较合理，基本能实现目标助力曲线的要求。因此，在误差允许的范围内，电磁阀的电流值能够随转向盘角速度的增大而升高，可以实现助力的实时调节。

3.3.2电磁阀电流与车速

本节对在一定的转向盘角速度下，车速的变化对应的比例阀的电流变化关系进行了仿真研究，并与助力曲线的目标值进行对比，如图12所示。

从图12中曲线可以看出，电磁阀的控制值与目标值的趋势很吻合，都是随着车速的增大电流值逐渐减小。实际控制的电磁阀电流值与根据助力特性曲线设置的目标电流值在误差允许的范围内基本吻合。比例阀电流随车速的变化具有良好的响应性。

3.4能耗分析

3.4.1非转向工况时的能耗分析

在常流式 EHPS 系统中，当转向系统不工作的时候，为了保持良好的助力响应性，以便在汽车突然进行转向操作时能迅速为系统提供转向助力，转向系统中的电机需要保持一个怠速状态，以一个较低转速持续运转，汽车在车速为 62.6 km/h 时电机的电流约为 10 A[12-13]，本文研究的车型上电机以额定以8 A的电流进行怠速运转。车辆在非转向状态下的常流式 EHPS和常压式 EHPS 的电机电流大小情况如图13所示。

从图13中能够分析出，车辆在非转向状态时，常压式 EHPS 的电流值始终0A ，而常流式EHPS的电流值为8A，此时常压式EHPS系统的电机能耗明显低于常流式EHPS的电机能耗，常流式 EHPS 在非转向工况下电机上的能耗是非常大的。

3.4.2转向工况时的能耗分析

常壓式 EHPS 中，电机与液压泵的能量损耗与常流式 EHPS中电机与液压泵的能量损耗情况相同，不同的是电机和液压泵的工作时间有所区别。按照市郊内汽车以 60 km/h 的速度行驶，在某次转向过后，蓄能器内压力达到阈值下限，直线行驶一定时间后，在某一点再次进行转向操作时，5 s内电机的功耗情况来对比计算，常流式 EHPS 的电机的能耗为：

Wcc=P×5 s=1250×112≈105 （kw·min）

而常压式 EHPS 电机以额定转速运转，为蓄能器内补充足够的液压油后即停止运转，电机的工作时间为：

t=2.52.025≈1.23（s）

同样以额定转速运行大约 1.23 s 即可停止工作，因此它的能耗为：

W2=P×1.23 s=1250×1.2360≈25.63（kw·min）

由此可以计算出以同样转速工作的常流式EHPS比常压式EHPS的电机能耗高出了4倍之多。两种系统的电机工作情况如图14所示。

通过计算对比分析，常压式 EHPS 系统的电机能耗相比常流式 EHPS 系统的能耗减少了约有 75.5%。除了电机和液压泵，电磁阀的阀口在工作的时候会产生一定的压差，这个压差也就是造成电磁阀的功率损失的主要来源，由于电源驱动的电磁阀的电流很小，最大的电磁阀电流也不会超过 1.5 A ，因此电磁阀部分的能量损耗相比较电动机和液压泵来说十分微小，甚至可以忽略不计。结合以上分析，常压式 EHPS 与常流式 EHPS 相比，能量损耗显著减少，以电机和助力油泵部分减少的最为显著[14-18]。

4结论

本文提出了一种常压式EHPS系统，确定了适用该系统的直线型助力特性曲线形式，利用 MATLAB 拟合得到助力特性曲线的 MAP 图，基于汽车转向特性确定电机和电磁阀的控制策略。对系统的助力响应、控制性能和助力跟随性进行了仿真分析，结果基本能满足提出的转向系统的性能需求。该系统结构上具有创新性，基本能够满足助力转向系统的要求，也能达到比常流式 EHPS 系统更节能的目的。

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