基于温度控制策略的电动液压助力转向系统

陈运来， 王浩宇， 吴海波， 谭二雷

(宇通客车股份有限公司， 郑州 450061)

电动液压助力转向系统(EHPS)作为一种节能性较好、可靠性较高的高性能助力转向系统，在电动商用车上得以广泛应用。但由于EHPS作为独立系统为整车提供转向助力，与整车主驱动系统无直接联系，也无间接的预热源，因此该系统存在随着环境温度降低，转向液压油的粘度阻力增大，流动性变差，在首次启动时，电动转向油泵叶片不能有效且快速地从转子沟槽中甩出，从而不能提供转向助力，同时伴随着工作声音大等问题，车辆在运行前，需要提前让EHPS工作片刻方可恢复正常。尤其在环境温度极低时，除了更换耐低温性能较好的转向油外(如10#航空液压油，但其耐高温性能差，需要在夏季再更换为通常液压油)，还要借助外界预热(如对转向储油罐浇热水等)，这样EHPS才能快速为整车提供转向助力。上述操作既不方便也耽误车辆运营。传统内燃机车辆采用液压助力转向系统(HPS)，在发动机启动后，发动机作为间接热源，其热量通过热传导对HPS进行预热，不存在上述问题。为克服低温转向油的阻力，解决因低温无转向助力的问题，本文针对EHPS提出基于温度的控制策略，通过控制转速进行低温补偿，以提高转向助力的响应速度，解决低温启动时转向无助力、吸油不畅导致声音大等问题，增强电动汽车对高寒地区的适应性。

1 EHPS构成及工作原理

1.1 系统构成

EHPS的动力源为电动转向油泵，转向电机和电动转向油泵通过联轴器集成在一起。基于温度控制的EHPS构成如图1所示。在HPS基础上，将由发动机驱动改为由转向电机驱动。转向电机类型一般有交流三相异步电机、直流无刷、永磁同步电机等，本文转向电机采用效率和可靠性较高的永磁同步电机。转向控制器6通过高压动力线束3和控制线束4控制转向电机8来驱动转向油泵7。转向油罐1中的液压油经转向油管2输入至动力转向器10，通过转向执行机构为整车提供液压转向助力。

1-转向油罐； 2-转向油管； 3-高压动力线束； 4-控制线束； 5-温度控制线束； 6-转向控制器； 7-电动转向油泵； 8-转向电机；9-温度传感器； 10-动力转向器； 11-转向盘

1.2 电动转向油泵工作原理

电动转向油泵通常采用低噪声的叶片泵，叶片为叶片泵的核心部件，镶嵌入转子槽内，与泵壳(定子曲面)相接触，将吸入的液体由进油侧压向排油侧的泵。吸油与压油过程如图2所示。

叶片泵转子旋转时，叶片在离心力和压力油的作用下，尖部紧贴在定子内部表面上，两个叶片与转子、定子内表面构成工作容积，先由小到大吸油后再由大到小排油(压缩液压油)，叶片旋转一周时，完成两次吸油和排油，叶片泵完成吸油、压油过程，输出流量随转速提高而增大，而输出压力取决于动力转向系统的外界负荷。流量越大，压力越高，液体液压能越大。按照实车需求，控制转速为整车提供液压能。由于转向液压油粘度阻力随温度升高而降低，随温度降低而加大，若转向液压油温度降低，流动性就会变差，进而导致转向助力变差，所以转向助力的大小还与转向油所处的环境温度有关。对转向油泵叶片进行受力分析，其简化模型如图3所示。

1) 假定叶片与转子相对的两面中一面受粘滞阻力为，另一面受切向加速度产生的摩擦阻力为，叶片与配油盘的接触面在重力作用下受摩擦阻力为，则这三个力共同构成。 经测算，摩擦阻力较小，可忽略不计，故=+。

2) 转向油泵在转向电机驱动下旋转运动，叶片做圆周运动产生离心力作用，只有旋转速度足够大(当叶片离心力大于时)，叶片才能被甩出，叶片的离心力满足式(1)：

===4π

(1)

式中：为叶片质量；为叶片随转子旋转线速度；为叶片旋转半径；为叶片旋转的角速度；为转向油泵或转向电机转速。

式(1)表明越大，越大。叶片高速旋转，产生了较大的离心力，叶片在较大的离心力条件下挣脱因低温条件而增大的液压油粘度阻力，从而快速从转子沟槽中甩出。

2 基于温度的控制策略

电动转向油泵和整车主驱动系统无直接关系，不存在因整车加、减速而进行频繁的变转速冲击、溢流等导致的高温现象，因而其工况优于传统内燃机汽车的转向油泵工况，其温升也比传统内燃机汽车的转向油泵低，不存在高温现象。因此需重点研究低温环境下无转向助力问题及控制策略。目前常用的控制方法是根据车速进行随速度助力控制或变频控制，而没有进行温度控制。

基于温度控制策略的原理是：转向控制器对转向电机的控制不再单纯基于电流系统的转速变化的控制，而是同时基于转向液压油的温度进行电动转向油泵转速的综合控制，温度越低，转向油泵的转速越高，只要高于某转速，叶片离心力大于叶片合阻力，叶片容易甩出供油。如图1所示，在距离转向油泵7进油口8(为吸油软管内径)的吸油管上设置温度传感器9，对转向液压油温度进行实时监测，并将温度对应的电压信号传送至转向控制器，由转向控制器根据预先标定的参数进行转向电机转速控制。针对实车不同转向液压油温度，进行多次标定试验，找出满足式(1)要求的转向油泵转速对应的不同转向油温度，并确立两者之间的参数对应关系，以便在不同下快速对转向液压油进行预热，为整车提供转向助力。

实车控制策略如下：当车辆通电后，转向控制器按表1进行逻辑判断并执行相应控制。

表1 基于温度控制的参数对应表格

表1中，、分别表示为-25 ℃和10 ℃时对应的电压信号值，且<；、、分别表示≤-25 ℃、-25 ℃<≤10 ℃、>10 ℃时对应的转向电机应有的转速，且>>。

3 实车验证

将上述基于温度控制的转向油泵转速策略导入车辆转向控制程序中，进行运行验证：

1) 当≤-25 ℃时，电动转向油泵以高转速工作，可快速吸油并建立油压，提供转向助力。

2) 当>10 ℃时，电动转向油泵以低速工作，能够为整车提供可靠的转向助力。

3) 当-25 ℃<≤10 ℃时，电动转向油泵以中转速工作，能够为整车提供可靠的转向助力。

跟踪≤-25 ℃下的运行车辆，发现每天首次启动车辆都可以快速让EHPS恢复正常。≤-25 ℃下，按照汽车操纵稳定性试验方法进行实车试验，结果满足文献[7]中转向性能和转向轻便性要求；同时车辆EHPS噪声也满足QC/T 299.1—2014 要求。

4 结束语

本文采用基于低温的转向油泵转速控制策略，可以快速解决首次启动车辆出现的转向无助力、噪声大等问题。从而确保在低温环境下快速为整车提供稳定、可靠的液压转向助力及安静的车内环境。