电动客车高压供电故障时转向系统保护措施研究

马微军， 黄德行, 王永令

(比亚迪汽车工业有限公司， 广东 深圳 518118)

目前行业内电动客车的转向系统多数为电动液压助力转向系统(EHPS),其转向助力油泵由油泵电机驱动。在车辆转向过程中，若发生油泵电机高压供电故障导致电机停转，对驾驶员而言，会突然失去转向助力，产生转向盘强力回弹打手现象，可能伤害驾驶员甚至造成车辆失控事故，因此有必要对此故障发生时的保护措施进行深入研究[1-3]。

1 问题描述及原因分析

某电动客车试验中模拟转向油泵电机高压供电故障时，会产生转向盘强力回弹打手现象：当转向至接近左、右极限位置切断油泵电机高压电时，转向盘回弹力非常大，驾驶员完全无法有效控制转向盘；同时在转向盘回弹过程中，油泵电机产生较大反向电动势，烧毁油泵电机控制器。

1.1 转向油泵电机断电瞬间对转向系统的影响

车辆转向时，由于车辆前桥主销内、后倾角的存在，前轮会产生一定的回正力矩，转向系统正常工作时，由动力转向器输出的扭矩克服该回正力矩，实现较为轻松的助力转向。但是，当转向油泵电机突然停止工作时，动力转向器的液压助力消失，车轮回正力通过转向传动机构传递至转向盘，使转向盘反转，造成回弹打手现象。转向角越大时，车轮产生的回正力越大，回弹打手现象就越严重。

在转向油泵电机断电瞬间，由于动力转向器内部转阀未及时转换，车轮回正力矩推动转向器活塞反向运动，系统的液压会逆流推动转向油泵叶片反向转动，使油泵电机反转产生可高达超1 000 V的反向电动势，烧毁油泵电机控制器。

1.2 液压突变导致油液体积变化的影响

1.2.1 转向油液可压缩性的影响

随着液压系统压力增大，液体的可压缩性所带来的性能差异越来越明显[4-5]。液体可压缩性的大小用体积压缩系数k来表示(受压液体在单位压力变化时发生的体积相对变化量)；液体体积压缩系数的倒数被称为液体的体积弹性模量(即液体产生单位体积相对变化量时所需要的压力增量)，用K表示。

石油基液压油的K值是钢(K=2.06×105MPa) 的1/(100～150)，但在实际使用中，由于液体内不可避免会混入空气等杂质，使其抗压缩能力进一步降低，因此在有较高要求或压力变化较大的液压系统中，应尽量减少油液中混入的气体及其他易挥发性物质(如煤油、汽油等)的含量。由于油液中的气体难以完全排除，在工程计算中常取液压油的体积弹性模量K=0.7×103MPa左右[6-8]。

对于电动客车，通常采用转向液压助力系统，最大液压值大约为13～17 MPa；当转向液压系统中液压值由最大17 MPa突变至0时，大约有2.43%的体积变化量，转向油管及转向器中油液体积约4 L，即体积会增大约0.1 L，取转向油泵的排量为18 mL/r，假设膨胀的油液全部从油泵处回流，则油泵电机可反转5.5圈左右，可产生超1 000 V的反向电动势，烧毁油泵电机控制器。

1.2.2 转向系统液压转向限位器的影响

动力转向器内部一般有2套液压保护装置，即安全阀与液压转向限位器。液压转向限位器在转向达到某一设定行程时发挥作用，避免转向机转到极限位置时系统压力过大，从而保护转向机和转向油泵，预防油温过高。

正常装车并设置转向器液压转向限位器限位如图1(a)所示，前桥限位处预留1～2 mm间隙而没有被顶到，可使转向系统液压为刚好满足系统需求的状态。但实际装车因有少量车辆装配不良，导致左右转至极限位置时液压转向限位器限位如图1(b)所示，此时转向系统液压为转向油泵能达到的最大值，远远大于实际需求。若突发转向油泵电机高压断电故障，会导致液压系统中液压值突变过大，从而引起转向盘强力回弹及烧毁油泵电机控制器。

(a) 正确设置 (b) 错误设置

2 保护措施及效果

在从根源上解决高压供电故障问题的同时，也需在终端对驾驶员及车辆和零部件进行保护，将问题导致的安全风险尽量降低。

针对上述原因分析，制定相应的保护措施：

1) 在液压管路转向油泵出口处增加单向阀，阻止高压断电故障时油液回流至转向油泵引起油泵电机反转。

2) 正确设置液压转向限位器限位，避免出现如图1(b)所示的转向器行程限位失效情况。

3) 增加一套低压油泵供给系统，在高压断电时，可提供转向器所需的压力和流量，保证转向系统继续工作一段时间。此方案原理较复杂，涉及改动大，增加零件多，成本高，在此不做进一步阐述。

2.1 加单向阀方案及效果

测试某车辆加装单向阀前后的效果对比如下：

1) 转向盘回弹情况。加装单向阀前，转向盘左右转至极限位置，车速15 km/h、10 km/h、5 km/h，高压断电瞬间转向盘回弹打手较严重，驾驶员无法接受；而加装单向阀后，转向盘左右转至极限位置，高压断电瞬间转向盘基本无回弹力。

2) 通过车辆CAN报文采集的转向油泵电机运转数据发现，加装单向阀前，转向盘在转向至极限位置时高压断电0.04 s后电机反转到1 200 r/min左右，母线电压超1 000 V。而加装单向阀后，转向盘在转向至极限位置高压断电0.04 s后电机反转到520 r/min左右，母线电压超540 V。

2.2 液压转向限位器设置验证

在另一车辆中，将前桥右侧限位螺栓正确设置如图1(a)，左侧限位螺栓错误设置如图1(b)，模拟高压供电故障，观察转向盘回弹情况。测试结果表明，在车辆回正力矩一致情况下，当转向盘右转向至极限位置时，系统液压值约为7 MPa，仅有微小回弹力；驾驶员左转向至极限位置时，系统液压值高达17.5 MPa，转向盘有较大回弹力，驾驶员不能操控，需要进行规避。

3 结束语

通过在多款车型液压管路转向油泵出口处增加单向阀方案验证，在转向油泵电机高压供电故障瞬间，转向盘回弹及油泵电机反转问题改善效果明显，解决了车辆转向盘回弹打手问题，避免油泵电机控制器因电机反转出现烧毁故障，提高了车辆行驶安全性，可在市场上广泛应用。