ระบบบังคับเลี้ยวของรถยนต์ไฟฟ้าและหลักการทำงาน

ระบบบังคับเลี้ยวของรถยนต์ไฟฟ้าซึ่งเป็นระบบหลักของรถยนต์ไฟฟ้า มีความแตกต่างอย่างมากจากระบบพวงมาลัยของรถยนต์ไฟฟ้า- โดยส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสามประเภท: พวงมาลัยเพาเวอร์ไฟฟ้า (EPS), พวงมาลัยเพาเวอร์ไฮดรอลิกแบบไฟฟ้า- (EHPS) และพวงมาลัย-โดย-สายไฟ (SBW) แต่ละประเภทมีหลักการทำงาน ข้อดี ข้อเสีย และขอบเขตการใช้งานที่แตกต่างกันออกไป บทความนี้จะอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับองค์ประกอบและหลักการทำงานของระบบบังคับเลี้ยวทั้งสามระบบสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า

I. พวงมาลัยเพาเวอร์ไฟฟ้า (EPS)

กำไรต่อหุ้นเป็นระบบบังคับเลี้ยวที่ใช้กันมากที่สุดในรถยนต์ไฟฟ้าในปัจจุบัน ใช้มอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อช่วยในการบังคับเลี้ยว แทนที่ระบบพวงมาลัยเพาเวอร์ไฮดรอลิก (HPS) แบบเดิม

1. องค์ประกอบของกำไรต่อหุ้น

EPS ส่วนใหญ่ประกอบด้วยองค์ประกอบดังต่อไปนี้:

(1) เซ็นเซอร์แรงบิด: ตรวจจับแรงบิดและทิศทางการหมุนพวงมาลัย (ความตั้งใจของผู้ขับขี่)

(2) เซ็นเซอร์มุมบังคับเลี้ยว: ตรวจสอบมุมพวงมาลัย (รวมอยู่ในเซ็นเซอร์แรงบิดในบางระบบ)

(3) เซ็นเซอร์ความเร็วรถ: ให้สัญญาณความเร็วรถ (สำหรับการปรับระดับการช่วยบังคับเลี้ยวแบบไดนามิก)

(4) หน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ (ECU): ประมวลผลข้อมูลเซ็นเซอร์แบบเรียลไทม์และคำนวณการช่วยบังคับเลี้ยวที่ต้องการ

(5) มอเตอร์ช่วยกำลัง-: โดยปกติแล้วจะเป็นมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน (BLDC) ซึ่งส่งแรงบิดไปยังคอพวงมาลัยหรือแร็คผ่านกลไกการลดขนาด (เช่น เฟืองตัวหนอน)

(6) กลไกการลด: ขยายแรงบิดของมอเตอร์เพื่อขับเคลื่อนระบบบังคับเลี้ยว

2. หลักการทำงานของกำไรต่อหุ้น

(1) ตรวจจับความตั้งใจของผู้ขับขี่เมื่อผู้ขับขี่หมุนพวงมาลัย เซ็นเซอร์แรงบิดจะวัดแรงบิดของเพลาพวงมาลัย และเซ็นเซอร์มุมบังคับเลี้ยวจะบันทึกมุมบังคับเลี้ยว โดยทั้งคู่ส่งสัญญาณไปยัง ECU สัญญาณความเร็วของยานพาหนะจะถูกป้อนเข้าพร้อมกัน (เช่น ต้องการความช่วยเหลือเพิ่มเติมที่ความเร็วต่ำ และความช่วยเหลือจะลดลงที่ความเร็วสูงเพื่อเพิ่มเสถียรภาพ)

(2) ECU คำนวณความต้องการความช่วยเหลือ ECU คำนวณความช่วยเหลือเป้าหมายตามแรงบิด ความเร็วของยานพาหนะ และแม้แต่สถานะของยานพาหนะ (เช่น มุมเอียงในรุ่นระดับไฮเอนด์- บางรุ่น) และส่งสัญญาณ PWM เพื่อควบคุมมอเตอร์ ตัวอย่างอัลกอริทึม:

การจอดรถด้วยความเร็วต่ำ-: มอเตอร์-ช่วยกำลังส่งแรงบิดสูง (เพื่อการบังคับเลี้ยวที่ง่ายดาย)

การขับขี่ด้วยความเร็วสูง-: ความช่วยเหลือลดลง (เพื่อปรับปรุงความรู้สึกบนท้องถนนและหลีกเลี่ยง-ความไวที่มากเกินไป)

(3) มอเตอร์ดำเนินการช่วยเหลือการบังคับเลี้ยว มอเตอร์ส่งกำลังไปยังคอพวงมาลัยผ่านกลไกการลดขนาด (เช่น เฟืองตัวหนอน สายพาน) หรือขับเคลื่อนแร็คโดยตรง (มีความแตกต่างทางโครงสร้างระหว่าง EPS ประเภทต่างๆ ดูด้านล่าง) ทิศทางของตัวช่วยมอเตอร์จะสอดคล้องกับทิศทางการบังคับเลี้ยวของผู้ขับขี่ (ตัดสินโดยขั้วของเซ็นเซอร์แรงบิด)

(4) การตอบสนองและการแก้ไขระบบจะตรวจสอบแรงบิดของพวงมาลัยและมุมบังคับเลี้ยวตามจริงอย่างต่อเนื่อง โดยจะปรับเอาท์พุตของมอเตอร์แบบไดนามิกเพื่อให้ได้รับการควบคุม-วงปิด และหลีกเลี่ยง-การช่วยเหลือหรือความล่าช้ามากเกินไป

3. การจำแนกประเภทและขอบเขตการใช้งานของ EPS

ขึ้นอยู่กับตำแหน่งการติดตั้งที่แตกต่างกันของมอเตอร์ EPS สามารถแบ่งได้เป็นประเภทต่อไปนี้:

4. ข้อดีและข้อเสียของ EPS

ข้อดี

(1) ประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูง-เป็นมิตร: ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าโดยตรง EPS ไม่จำเป็นต้องใช้ปั๊มไฮดรอลิกและมีการสูญเสียพลังงานต่ำมาก (HPS แบบดั้งเดิมใช้พลังงานของเครื่องยนต์อย่างต่อเนื่อง) สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า พลังงานที่ประหยัดสามารถเพิ่มระยะการขับขี่โดยอ้อม (การเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานประมาณ 3%-5%)

(2) ระบบช่วยบังคับเลี้ยวที่ปรับได้อย่างยืดหยุ่น: ระดับความช่วยเหลือสามารถปรับได้แบบไดนามิกผ่านซอฟต์แวร์เพื่อปรับให้เข้ากับสถานการณ์ต่างๆ (เช่น การบังคับเลี้ยวแบบเบาที่ความเร็วต่ำ การบังคับเลี้ยวที่เสถียรที่ความเร็วสูง) และยังรองรับโหมดการขับขี่ส่วนบุคคล (สปอร์ต/ความสะดวกสบาย)

(3) โครงสร้างที่เรียบง่าย ค่าบำรุงรักษาต่ำ: ขจัดน้ำมันไฮดรอลิก ปั๊ม ท่อ และส่วนประกอบอื่นๆ ลดความเสี่ยงของการรั่วไหลของน้ำมันและความจำเป็นในการบำรุงรักษาในภายหลัง

(4) ความสามารถในการปรับตัวต่อสภาพแวดล้อมที่แข็งแกร่ง: ไม่ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิที่สูงเกินไป (น้ำมันไฮดรอลิกจะข้นขึ้นที่อุณหภูมิต่ำในระบบไฮดรอลิก ส่งผลให้เกิดความล่าช้าในการบังคับเลี้ยว)

(5) รองรับระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง (ADAS): เข้ากันได้กับฟังก์ชัน ADAS เช่น การรักษาช่องทางเดินรถ และการจอดรถอัตโนมัติ

ข้อเสีย

(1) การตอบสนองความรู้สึกบนถนนที่อ่อนแอ: ความรู้สึกบนถนนจำลองของระบบช่วยเหลือด้วยไฟฟ้านั้นเป็นธรรมชาติน้อยกว่าระบบไฮดรอลิก

(2) การขึ้นอยู่กับความน่าเชื่อถือของระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์: ความผิดปกติของมอเตอร์ เซ็นเซอร์ หรือซอฟต์แวร์ควบคุมอาจทำให้สูญเสียความช่วยเหลืออย่างกะทันหัน (แม้ว่าจะมีการออกแบบที่ซ้ำซ้อน แต่ก็ยังมีความเสี่ยงอยู่)

(3) ความช่วยเหลือไม่เพียงพอภายใต้-สถานการณ์โหลดสูง: มอเตอร์กำลังสูง-มีราคาแพง และรุ่นราคาต่ำบางรุ่น-อาจมีความช่วยเหลือไม่เพียงพอภายใต้สภาวะการทำงานที่รุนแรง (เช่น การบังคับเลี้ยวขณะอยู่กับที่)

ครั้งที่สอง อิเล็กโทร-พวงมาลัยเพาเวอร์ไฮดรอลิก (EHPS)

เนื่องจากรถบรรทุกไฟฟ้ามีภาระหนักและต้องการความช่วยเหลือในการบังคับเลี้ยวที่แข็งแกร่ง บางรุ่นจึงใช้-พวงมาลัยพาวเวอร์ไฮดรอลิกแบบไฟฟ้า (EHPS) ซึ่งแนะนำเทคโนโลยีการควบคุมอิเล็กทรอนิกส์บนพื้นฐานของพวงมาลัยเพาเวอร์ไฮดรอลิกแบบดั้งเดิม (HPS) เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานและความสามารถในการควบคุม

1. องค์ประกอบของ EHPS

ระบบ EHPS ส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนประกอบต่อไปนี้:

(1) ปั๊มไฮดรอลิกไฟฟ้า- (แทนที่ปั๊มไฮดรอลิกที่ขับเคลื่อนโดยเครื่องยนต์แบบดั้งเดิม)- ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าและทำงานโดยไม่ขึ้นอยู่กับเครื่องยนต์ เหมาะสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า โดยทั่วไปจะใช้มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน (BLDC) หรือมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

(2) กลไกช่วยส่งกำลังไฮดรอลิก- (แร็คแอนด์พีเนียนหรือเฟืองบังคับเลี้ยวแบบบอลหมุนเวียน) คล้ายกับ HPS แต่แรงดันไฮดรอลิกจะถูกปรับอย่างแม่นยำโดยระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์

(3) หน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ (ECU) ปรับความเร็วการหมุนและความดันของปั๊มไฮดรอลิกไฟฟ้า-ตามสัญญาณ เช่น ความเร็วของยานพาหนะและแรงบิดของพวงมาลัย

(4) อ่างเก็บน้ำไฮดรอลิก ท่อไฮดรอลิก วาล์วบังคับเลี้ยวเหมือนกับ HPS แบบดั้งเดิม รับผิดชอบในการจัดเก็บและควบคุมการไหลของน้ำมันไฮดรอลิก

2. หลักการทำงานของ EHPS

(1) การรวบรวมสัญญาณเมื่อคนขับหมุนพวงมาลัย เซ็นเซอร์แรงบิดที่พวงมาลัยจะตรวจจับความตั้งใจในการบังคับเลี้ยวของคนขับ (ขนาดและทิศทางของแรงบังคับเลี้ยว) เซ็นเซอร์ความเร็วรถจะให้ข้อมูลความเร็วรถในปัจจุบัน (ความช่วยเหลือมากขึ้นที่ความเร็วต่ำ และความช่วยเหลือน้อยลงที่ความเร็วสูง)

(2) ECU คำนวณความช่วยเหลือที่จำเป็นตามข้อมูล เช่น แรงบิด ความเร็วของยานพาหนะ และมุมบังคับเลี้ยว ECU จะคำนวณความต้องการแรงดันไฮดรอลิกที่เหมาะสม และควบคุมความเร็วในการหมุนของปั๊มไฮดรอลิกแบบไฟฟ้า-

ความเร็วต่ำ (เช่น การจอดรถ): มอเตอร์ทำงานด้วยความเร็วสูงเพื่อให้น้ำมันไฮดรอลิกไหลจำนวนมากเพื่อการบังคับเลี้ยวที่ง่ายดาย

ความเร็วสูง: มอเตอร์จะช้าลงเพื่อลดการให้ความช่วยเหลือ เพิ่ม "เสถียรภาพ" ของพวงมาลัย และปรับปรุงเสถียรภาพในการขับขี่

(3) ปั๊มไฮดรอลิกไฟฟ้า-ให้แรงดันมอเตอร์ขับเคลื่อนปั๊มไฮดรอลิก ซึ่งจะเพิ่มแรงดันน้ำมันไฮดรอลิกและส่งไปยังวาล์วควบคุมพวงมาลัย วาล์วควบคุมจะนำทางน้ำมันไฮดรอลิกเข้าไปในห้องที่สอดคล้องกันของกระบอกไฮดรอลิกตามทิศทางของแรงบิดของพวงมาลัย โดยกดแร็คหรือส่วนเชื่อมต่อพวงมาลัยเพื่อให้ได้รับความช่วยเหลือในการบังคับเลี้ยว

ความเร็วต่ำ/บรรทุกหนัก: เพิ่มแรงดันไฮดรอลิกเพื่อเพิ่มความช่วยเหลือในการบังคับเลี้ยวที่ง่ายขึ้น

ความเร็วสูง/ไม่มีโหลด: ลดแรงดันไฮดรอลิกเพื่อลดการให้ความช่วยเหลือและปรับปรุงเสถียรภาพในการขับขี่

(4) การหมุนเวียนของน้ำมันไฮดรอลิก หลังจากการให้ความช่วยเหลือเสร็จสิ้น น้ำมันไฮดรอลิกจะไหลกลับไปยังอ่างเก็บน้ำเพื่อสร้างการไหลเวียนแบบปิด-

3. ข้อดีและข้อเสียของ EHPS

ข้อดี

(1) ตัวช่วยแรงบิดสูง-: เหมาะสำหรับ-รถบรรทุกไฟฟ้าและรถยนต์เพื่อการพาณิชย์ที่ใช้งานหนัก ซึ่งให้แรงบังคับเลี้ยวที่แข็งแกร่งกว่า EPS

(2) ความน่าเชื่อถือสูง: ระบบไฮดรอลิกที่สมบูรณ์ทำงานได้อย่างเสถียรภายใต้สภาวะการทำงานที่หนักหน่วง (เช่น อุณหภูมิต่ำ โหลดสูง)

(3) ต้นทุนปานกลาง: ประหยัดกว่า EPS (มาพร้อมกับมอเตอร์กำลังสูง + กลไกลดขนาด) และประหยัดพลังงานมากกว่า-มากกว่า HPS แบบเดิม

ข้อเสีย

(1) การใช้พลังงานที่ค่อนข้างสูง: ปั๊มไฮดรอลิกไฟฟ้า-ทำงานอย่างต่อเนื่องและสิ้นเปลืองพลังงานมากกว่า EPS (แต่ประหยัดพลังงาน-มากกว่า HPS แบบเดิม)

(2) โครงสร้างที่ซับซ้อน: ต้องใช้ท่อไฮดรอลิก อ่างเก็บน้ำ และส่วนประกอบอื่นๆ โดยมีการบำรุงรักษาที่ลำบากกว่า EPS เล็กน้อย

(3) การตอบสนองช้าเล็กน้อย: ความเร็วในการปรับแบบไดนามิกของระบบไฮดรอลิกต่ำกว่า EPS เล็กน้อย

ที่สาม คัดท้าย-โดย-ลวด (SBW)

คัดท้าย-โดย-ลวด (SBW)คือทิศทางการพัฒนาระบบบังคับเลี้ยวในอนาคต โดยจะขจัดการเชื่อมต่อทางกลไกระหว่างพวงมาลัยกับล้อโดยสิ้นเชิง และอาศัยสัญญาณไฟฟ้าทั้งหมดเพื่อควบคุมพวงมาลัย

1. องค์ประกอบของ SBW

ระบบ SBW ส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนประกอบต่อไปนี้:

(1) โมดูลพวงมาลัยรับผิดชอบในการตรวจจับความตั้งใจในการบังคับเลี้ยวของผู้ขับขี่และจำลองการตอบสนองของความรู้สึกบนถนน รวมถึง: เซ็นเซอร์แรงบิด/มุมของพวงมาลัย มอเตอร์ตอบสนองความรู้สึกของถนน และชุดควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ที่พวงมาลัย

(2) โมดูลควบคุมการบังคับเลี้ยวรับผิดชอบในการขับเคลื่อนพวงมาลัยโดยเปลี่ยนคอพวงมาลัยแบบเดิมและกลไกแร็คแอนด์พิเนียน รวมถึง: มอเตอร์ควบคุมการบังคับเลี้ยว เซ็นเซอร์มุมบังคับเลี้ยว และกลไกการลดขนาด (เช่น บอลสกรูหรือชุดเกียร์)

(3) หน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ (ECU) "สมอง" ของ SBW รับผิดชอบในการประมวลผลสัญญาณและการประสานงานของระบบ รวมถึง: ECU หลักและ ECU สำรอง

(4) ระบบความปลอดภัยสำรอง เพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัย SBW จะต้องติดตั้งการสำรองข้อมูลหลายรายการ รวมถึง: แหล่งจ่ายไฟคู่- ช่องการสื่อสารคู่ และระบบสำรองฉุกเฉินทางกลไก

2. หลักการทำงานของ SBW

(1) การรวบรวมสัญญาณ (โมดูลพวงมาลัย)

เซ็นเซอร์แรงบิด/มุม: ตรวจจับแรงและมุมของการหมุนพวงมาลัยของคนขับ แล้วแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า

สัญญาณ เช่น ความเร็วรถและอัตราการหันเห: รับสถานะรถ (เช่น ESP, ข้อมูล ABS) ผ่าน CAN บัสเพื่อคำนวณการตอบสนองของพวงมาลัยที่เหมาะสมที่สุด

(2) การควบคุมแบบอิเล็กทรอนิกส์ (การตัดสินใจของ ECU-)

ECU หลัก: คำนวณมุมบังคับเลี้ยวเป้าหมาย (ปรับอัตราส่วนการบังคับเลี้ยวแบบไดนามิกรวมกับความเร็วของรถ โหมดการขับขี่ ฯลฯ) และการตอบสนองที่เข้มข้นของความรู้สึกบนถนน (จำลองแรงโต้ตอบระหว่างยางกับพื้นผิวถนน) ตามสัญญาณเซ็นเซอร์

ECU สำรอง: ตรวจสอบระบบหลักแบบเรียลไทม์และเข้าควบคุมหรือเปิดใช้งานโหมดฉุกเฉินทันทีเมื่อตรวจพบข้อผิดพลาด (เช่น สัญญาณขาดหาย ความผิดปกติของมอเตอร์)

(3) การบังคับเลี้ยว (การขับเคลื่อนล้อ) มอเตอร์ควบคุมการบังคับเลี้ยว (โดยปกติคือมอเตอร์ไร้แปรงถ่านที่มีแรงบิดสูง-) จะขับเคลื่อนชั้นวางหรือข้อนิ้วบังคับเลี้ยวโดยตรงเพื่อดันล้อให้หมุน เซ็นเซอร์ตำแหน่งจะป้อนกลับมุมบังคับเลี้ยวที่แท้จริงของล้อแบบเรียลไทม์เพื่อให้บรรลุการควบคุม-ลูปแบบปิด และรับประกันการดำเนินการคำสั่ง ECU ที่แม่นยำ

(4) การจำลองความรู้สึกบนถนน (การตอบสนองของพวงมาลัย) มอเตอร์ตอบสนองความรู้สึกบนถนนใช้แรงต้านที่ตั้งโปรแกรมได้กับพวงมาลัย เพื่อจำลองความรู้สึกบนถนนแบบกลไกของระบบบังคับเลี้ยวแบบเดิม (เช่น การกระแทก การเปลี่ยนการยึดเกาะของยาง)

3. ข้อดีและข้อเสียของ SBW

ข้อดี

(1) ไม่มีการเชื่อมต่อทางกล: ปรับปรุงความยืดหยุ่นของโครงร่างแชสซีและเพิ่มพื้นที่ภายใน

(2) อัตราส่วนพวงมาลัยแบบแปรผัน: สามารถปรับมุมการหมุนพวงมาลัยและมุมพวงมาลัยได้อย่างอิสระ (เช่น พวงมาลัยที่ละเอียดอ่อนมากขึ้นที่ความเร็วต่ำ มีเสถียรภาพมากขึ้นที่ความเร็วสูง)

(3) ปรับให้เข้ากับการขับขี่แบบอัตโนมัติได้อย่างสมบูรณ์แบบ: สามารถควบคุมการบังคับเลี้ยวได้อย่างเต็มที่ด้วยคอมพิวเตอร์ โดยไม่ต้องมีการแทรกแซงจากคนขับ

(4) การป้องกันการชนที่ปลอดภัยกว่า: ไม่มีคอพวงมาลัย ซึ่งจะไม่ก้าวเข้าไปในห้องคนขับในกรณีที่เกิดการชนกัน

ข้อเสีย

(1) ต้นทุนสูง: ต้องการส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความน่าเชื่อถือสูง-และระบบสำรอง

(2) ข้อจำกัดด้านกฎระเบียบ: ในปัจจุบัน บางประเทศจำเป็นต้องมีการเก็บรักษาการสำรองข้อมูลทางกลไกบางส่วน (เช่น ระบบ SBW ของโตโยต้า ยังคงรักษาการเชื่อมต่อฉุกเฉินของคลัตช์ไว้)

(3) การยอมรับของผู้บริโภค: ผู้ใช้บางรายมีข้อสงสัยเกี่ยวกับวิธีการบังคับเลี้ยวแบบ "ไม่มีการเชื่อมต่อทางกล"

IV. สรุป

บทความนี้จะแนะนำระบบบังคับเลี้ยวที่แตกต่างกันสามประเภทสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าและหลักการทำงาน เนื่องจากรถบรรทุกไฟฟ้ามีภาระการบังคับเลี้ยวที่หนัก EHPS (พวงมาลัยเพาเวอร์ไฟฟ้าแบบไฮดรอลิกไฟฟ้า) ยังคงเป็นโซลูชันหลักในปัจจุบัน ซึ่งทำให้เกิดความสมดุลที่ดีระหว่างความเข้มข้นของความช่วยเหลือ ความน่าเชื่อถือ และต้นทุน อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยี EPS กำลังสูง- รถบรรทุกไฟฟ้าบางรุ่นอาจเปลี่ยนไปใช้ EPS หรือระบบบังคับเลี้ยวแบบไฮบริดในอนาคต ปัจจุบัน EPS ยังคงเป็นโซลูชันที่คุ้มค่าที่สุด-และมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย อนาคตของระบบบังคับเลี้ยวของรถยนต์ไฟฟ้าจะพัฒนาจาก EPS (พวงมาลัยเพาเวอร์ไฟฟ้า) ไปจนถึง SBW (คัดท้าย-โดย-ลวด) และ SBW จะกลายเป็นกระแสหลักที่มีความยืดหยุ่นและความเข้ากันได้กับการขับขี่แบบอัตโนมัติที่สูงกว่า