Systémy řízení elektrických vozidel, jakožto klíčový systém elektrických vozidel, se výrazně liší od systémů řízení vozidel-poháněných palivem. Dělí se hlavně do tří kategorií: elektrický posilovač řízení (EPS), elektro-hydraulický posilovač řízení (EHPS) a řízení-po-drátovém řízení (SBW). Každý typ se vyznačuje odlišnými pracovními principy, výhodami, nevýhodami a rozsahem použití. Tento článek se zabývá složením a principy fungování těchto tří systémů řízení pro elektrická vozidla.
I. Elektrický posilovač řízení (EPS)
EPSje v současnosti nejpoužívanějším systémem řízení u elektromobilů. K podpoře řízení využívá elektromotor, který nahrazuje tradiční hydraulický posilovač řízení (HPS).
1. Složení EPS
EPS se skládá hlavně z následujících komponent:
(1) Snímač točivého momentu: Detekuje točivý moment a směr otáčení volantu (záměr řidiče).
(2) Snímač úhlu natočení volantu: Monitoruje úhel natočení volantu (u některých systémů integrován do snímače točivého momentu).
(3) Snímač rychlosti vozidla: Poskytuje signály rychlosti vozidla (pro dynamické nastavení úrovně podpory řízení).
(4) Elektronická řídicí jednotka (ECU): Zpracovává data ze senzorů v reálném čase a vypočítává požadovanou podporu řízení.
(5) Pomocný motor-: Obvykle bezkomutátorový stejnosměrný motor (BLDC), který přenáší točivý moment na sloupek řízení nebo hřeben pomocí redukčního mechanismu (např. šnekového převodu).
(6) Mechanismus redukce: Zesiluje točivý moment motoru pro pohon systému řízení.
2. Princip činnosti EPS
(1) Detekce záměru řidiče Když řidič otočí volantem, snímač točivého momentu změří torzní točivý moment hřídele řízení a snímač úhlu natočení volantu zaznamená úhel natočení volantu, přičemž oba posílají signály do ECU. Signály rychlosti vozidla jsou na vstupu synchronně (např. při nízkých rychlostech je vyžadována větší podpora a při vysokých rychlostech je podpora snížena, aby se zvýšila stabilita).
(2) ECU vypočítává požadavek na asistenci ECU vypočítává cílovou asistenci na základě točivého momentu, rychlosti vozidla a dokonce i stavu vozidla (např. úhel naklonění u některých- modelů vyšší třídy) a vydává signál PWM pro řízení motoru. Příklady algoritmů:
Parkování při nízkých-rychlostech: Posilovací-motor poskytuje vysoký točivý moment (pro řízení bez námahy).
Vysoko{0}}rychlostní jízda: Asistence je snížena (zlepšení pocitu z vozovky a zamezení nadměrné{1}}citlivosti).
(3) Motor vykonává podporu řízeníMotor přenáší sílu na sloupek řízení prostřednictvím redukčního mechanismu (např. šnekové soukolí, řemen) nebo přímo pohání hřeben (mezi různými typy EPS existují strukturální rozdíly, viz níže). Směr podpory motoru je konzistentní se směrem řízení řidiče (posuzováno podle polarity snímače točivého momentu).
(4) Zpětná vazba a korekceSystém nepřetržitě monitoruje točivý moment volantu a skutečný úhel natočení volantu, dynamicky upravuje výkon motoru tak, aby bylo dosaženo uzavřené-kontroly v uzavřené smyčce a zabránilo se přílišné-asistence nebo zpoždění.
3. Klasifikace a rozsah použití EPS
Na základě různých montážních poloh motoru lze EPS rozdělit do následujících typů:
| Typ | Poloha motoru | Použitelné modely vozidel | Vlastnosti |
|---|---|---|---|
| C-EPS (sloupcový-typ EPS) | Namontované na sloupku řízení | Kompaktní vozy, mikroauta | Jednoduchá struktura, nízké náklady, ale nízký výkon pomoci |
| P-EPS (EPS typu pastorek{1}}) | Namontovaný na pastorku řízení | Kompaktní/střední vozy | Mírná asistence, dobře{0}}vyvážený výkon |
| R-EPS (Rack-typ EPS) | Přímo pohání hřeben řízení | Velké a střední-auta, SUV | Vysoký výkon asistence, rychlá odezva, vhodné pro těžká{0}}vozidla |
| DP-EPS (Dual-Pinion EPS) | Dva motory pohánějí pastorek a hřeben | Vysoce{0}}výkonná auta, luxusní auta | Přesnější řízení, lepší dynamická odezva |
4. Výhody a nevýhody EPS
Výhody
(1) Vysoká energetická účinnost, šetrný k-dojezdu: EPS, poháněný přímo elektromotorem, nevyžaduje hydraulické čerpadlo a má extrémně nízké energetické ztráty (tradiční HPS nepřetržitě spotřebovává výkon motoru). U elektromobilů může ušetřená energie nepřímo zvýšit dojezd (optimalizace energetické účinnosti asi o 3–5 %).
(2) Flexibilně nastavitelný posilovač řízení: Úroveň asistence lze dynamicky upravovat pomocí softwaru, aby se přizpůsobila různým scénářům (např. lehké řízení při nízkých rychlostech, stabilní řízení při vysokých rychlostech), a dokonce podporuje personalizované jízdní režimy (sport/komfort).
(3) Jednoduchá konstrukce, nízké náklady na údržbu: Eliminuje hydraulický olej, čerpadla, potrubí a další komponenty, snižuje riziko úniku oleje a potřebu následné údržby.
(4) Silná přizpůsobivost prostředí: Není ovlivněn extrémními teplotami (hydraulický olej houstne při nízkých teplotách v hydraulických systémech, což vede ke zpoždění řízení).
(5) Podpora pokročilých asistenčních systémů řidiče (ADAS): Kompatibilní s funkcemi ADAS, jako je udržování v jízdním pruhu a automatické parkování.
Nevýhody
(1) Slabá zpětná vazba na vozovku: Simulovaný pocit z vozovky elektrické asistence je méně přirozený než u hydraulických systémů.
(2) Závislost na spolehlivosti elektronického řídicího systému: Poruchy motoru, snímačů nebo řídicího softwaru mohou způsobit náhlou ztrátu pomoci (ačkoli jsou zavedeny redundantní návrhy, rizika stále existují).
(3) Nedostatečná podpora ve scénářích vysokého-zátěže: Motory s vysokým-výkonem jsou nákladné a některé modely s nízkou cenou-mohou mít nedostatečnou podporu v extrémních pracovních podmínkách (např. při řízení při stojícím vozidle).
II. Elektro-hydraulický posilovač řízení (EHPS)
Kvůli velkému zatížení elektrických nákladních vozidel a potřebě silnějšího posilovače řízení využívají některé modely elektro-hydraulický posilovač řízení (EHPS), který zavádí technologii elektronického řízení na základě tradičního hydraulického posilovače řízení (HPS) s cílem zlepšit energetickou účinnost a ovladatelnost.
1. Složení EHPS
Systém EHPS se skládá především z následujících komponent:
(1) Elektro-hydraulické čerpadlo (nahrazuje tradiční hydraulické čerpadlo poháněné motorem-) Poháněné elektromotorem a fungující nezávisle na motoru, je vhodné pro elektrická vozidla. Obvykle využívá bezkomutátorový stejnosměrný motor (BLDC) nebo synchronní motor s permanentním magnetem (PMSM) ke zlepšení energetické účinnosti.
(2) Pomocný mechanismus-hydraulické síly (hřeben a pastorek nebo převodka řízení s recirkulační koulí)Podobný jako HPS, ale hydraulický tlak je přesně nastaven elektronickým řídicím systémem.
(3) Elektronická řídicí jednotka (ECU) Nastavuje rychlost otáčení a tlak elektro-hydraulického čerpadla podle signálů, jako je rychlost vozidla a točivý moment řízení.
(4) Hydraulická nádrž, hydraulické potrubí, ventil řízeníStejný jako tradiční HPS, zodpovědný za skladování a řízení průtoku hydraulického oleje.
2. Princip činnosti EHPS
(1) Sběr signálu Když řidič otočí volantem, snímač točivého momentu na volantu detekuje úmysl řidiče řídit (velikost a směr síly řízení). Snímač rychlosti vozidla poskytuje informace o aktuální rychlosti vozidla (více asistence při nízkých rychlostech, méně asistence při vysokých rychlostech).
(2) ECU vypočítá potřebnou asistenci Na základě dat, jako je točivý moment, rychlost vozidla a úhel natočení volantu, ECU vypočítá příslušný požadavek na hydraulický tlak a řídí rychlost otáčení elektro-hydraulického čerpadla.
Nízké rychlosti (např. parkování): Motor běží vysokou rychlostí, aby poskytoval velký průtok hydraulického oleje pro řízení bez námahy.
Vysoké rychlosti: Motor se zpomalí, aby se snížila pomoc, zlepšila se "stabilita" volantu a zlepšila se jízdní stabilita.
(3) Elektro-hydraulické čerpadlo poskytuje tlakMotor pohání hydraulické čerpadlo, které stlačuje hydraulický olej a dodává jej do řídicího ventilu řízení. Podle směru točivého momentu volantu řídicí ventil vede hydraulický olej do odpovídající komory hydraulického válce, přičemž tlačí hřeben nebo táhlo řízení, aby se dosáhlo podpory řízení.
Nízká rychlost/velké zatížení: Zvyšte hydraulický tlak pro zvýšení podpory pro snadnější řízení.
Vysoká rychlost/bez zatížení: Snižte hydraulický tlak pro snížení podpory a zlepšení jízdní stability.
(4) Cirkulace hydraulického oleje Po dokončení asistence proudí hydraulický olej zpět do nádrže a vytváří uzavřenou-cirkulaci.
3. Výhody a nevýhody EHPS
Výhody
(1) Asistence vysokého-točivého momentu: Vhodné pro těžká-nákladní elektrická nákladní a užitková vozidla, poskytuje silnější řídicí sílu než EPS.
(2) Vysoká spolehlivost: Vyspělý hydraulický systém funguje stabilně za extrémních pracovních podmínek (např. nízká teplota, vysoké zatížení).
(3) Střední náklady: Úspornější než EPS (vybavený vysoce-motorem + redukčním mechanismem) a energeticky-účinnější než tradiční HPS.
Nevýhody
(1) Relativně vysoká spotřeba energie: Elektro-hydraulické čerpadlo běží nepřetržitě a spotřebovává více energie než EPS (ale energeticky-účinnější než tradiční HPS).
(2) Složitá struktura: Vyžaduje hydraulická potrubí, zásobníky a další komponenty, s poněkud obtížnější údržbou než EPS.
(3) Mírně pomalá odezva: Rychlost dynamického nastavení hydraulického systému je o něco nižší než u EPS.
III. Řídit-po-drátu (SBW)
Řídit-po-drátu (SBW)je budoucí směr vývoje řídicích systémů. Zcela eliminuje mechanické spojení mezi volantem a koly a při ovládání řízení se zcela spoléhá na elektrické signály.
1. Složení SBW
Systém SBW se skládá především z následujících komponent:
(1) Modul volantu Zodpovídá za zjišťování záměru řidiče řídit a simulaci zpětné vazby z vozovky, včetně: snímače točivého momentu/úhlu volantu, motoru se zpětnou vazbou a elektronické řídicí jednotky volantu.
(2) Modul provádění řízení Zodpovídá za řízení řízení kola, nahrazující tradiční sloupek řízení a mechanismus hřebene a pastorku, včetně: motoru pro provádění řízení, snímače úhlu řízení a redukčního mechanismu (např. kuličkový šroub nebo sada ozubených kol).
(3) Elektronická řídicí jednotka (ECU) „Mozek“ SBW, zodpovědný za zpracování signálu a koordinaci systému, včetně: hlavní ECU a redundantní ECU.
(4) Redundantní bezpečnostní systém Pro zajištění bezpečnosti musí být SBW vybaven několika zálohami, včetně: duálního-zdroje napájení, duálních komunikačních kanálů a mechanického nouzového zálohování.
2. Princip práce SBW
(1) Sběr signálu (modul volantu)
Snímač točivého momentu/úhlu: Detekuje sílu a úhel natočení volantu řidiče a převádí je na elektrické signály.
Signály, jako je rychlost vozidla a rychlost stáčení: Získejte stav vozidla (např. data ESP, ABS) prostřednictvím sběrnice CAN pro výpočet optimální odezvy řízení.
(2) Elektronické ovládání (rozhodování-ECU)
Hlavní ECU: Vypočítává cílový úhel řízení (dynamicky upravuje převod řízení v kombinaci s rychlostí vozidla, jízdním režimem atd.) a intenzitu zpětné vazby na vozovku (simuluje sílu interakce mezi pneumatikami a povrchem vozovky) na základě signálů snímačů.
Redundantní ECU: Monitoruje hlavní systém v reálném čase a okamžitě převezme nebo aktivuje nouzový režim, jakmile je detekována porucha (např. ztráta signálu, abnormalita motoru).
(3) Řízení (pohon kol)Motor řízení (obvykle bezkomutátorový motor s vysokým-točivým momentem) přímo pohání hřeben nebo čep řízení, aby přitlačil kola k otáčení. Snímač polohy vrací skutečný úhel natočení kol v reálném čase, aby bylo dosaženo-kontroly v uzavřené smyčce a zajištěno přesné provádění pokynů ECU.
(4) Simulace pocitu z vozovky (zpětná vazba od volantu) Motor se zpětnou vazbou na vozovku aplikuje na volant programovatelný odpor, aby simuloval mechanický pocit z vozovky tradičních systémů řízení (např. hrboly, změny přilnavosti pneumatik).
3. Výhody a nevýhody SBW
Výhody
(1) Žádné mechanické spojení: Zlepšuje flexibilitu uspořádání podvozku a zvětšuje vnitřní prostor.
(2) Variabilní převod řízení: Úhel natočení volantu a úhel natočení volantu lze volně nastavit (např. citlivější volant při nízkých rychlostech, stabilnější při vysokých rychlostech).
(3) Dokonale přizpůsobené autonomnímu řízení: Řízení lze plně ovládat počítačem bez zásahu řidiče.
(4) Bezpečnější ochrana proti kolizi: Žádný sloupek řízení, který by v případě kolize nezasahoval do prostoru řidiče.
Nevýhody
(1) Vysoká cena: Vyžaduje vysoce-spolehlivé elektronické součástky a redundantní systémy.
(2) Regulační omezení: V současné době některé země vyžadují zachování částečných mechanických záloh (např. systém SBW od Toyoty stále uchovává nouzové spojení spojky).
(3) Přijetí spotřebitelem: Někteří uživatelé mají pochybnosti o metodě řízení „bez mechanického spojení“.
IV. Shrnutí
Tento článek představuje tři různé typy systémů řízení pro elektrická vozidla a jejich pracovní principy. Vzhledem k velkému zatížení řízení elektrických nákladních vozidel je EHPS (Electro-hydraulický posilovač řízení) v současnosti stále hlavním řešením, které dosahuje dobré rovnováhy mezi intenzitou asistence, spolehlivostí a cenou. S rozvojem vysoce-technologie EPS však mohou některá elektrická nákladní vozidla v budoucnu přejít na EPS nebo hybridní systémy řízení. V současnosti je EPS stále nejhospodárnějším řešením-a je široce používán. Budoucnost systémů řízení elektrických vozidel se vyvine z EPS (Electric Power Steering) na SBW (Steer-B{8}}Wire) a SBW se stane hlavním proudem díky své vyšší flexibilitě a kompatibilitě s autonomním řízením.