De stuursystemen voor elektrische voertuigen verschillen, als essentieel systeem van elektrische voertuigen, aanzienlijk van die van brandstof-voertuigen. Ze zijn hoofdzakelijk onderverdeeld in drie categorieën: elektrische stuurbekrachtiging (EPS), elektrische-hydraulische stuurbekrachtiging (EHPS) en stuur-via-draad (SBW). Elk type heeft verschillende werkingsprincipes, voordelen, nadelen en toepassingsgebieden. Dit artikel gaat dieper in op de samenstelling en werkingsprincipes van deze drie stuursystemen voor elektrische voertuigen.
I. Elektrische stuurbekrachtiging (EPS)
EPSis momenteel het meest gebruikte stuursysteem in elektrische voertuigen. Het maakt gebruik van een elektromotor om stuurhulp te bieden, ter vervanging van de traditionele hydraulische stuurbekrachtiging (HPS).
1. Samenstelling van EPS
EPS bestaat hoofdzakelijk uit de volgende componenten:
(1) Koppelsensor: detecteert het koppel en de richting van de stuurwielrotatie (de bedoeling van de bestuurder).
(2) Stuurhoeksensor: bewaakt de stuurwielhoek (in sommige systemen geïntegreerd in de koppelsensor).
(3) Voertuigsnelheidssensor: levert voertuigsnelheidssignalen (voor het dynamisch aanpassen van het niveau van de stuurondersteuning).
(4) Elektronische regeleenheid (ECU): verwerkt sensorgegevens in realtime en berekent de benodigde stuurhulp.
(5) Hulpmotor-: Gewoonlijk een borstelloze gelijkstroommotor (BLDC), die koppel via een reductiemechanisme (bijvoorbeeld een wormwiel) naar de stuurkolom of het stuurhuis overbrengt.
(6) Reductiemechanisme: versterkt het motorkoppel om het stuursysteem aan te drijven.
2. Werkingsprincipe van EPS
(1) Detecteer de intentie van de bestuurder Wanneer de bestuurder aan het stuur draait, meet de koppelsensor het torsiekoppel van de stuuras en registreert de stuurhoeksensor de stuurhoek, waarbij beide signalen naar de ECU sturen. Voertuigsnelheidssignalen worden synchroon ingevoerd (er is bijvoorbeeld meer assistentie nodig bij lage snelheden en de assistentie wordt verminderd bij hoge snelheden om de stabiliteit te verbeteren).
(2) ECU berekent de vraag naar assistentie De ECU berekent de beoogde assistentie op basis van koppel, voertuigsnelheid en zelfs voertuigstatus (bijvoorbeeld de kantelhoek in sommige high- modellen) en voert een PWM-signaal uit om de motor te besturen. Voorbeelden van algoritmen:
Parkeren bij lage-snelheid: de kracht-motor levert een hoog koppel (voor moeiteloos sturen).
Rijden met hoge-snelheid: de ondersteuning wordt verminderd (om het weggevoel te verbeteren en over-gevoeligheid te voorkomen).
(3) Motor voert stuurondersteuning uit. De motor brengt vermogen over naar de stuurkolom via een reductiemechanisme (bijv. wormwiel, riem) of drijft rechtstreeks het tandheugel aan (er bestaan structurele verschillen tussen verschillende EPS-typen, zie hieronder). De richting van de motorondersteuning komt overeen met de stuurrichting van de bestuurder (beoordeeld aan de hand van de polariteit van de koppelsensor).
(4) Feedback en correctieHet systeem controleert voortdurend het stuurkoppel en de werkelijke stuurhoek, waarbij het motorvermogen dynamisch wordt aangepast om gesloten-loopcontrole te bereiken en over-ondersteuning of vertraging te voorkomen.
3. Classificatie en toepassingsgebied van EPS
Op basis van de verschillende inbouwposities van de motor kan EPS worden onderverdeeld in de volgende typen:
| Type | Motorpositie | Toepasselijke voertuigmodellen | Functies |
|---|---|---|---|
| C-EPS (kolom-type EPS) | Gemonteerd op de stuurkolom | Compacte auto's, micro-auto's | Eenvoudige structuur, lage kosten, maar lage hulpopbrengst |
| P-EPS (rondsel-type EPS) | Gemonteerd op het stuurtandwiel | Compacte/middelgrote auto's | Matige ondersteuning, goed-gebalanceerde prestaties |
| R-EPS (rek-type EPS) | Stuurt direct het stuurhuis aan | Grote en middelgrote-auto's, SUV's | Hoge ondersteuningscapaciteit, snelle respons, geschikt voor zware-voertuigen |
| DP-EPS (dubbele-Pinion EPS) | Twee motoren drijven respectievelijk het rondsel en de tandheugel aan | Auto's met hoge-prestaties, luxe auto's | Preciezere besturing, betere dynamische respons |
4. Voor- en nadelen van EPS
Voordelen
(1) Hoge energie-efficiëntie, bereikvriendelijk: EPS wordt rechtstreeks aangedreven door een elektromotor, heeft geen hydraulische pomp nodig en heeft een extreem laag energieverlies (traditionele HPS verbruikt voortdurend motorvermogen). Voor elektrische voertuigen kan de bespaarde energie indirect het rijbereik vergroten (ongeveer 3%-5% optimalisatie van de energie-efficiëntie).
(2) Flexibel instelbare stuurbekrachtiging: het ondersteuningsniveau kan via software dynamisch worden aangepast om zich aan verschillende scenario's aan te passen (bijvoorbeeld lichte besturing bij lage snelheden, stabiele besturing bij hoge snelheden) en ondersteunt zelfs gepersonaliseerde rijmodi (sport/comfort).
(3) Eenvoudige structuur, lage onderhoudskosten: elimineert hydraulische olie, pompen, pijpleidingen en andere componenten, waardoor het risico op olielekkage en de noodzaak van daaropvolgend onderhoud wordt verminderd.
(4) Sterk aanpassingsvermogen aan de omgeving: wordt niet beïnvloed door extreme temperaturen (hydraulische olie wordt dikker bij lage temperaturen in hydraulische systemen, wat leidt tot stuurvertraging).
(5) Ondersteuning voor geavanceerde rijhulpsystemen (ADAS): compatibel met ADAS-functies zoals rijstrookassistentie en automatisch parkeren.
Nadelen
(1) Zwakke feedback over het weggevoel: het gesimuleerde weggevoel van elektrische assistentie is minder natuurlijk dan dat van hydraulische systemen.
(2) Afhankelijkheid van de betrouwbaarheid van het elektronische besturingssysteem: Storingen in de motor, sensoren of besturingssoftware kunnen een plotseling verlies van ondersteuning veroorzaken (hoewel er redundantieontwerpen zijn, bestaan er nog steeds risico's).
(3) Onvoldoende ondersteuning bij scenario's met hoge- belasting: motoren met hoog-vermogen zijn duur, en sommige laag-geprijsde modellen bieden mogelijk onvoldoende ondersteuning onder extreme werkomstandigheden (bijvoorbeeld sturen terwijl ze stilstaan).
II. Elektrische-hydraulische stuurbekrachtiging (EHPS)
Vanwege de zware belasting van elektrische vrachtwagens en de behoefte aan sterkere stuurbekrachtiging, maken sommige modellen gebruik van elektrische-hydraulische stuurbekrachtiging (EHPS), waarbij elektronische besturingstechnologie wordt geïntroduceerd op basis van traditionele hydraulische stuurbekrachtiging (HPS) om de energie-efficiëntie en bestuurbaarheid te verbeteren.
1. Samenstelling van EHPS
Het EHPS-systeem bestaat hoofdzakelijk uit de volgende componenten:
(1) Elektro-hydraulische pomp (ter vervanging van de traditionele, door een motor-aangedreven hydraulische pomp). Deze wordt aangedreven door een elektromotor en werkt onafhankelijk van de motor en is geschikt voor elektrische voertuigen. Meestal wordt er gebruik gemaakt van een borstelloze gelijkstroommotor (BLDC) of synchrone motor met permanente magneet (PMSM) om de energie-efficiëntie te verbeteren.
(2) Hydraulisch aandrijfmechanisme- (tandheugel of stuurinrichting met kogelomloop) Vergelijkbaar met HPS, maar de hydraulische druk wordt nauwkeurig afgesteld door het elektronische regelsysteem.
(3) Elektronische regeleenheid (ECU) Past de rotatiesnelheid en druk van de elektro-hydraulische pomp aan op basis van signalen zoals voertuigsnelheid en stuurkoppel.
(4) Hydraulisch reservoir, hydraulische pijpleidingen, stuurklep Hetzelfde als traditionele HPS, verantwoordelijk voor de opslag en stroomregeling van hydraulische olie.
2. Werkingsprincipe van EHPS
(1) Signaalverzameling Wanneer de bestuurder aan het stuur draait, detecteert de stuurkoppelsensor de stuurintentie van de bestuurder (de grootte en richting van de stuurkracht). De voertuigsnelheidssensor levert de actuele voertuigsnelheidsinformatie (meer ondersteuning bij lage snelheden, minder ondersteuning bij hoge snelheden).
(2) ECU berekent de benodigde ondersteuning. Op basis van gegevens zoals koppel, voertuigsnelheid en stuurhoek berekent de ECU de juiste hydraulische drukvraag en regelt de rotatiesnelheid van de elektro-hydraulische pomp.
Lage snelheden (bijvoorbeeld parkeren): De motor draait op hoge snelheid om een grote stroom hydraulische olie te leveren voor moeiteloos sturen.
Hoge snelheden: de motor vertraagt om de ondersteuning te verminderen, de "stabiliteit" van het stuur te vergroten en de rijstabiliteit te verbeteren.
(3) Elektro-hydraulische pomp zorgt voor druk. De motor drijft de hydraulische pomp aan, die de hydraulische olie onder druk brengt en deze naar de stuurregelklep aflevert. Afhankelijk van de richting van het stuurkoppel leidt de regelklep de hydraulische olie naar de overeenkomstige kamer van de hydraulische cilinder, waarbij het heugel of de stuurstang wordt ingedrukt om stuurhulp te verkrijgen.
Lage snelheid/zware belasting: Verhoog de hydraulische druk om de ondersteuning te verbeteren en het sturen te vergemakkelijken.
Hoge snelheid/geen belasting: Verlaag de hydraulische druk om de ondersteuning te verminderen en de rijstabiliteit te verbeteren.
(4) Circulatie van hydraulische olie Nadat de hulp is voltooid, stroomt de hydraulische olie terug naar het reservoir om een gesloten-luscirculatie te vormen.
3. Voor- en nadelen van EHPS
Voordelen
(1) Hoge-koppelondersteuning: geschikt voor zware- elektrische vrachtwagens en bedrijfsvoertuigen, en biedt een grotere stuurkracht dan EPS.
(2) Hoge betrouwbaarheid: het volwassen hydraulische systeem presteert stabiel onder extreme werkomstandigheden (bijvoorbeeld lage temperaturen, hoge belasting).
(3) Lage kosten: zuiniger dan EPS (uitgerust met een motor met hoog-vermogen + reductiemechanisme) en energiezuiniger- dan traditioneel HPS.
Nadelen
(1) Relatief hoog energieverbruik: de elektro-hydraulische pomp draait continu en verbruikt meer stroom dan EPS (maar energiezuiniger- dan traditionele HPS).
(2) Complexe structuur: vereist hydraulische pijpleidingen, reservoirs en andere componenten, met iets lastiger onderhoud dan EPS.
(3) Enigszins trage reactie: de dynamische aanpassingssnelheid van het hydraulische systeem is iets lager dan die van EPS.
III. Sturen-via-draad (SBW)
Sturen-via-draad (SBW)is de toekomstige ontwikkelingsrichting van stuursystemen. Het elimineert volledig de mechanische verbinding tussen het stuur en de wielen en vertrouwt volledig op elektrische signalen om de besturing te regelen.
1. Samenstelling SBW
Het SBW-systeem bestaat hoofdzakelijk uit de volgende componenten:
(1) StuurwielmoduleVerantwoordelijk voor het detecteren van de stuurintentie van de bestuurder en het simuleren van weggevoelfeedback, inclusief: stuurwielkoppel-/hoeksensor, weggevoelfeedbackmotor en elektronische regeleenheid op het stuur.
(2) Stuuruitvoeringsmodule Verantwoordelijk voor het aandrijven van de wielbesturing, ter vervanging van de traditionele stuurkolom en het tandheugelmechanisme, inclusief: stuuruitvoeringsmotor, stuurhoeksensor en reductiemechanisme (bijv. kogelomloopspindel of tandwielset).
(3) Elektronische regeleenheid (ECU) Het "brein" van SBW, verantwoordelijk voor signaalverwerking en systeemcoördinatie, inclusief: hoofd-ECU en redundante ECU.
(4) Redundant veiligheidssysteem Om de veiligheid te garanderen, moet SBW worden uitgerust met meerdere back-ups, waaronder: dubbele-voeding, dubbele communicatiekanalen en mechanische noodback-up.
2. Werkingsprincipe van SBW
(1) Signaalverzameling (stuurwielmodule)
Koppel-/hoeksensor: detecteert de kracht en hoek van de stuurwielrotatie van de bestuurder en zet deze om in elektrische signalen.
Signalen zoals voertuigsnelheid en giersnelheid: Verkrijg de voertuigstatus (bijv. ESP-, ABS-gegevens) via de CAN-bus voor het berekenen van de optimale stuurreactie.
(2) Elektronische controle (ECU-besluitvorming-)
Hoofd-ECU: Berekent de beoogde stuurhoek (past dynamisch de stuurverhouding aan in combinatie met voertuigsnelheid, rijmodus, enz.) en de intensiteit van de weggevoelfeedback (simuleert de interactiekracht tussen banden en het wegdek) op basis van sensorsignalen.
Redundante ECU: bewaakt het hoofdsysteem in realtime en neemt onmiddellijk de noodmodus over of activeert deze zodra er een fout wordt gedetecteerd (bijvoorbeeld signaalverlies, motorafwijking).
(3) Stuuruitvoering (wielaandrijving) De stuuruitvoeringsmotor (meestal een borstelloze motor met hoog-koppel) drijft rechtstreeks het tandheugel of de stuurknokkel aan om de wielen in beweging te brengen. De positiesensor geeft de werkelijke stuurhoek van de wielen in realtime terug om een gesloten-luscontrole te bereiken en de nauwkeurige uitvoering van ECU-instructies te garanderen.
(4) Simulatie van het rijgevoel (stuurwielfeedback) De motor voor feedback van het weggevoel past programmeerbare weerstand toe op het stuur om het mechanische weggevoel van traditionele stuursystemen te simuleren (bijvoorbeeld hobbels, veranderingen in de grip van de banden).
3. Voor- en nadelen van SBW
Voordelen
(1) Geen mechanische verbinding: Verbetert de flexibiliteit van de chassisindeling en vergroot de binnenruimte.
(2) Variabele stuurverhouding: de draaihoek van het stuur en de stuurhoek kunnen vrij worden aangepast (bijvoorbeeld een gevoeliger stuur bij lage snelheden, stabieler bij hoge snelheden).
(3) Perfect aangepast aan autonoom rijden: de besturing kan volledig worden gecontroleerd door een computer zonder tussenkomst van de bestuurder.
(4) Veiligere bescherming tegen aanrijdingen: geen stuurkolom, die bij een botsing niet in de bestuurdersruimte dringt.
Nadelen
(1) Hoge kosten: vereist hoge-betrouwbare elektronische componenten en redundante systemen.
(2) Regelgevingsbeperkingen: Momenteel eisen sommige landen het behoud van gedeeltelijke mechanische back-ups (het SBW-systeem van Toyota heeft bijvoorbeeld nog steeds een noodkoppeling voor de koppeling).
(3) Acceptatie door de consument: Sommige gebruikers hebben twijfels over de stuurmethode "geen mechanische verbinding".
IV. Samenvatting
Dit artikel introduceert drie verschillende soorten stuursystemen voor elektrische voertuigen en hun werkingsprincipes. Vanwege de zware stuurbelasting van elektrische vrachtwagens is EHPS (elektro-hydraulische stuurbekrachtiging) momenteel nog steeds de reguliere oplossing, waarmee een goed evenwicht wordt bereikt tussen ondersteuningsintensiteit, betrouwbaarheid en kosten. Door de ontwikkeling van de krachtige EPS-technologie- zullen sommige elektrische vrachtwagens in de toekomst echter mogelijk overstappen op EPS of hybride stuursystemen. Momenteel is EPS nog steeds de meest kosteneffectieve oplossing-en wordt veel gebruikt. De toekomst van stuursystemen voor elektrische voertuigen zal evolueren van EPS (elektrische stuurbekrachtiging) naar SBW (Steer-By-Wire), en SBW zal de mainstream worden met zijn grotere flexibiliteit en compatibiliteit met autonoom rijden.