电动汽车原理与构造（第2版）第7章

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1、第第7 7章章 电动车辆的电动化辅助系统电动车辆的电动化辅助系统 哪些电动汽车辅助系统需要电动化？哪些电动汽车辅助系统需要电动化？ 电动汽车电动汽车 动力动力 转向转向 系统系统 制动制动 系统系统 空调空调 系统系统 其它部件其它部件 泵系统泵系统 冷却冷却 系统系统 低压低压 供电供电 系统系统 为什么为什么 要电动化要电动化 节能的节能的 需要需要 提高性能提高性能 的需要的需要 结构合结构合 理化的理化的 需要需要 取消发取消发 动机的动机的 需要需要 为什么要电动化？为什么要电动化？ 转向系统电动化：转向系统电动化： 电动助力转向电动助力转向EPSEPS 电转向电转向( (线控转向线

2、控转向)ESS)ESS 电控液压助力转向电控液压助力转向 EHPSEHPS 电动助力转向技术的特点电动助力转向技术的特点 1)1) 电动助力转向能改善汽车的转向助力特电动助力转向能改善汽车的转向助力特 性性，提高汽车的轻便性和安全性提高汽车的轻便性和安全性。 2)2) 电动助力转向只在转向时电动机才提供电动助力转向只在转向时电动机才提供 助力助力，能减少能量消耗能减少能量消耗。 3)3) 电动助力转向零件比液压动力转向减少电动助力转向零件比液压动力转向减少 ，质量更轻质量更轻、结构更紧凑结构更紧凑，在安装位置在安装位置 选择方面也更容易选择方面也更容易，并且能降低噪声并且能降低噪声。 4)4)

3、 电动助力转向没有液压回路电动助力转向没有液压回路，比液压动比液压动 力转向更易调整和检测力转向更易调整和检测，装配自动化程装配自动化程 度更高度更高，能能缩短生产和开发周期缩短生产和开发周期。 5)5) 电动助力转向不存在渗油问题电动助力转向不存在渗油问题，可大大可大大 降低降低保修成本保修成本，减小对环境的污染减小对环境的污染。 6)6) 电动助力转向比液压动力转向具有更好电动助力转向比液压动力转向具有更好 的的低温工作性能低温工作性能。 7)7) 可实现转向系统的主动回正可实现转向系统的主动回正 电动机电流/A 30 20 10 （7，25） （7，17） （7，11） （7，7） （7

4、，4） （7，1） 010kmh-1 3540kmh-1 2030kmh-1 3035kmh-1 1020kmh-1 4047.5kmh-1 0.8 2.04.06.08.0-0.8-2.0-4.0-6.0-8.0 转向盘力矩/Nm 电动助力转向系统电动助力转向系统EPSEPS的结构的结构 电动助力转向系统框图电动助力转向系统框图 ECU 转角 电流 电动机 转矩传感器 转矩 车速 减速机构 齿轮齿条式转向器 离合器 转矩传感器检测作用在输入轴的力矩转矩传感器检测作用在输入轴的力矩，ECU根据车速传感器和转矩传感器的根据车速传感器和转矩传感器的 信号控制电动机的旋转方向和助力电流的大小信号控制

5、电动机的旋转方向和助力电流的大小，电动机的力矩通过减速机电动机的力矩通过减速机 构作用到小齿轮上构作用到小齿轮上，实现助力转向实现助力转向。 转矩传感器转矩传感器 电子控制单元电子控制单元 助力电机助力电机 电磁离合器电磁离合器 减速器减速器 机械转向器机械转向器 供电电源供电电源 电动助力转向系统电动助力转向系统EPS的结构的结构 转矩传感器用来测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向转矩传感器用来测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向, , 以及转向以及转向 盘转角的大小和方向盘转角的大小和方向, , 目前采用较多的是扭杆式电位计传感器，它是在转目前采用较多的是扭杆式电位计传感器，它是在

6、转 向轴位置加一根扭杆，通过扭杆检测输入轴与输出轴的相对扭转位移得到向轴位置加一根扭杆，通过扭杆检测输入轴与输出轴的相对扭转位移得到 扭矩。扭矩。 电动助力转向系统电动助力转向系统EPS的结构的结构 现在现在EPS公司都采取旋变式无刷电机及控制。公司都采取旋变式无刷电机及控制。 1、转子位置检测、转子位置检测(旋转变压器旋转变压器)，实现转子位置的实时检测；，实现转子位置的实时检测； 2、采用矢量控制技术（、采用矢量控制技术（FOC兼兼SVPWM技术）算法，实现正弦波控制；技术）算法，实现正弦波控制； 3、绕组电流为正弦波、绕组电流为正弦波,谐波分量小，转矩脉动低；谐波分量小，转矩脉动低； 4

7、、运行平衡性好，噪声低，响应快，定位精度高；、运行平衡性好，噪声低，响应快，定位精度高； 5、与方波驱动比，转矩脉动小；、与方波驱动比，转矩脉动小； 用于用于1.6 L以下汽车的电动机以下汽车的电动机, 功率功率: 300 W; 助力转矩助力转矩: 125 Nm ( 最大输最大输 出电流出电流35 A) 。用于。用于2.0 L汽车的电动机汽车的电动机, 功率功率: 400 W; 助力转矩助力转矩: 132 Nm( 最大输出电流最大输出电流45 A) 。 助力电机一般情况分有刷直流电机和无刷直流电机。要求电动机低转速大助力电机一般情况分有刷直流电机和无刷直流电机。要求电动机低转速大 扭矩、波动小

8、、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高，易控扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高，易控 制。为了增强转向操纵时驾驶员的“手感”并降低噪声和振动，需要对电制。为了增强转向操纵时驾驶员的“手感”并降低噪声和振动，需要对电 动机的结构作一些特殊处理，如：沿转子的表面开出斜槽或螺旋槽，定予动机的结构作一些特殊处理，如：沿转子的表面开出斜槽或螺旋槽，定予 磁铁设计成不等厚。磁铁设计成不等厚。 电动机转矩特性电动机转矩特性 I/A T2/N Nm m 02 TTTm+= IKICI a pN T TTm = 2 负载负载 转矩转矩 涡流、涡流、 磁滞损磁滞损 耗和机耗和机 械

9、损耗械损耗 p p为极对数；为极对数；NN为电枢绕组总导体数；为电枢绕组总导体数； 为每极气隙磁通；为每极气隙磁通；a a为电枢绕组的并为电枢绕组的并 联支路对数。联支路对数。 电动机脉宽调制原理电动机脉宽调制原理 ddda UU T T U TT T U= + = 1 21 1 M Ua(+12V) G1 G2 G3 G4 基 极 驱 动 电 路 电动助力转向系统电动助力转向系统EPS的结构的结构 电动式电动式EPSEPS中的电磁离合器主要是起到安全保护的作用中的电磁离合器主要是起到安全保护的作用，当当EPSEPS系统发系统发 生故障生故障、助力电机工作电流过大等情况下助力电机工作电流过大等

10、情况下电磁离合器会及时切断电磁离合器会及时切断， 汽车仍可以以传统的机械转向装雹进行工作汽车仍可以以传统的机械转向装雹进行工作，从面保障整个系统和行从面保障整个系统和行 车的安全车的安全。为了不使电动机和电磁离台器的惯性影响转向系的工作为了不使电动机和电磁离台器的惯性影响转向系的工作， 离合器应及时分离离合器应及时分离，以切断辅助动力以切断辅助动力。 电动助力转向系统电动助力转向系统EPS的结构的结构 减速机构通过离合器与电动机相连减速机构通过离合器与电动机相连, , 起减速增矩作用起减速增矩作用, , 常采用蜗轮蜗杆常采用蜗轮蜗杆 机构机构, , 也有采用行星齿轮机构也有采用行星齿轮机构,

11、, 电子控制单元电子控制单元(ECU)根据转矩传感器信号和车速传感器信号根据转矩传感器信号和车速传感器信号, 进行逻辑分进行逻辑分 析与计算后析与计算后, 发出指令发出指令, 控制电动机和离合器的动作控制电动机和离合器的动作。此外此外, ECU还有安全还有安全 保护和自我诊断功能保护和自我诊断功能 。 电动助力转向系统电动助力转向系统EPSEPS的分类的分类 根据助力电机布置位置的不同，电动助力转向分为转向轴助力式、齿轮根据助力电机布置位置的不同，电动助力转向分为转向轴助力式、齿轮 助力式、齿条助力式。助力式、齿条助力式。 转向轴助力式转向轴助力式小齿轮助力式小齿轮助力式齿条助力式齿条助力式

12、结构紧凑、响应性好、结构紧凑、响应性好、 小排量汽车用小排量汽车用 大的转向力、助力特性大的转向力、助力特性 控制困难控制困难 两种方案，主流方案、两种方案，主流方案、 大的助力，大排量轿车大的助力，大排量轿车 电动助力转向电动助力转向EPSEPS的工作原理的工作原理 电流 控制器 Ts 电动机 I IcmduTme 助力特性 V 操作步骤如下： 输入由车速传感器测得的车速信号； 输入由转向盘转矩传感器测得的转向盘力矩大小和方向； 根据车速和转向盘力矩，由助力特性得到电动机目标电流； 通过电动机电流控制器控制电动机输出力矩。 电动助力转向的基本助力控制过程电动助力转向的基本助力控制过程 转向控

13、制转向控制( (包括常规控制、回正控制和阻尼控制包括常规控制、回正控制和阻尼控制) )是是EPSEPS开发的核心之一，开发的核心之一， 电动助力转向电动助力转向EPS的工作原理的工作原理 汽车在低速行驶进行转向时，电控单元对电动机进行汽车在低速行驶进行转向时，电控单元对电动机进行常规控制常规控制，出于要求，出于要求 电动机的端电压随转向盘转速提高而增大，所以场效应管的占空比将随转电动机的端电压随转向盘转速提高而增大，所以场效应管的占空比将随转 向盘转速提高而增大。这样使转向机具有较好的转向响应，转向操纵灵敏向盘转速提高而增大。这样使转向机具有较好的转向响应，转向操纵灵敏 轻便。当车速高于轻便。

14、当车速高于434352km52kmh h时，停止电机的助力并切断电磁离合器。时，停止电机的助力并切断电磁离合器。 汽车在高速行驶时仍不切断离合器，利用电动机本身和其内部电路构成的汽车在高速行驶时仍不切断离合器，利用电动机本身和其内部电路构成的 回路对汽车原有的转向系统增加一个阻尼，这样能够进一步提高汽车在高回路对汽车原有的转向系统增加一个阻尼，这样能够进一步提高汽车在高 速行驶的稳定性，更进一步降低了汽车高速转向变道时方向盘速行驶的稳定性，更进一步降低了汽车高速转向变道时方向盘“发飘发飘”的的 现象，提高驾驶员驾驶的舒适性。现象，提高驾驶员驾驶的舒适性。 回正控制回正控制可以改善转向盘的回正性

15、。在汽车低速行驶过程中，当转向盘转可以改善转向盘的回正性。在汽车低速行驶过程中，当转向盘转 动后回到中位时，电控单元对电动机进行回正控制。动后回到中位时，电控单元对电动机进行回正控制。 阻尼控制阻尼控制汽车高速行驶过程中，当转向盘转动后回到中位时，电控单元将汽车高速行驶过程中，当转向盘转动后回到中位时，电控单元将 电动机电流逐渐减少，对转向车轮产生回正阻尼，使汽车具有稳定的转向电动机电流逐渐减少，对转向车轮产生回正阻尼，使汽车具有稳定的转向 特性。阻尼控制可以衰减汽车高速行驶时出现的转向盘抖动现象。消除转特性。阻尼控制可以衰减汽车高速行驶时出现的转向盘抖动现象。消除转 向车轮因路面输入引起的摆

16、振现象。向车轮因路面输入引起的摆振现象。 电转向电转向ESS的结构的结构 方向盘总成、转向执行总成和主控制器方向盘总成、转向执行总成和主控制器(ECU)三个主要部分以及自动防故障系统、三个主要部分以及自动防故障系统、 电源等辅助系统组成电源等辅助系统组成 电转向电转向ESS的结构的结构 方向盘总成方向盘总成包括包括: : 方向盘、方向盘转角传感器、力矩传感器、方向盘回正力矩电机方向盘、方向盘转角传感器、力矩传感器、方向盘回正力矩电机 。方向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图。方向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图( (通过测量方向盘转角通过测量方向盘转角) )转换成数字转换成数字 信号信号, , 并传递给主控制器并传递给主控制器; ;同时接受主控制器送来的力矩信号同时接受主控制器送来的力矩信号, , 产生方向盘回正力矩产生方向盘回正力矩 , , 以提供给驾驶员相应的路感信息以提供给驾驶员相应的路感信息 转向执行总成转向执行总成包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器