أنظمة توجيه المركبات الكهربائية ومبادئ عملها

تختلف أنظمة توجيه المركبات الكهربائية، باعتبارها نظامًا رئيسيًا للسيارات الكهربائية، اختلافًا كبيرًا عن تلك الخاصة بالمركبات التي تعمل بالوقود-. وهي مقسمة بشكل أساسي إلى ثلاث فئات: التوجيه الكهربائي (EPS)، والتوجيه الكهربائي- الهيدروليكي (EHPS)، والتوجيه-بواسطة-السلك (SBW). يتميز كل نوع بمبادئ عمل مميزة ومزايا وعيوب ونطاقات التطبيق. تتناول هذه المقالة بالتفصيل تكوين ومبادئ عمل أنظمة التوجيه الثلاثة هذه للسيارات الكهربائية.

I. نظام التوجيه الكهربائي (EPS)

ربحية السهمهو نظام التوجيه الأكثر استخدامًا في السيارات الكهربائية حاليًا. ويستخدم محركًا كهربائيًا لتوفير المساعدة في التوجيه، ليحل محل نظام التوجيه الهيدروليكي التقليدي (HPS).

1. تكوين EPS

يتكون EPS بشكل رئيسي من المكونات التالية:

(1) حساس عزم الدوران: يستشعر عزم واتجاه دوران عجلة القيادة (قصد السائق).

(2) حساس زاوية التوجيه: يراقب زاوية عجلة القيادة (مدمج في حساس عزم الدوران في بعض الأنظمة).

(3) مستشعر سرعة السيارة: يوفر إشارات سرعة السيارة (لضبط مستوى مساعدة التوجيه ديناميكيًا).

(4) وحدة التحكم الإلكترونية (ECU): تعالج بيانات المستشعر في الوقت الفعلي وتحسب مساعدة التوجيه المطلوبة.

(5) محرك مساعدة الطاقة-: عادة ما يكون محرك DC بدون فرش (BLDC)، والذي ينقل عزم الدوران إلى عمود التوجيه أو الحامل من خلال آلية التخفيض (على سبيل المثال، الترس الدودي).

(6) آلية التخفيض: تعمل على تضخيم عزم دوران المحرك لدفع نظام التوجيه.

2. مبدأ عمل EPS

(1) اكتشف نية السائق عندما يدير السائق عجلة القيادة، يقيس مستشعر عزم الدوران عزم الالتواء لعمود التوجيه، ويسجل مستشعر زاوية التوجيه زاوية التوجيه، وكلاهما يرسل الإشارات إلى وحدة التحكم الإلكترونية. يتم إدخال إشارات سرعة السيارة بشكل متزامن (على سبيل المثال، يلزم المزيد من المساعدة عند السرعات المنخفضة، ويتم تقليل المساعدة عند السرعات العالية لتعزيز الاستقرار).

(2) تحسب وحدة التحكم الإلكترونية طلب المساعدة تحسب وحدة التحكم الإلكترونية المساعدة المستهدفة بناءً على عزم الدوران وسرعة السيارة وحتى حالة السيارة (على سبيل المثال، زاوية الميل في بعض الطرازات العالية-)، وتخرج إشارة PWM للتحكم في المحرك. أمثلة الخوارزميات:

ركن السيارة بسرعة-منخفضة: يعمل المحرك المساعد -الكهربائي على إخراج عزم دوران عالي (لتوجيه سهل).

القيادة بسرعة عالية-: تم تقليل المساعدة (لتحسين الشعور بالطريق وتجنب -الحساسية الزائدة).

(3) ينفذ المحرك مساعدة التوجيه، ينقل المحرك الطاقة إلى عمود التوجيه من خلال آلية التخفيض (على سبيل المثال، الترس الدودي، الحزام) أو يقوم مباشرة بتشغيل الحامل (توجد اختلافات هيكلية بين أنواع EPS المختلفة، انظر أدناه). يتوافق اتجاه مساعدة المحرك مع اتجاه توجيه السائق (يتم الحكم عليه من خلال قطبية مستشعر عزم الدوران).

(4) التغذية الراجعة والتصحيح يراقب النظام بشكل مستمر عزم دوران عجلة القيادة وزاوية التوجيه الفعلية، ويضبط خرج المحرك ديناميكيًا لتحقيق التحكم في الحلقة المغلقة - وتجنب الإفراط في - المساعدة أو التأخير.

3. تصنيف ونطاق تطبيق EPS

بناءً على مواضع التثبيت المختلفة للمحرك، يمكن تقسيم EPS إلى الأنواع التالية:

4. مزايا وعيوب EPS

المزايا

(1) كفاءة عالية في استخدام الطاقة، وصديقة للمدى-: يتم تشغيل EPS مباشرة بواسطة محرك كهربائي، ولا يتطلب مضخة هيدروليكية، كما أن فقدان الطاقة منخفض للغاية (يستهلك HPS التقليدي طاقة المحرك باستمرار). بالنسبة للسيارات الكهربائية، يمكن للطاقة المحفوظة أن تزيد بشكل غير مباشر من نطاق القيادة (حوالي 3%-5% من تحسين كفاءة استخدام الطاقة).

(2) مساعدة التوجيه القابلة للتعديل بمرونة: يمكن تعديل مستوى المساعدة ديناميكيًا عبر البرامج للتكيف مع سيناريوهات مختلفة (على سبيل المثال، التوجيه الخفيف عند السرعات المنخفضة، والتوجيه المستقر عند السرعات العالية)، كما أنه يدعم أوضاع القيادة الشخصية (الرياضة/الراحة).

(3) هيكل بسيط، تكلفة صيانة منخفضة: يزيل الزيت الهيدروليكي والمضخات وخطوط الأنابيب والمكونات الأخرى، مما يقلل من خطر تسرب الزيت والحاجة إلى الصيانة اللاحقة.

(4) القدرة على التكيف البيئي القوي: لا يتأثر بدرجات الحرارة القصوى (يزداد سمك الزيت الهيدروليكي عند درجات حرارة منخفضة في الأنظمة الهيدروليكية، مما يؤدي إلى تأخر التوجيه).

(5) دعم أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS): متوافق مع وظائف ADAS مثل حفظ المسار ومواقف السيارات التلقائية.

العيوب

(1) ردود فعل ضعيفة على الشعور بالطريق: إن الإحساس بالطريق المحاكى للمساعدة الكهربائية أقل طبيعية من الشعور بالأنظمة الهيدروليكية.

(2) الاعتماد على موثوقية نظام التحكم الإلكتروني: قد تؤدي الأعطال في المحرك أو أجهزة الاستشعار أو برامج التحكم إلى فقدان مفاجئ للمساعدة (على الرغم من وجود تصميمات احتياطية، إلا أن المخاطر لا تزال موجودة).

(3) مساعدة غير كافية في ظل سيناريوهات الحمل-العالي: تعد المحركات ذات القدرة العالية-مكلفة، وقد لا تتمتع بعض الطرز ذات السعر المنخفض-بمساعدة كافية في ظل ظروف العمل القاسية (على سبيل المثال، التوجيه أثناء الثبات).

ثانيا. نظام التوجيه الكهربائي-الهيدروليكي (EHPS)

نظرًا للحمل الثقيل للشاحنات الكهربائية والحاجة إلى مساعدة أقوى في التوجيه، تستخدم بعض الطرز نظام التوجيه الكهربائي الهيدروليكي (EHPS)، الذي يقدم تقنية التحكم الإلكتروني على أساس نظام التوجيه الهيدروليكي التقليدي (HPS) لتحسين كفاءة استخدام الطاقة وإمكانية التحكم.

1. تكوين EHPS

يتكون نظام EHPS بشكل أساسي من المكونات التالية:

(1) المضخة الهيدروليكية الكهربائية - (تحل محل المضخة الهيدروليكية التقليدية التي تعمل بالمحرك -) يتم تشغيلها بواسطة محرك كهربائي وتعمل بشكل مستقل عن المحرك، وهي مناسبة للسيارات الكهربائية. وعادةً ما تستخدم محرك DC بدون فرش (BLDC) أو محرك متزامن بمغناطيس دائم (PMSM) لتحسين كفاءة الطاقة.

(2) آلية مساعدة الطاقة الهيدروليكية - (الجريدة المسننة والترس أو ترس التوجيه الكروي لإعادة التدوير) تشبه HPS، ولكن يتم ضبط الضغط الهيدروليكي بدقة بواسطة نظام التحكم الإلكتروني.

(3) وحدة التحكم الإلكترونية (ECU) تقوم بضبط سرعة الدوران وضغط المضخة الهيدروليكية الكهربائية - وفقًا لإشارات مثل سرعة السيارة وعزم دوران التوجيه.

(4) الخزان الهيدروليكي، وخطوط الأنابيب الهيدروليكية، وصمام التوجيه، مثل HPS التقليدي، المسؤول عن تخزين الزيت الهيدروليكي والتحكم في تدفقه.

2. مبدأ عمل EHPS

(1) جمع الإشارات عندما يدير السائق عجلة القيادة، يكتشف مستشعر عزم دوران عجلة القيادة نية توجيه السائق (حجم واتجاه قوة التوجيه). يوفر مستشعر سرعة السيارة معلومات عن سرعة السيارة الحالية (مساعدة أكبر عند السرعات المنخفضة، ومساعدة أقل عند السرعات العالية).

(2) تحسب وحدة التحكم الإلكترونية المساعدة المطلوبة استنادًا إلى بيانات مثل عزم الدوران وسرعة السيارة وزاوية التوجيه، تحسب وحدة التحكم الإلكترونية طلب الضغط الهيدروليكي المناسب وتتحكم في سرعة دوران المضخة الهيدروليكية الكهربائية-.

السرعات المنخفضة (مثل ركن السيارة): يعمل المحرك بسرعة عالية لتوفير تدفق كبير من الزيت الهيدروليكي لسهولة التوجيه.

سرعات عالية: يتباطأ المحرك لتقليل المساعدة وتعزيز "ثبات" عجلة القيادة وتحسين ثبات القيادة.

(3) توفر المضخة الهيدروليكية الكهربائية- الضغط. يقوم المحرك بتشغيل المضخة الهيدروليكية، التي تضغط على الزيت الهيدروليكي وتوصيله إلى صمام التحكم في التوجيه. ووفقًا لاتجاه عزم دوران عجلة القيادة، يوجه صمام التحكم الزيت الهيدروليكي إلى الغرفة المقابلة للأسطوانة الهيدروليكية، ويدفع الحامل أو وصلة التوجيه لتحقيق المساعدة في التوجيه.

السرعة المنخفضة/الحمل الثقيل: قم بزيادة الضغط الهيدروليكي لتعزيز المساعدة لتسهيل التوجيه.

السرعة العالية/عدم التحميل: قم بتقليل الضغط الهيدروليكي لتقليل المساعدة وتحسين ثبات القيادة.

(4) تدوير الزيت الهيدروليكي بعد اكتمال المساعدة، يتدفق الزيت الهيدروليكي مرة أخرى إلى الخزان ليشكل دورة دوران دائرية مغلقة.

3. مزايا وعيوب EHPS

المزايا

(1) مساعدة عزم الدوران العالي-: مناسبة للشاحنات الكهربائية الثقيلة- والمركبات التجارية، مما يوفر قوة توجيه أقوى من EPS.

(2) الموثوقية العالية: يعمل النظام الهيدروليكي الناضج بثبات في ظل ظروف العمل القاسية (على سبيل المثال، درجة الحرارة المنخفضة، والحمل العالي).

(3) تكلفة معتدلة: أكثر اقتصادية من EPS (مزود بمحرك عالي القدرة- + آلية تخفيض) وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة-من HPS التقليدي.

العيوب

(1) استهلاك طاقة مرتفع نسبيًا: تعمل المضخة الكهربائية الهيدروليكية-بشكل مستمر وتستهلك طاقة أكبر من EPS (ولكنها أكثر كفاءة-في استهلاك الطاقة من HPS التقليدية).

(2) الهيكل المعقد: يتطلب خطوط الأنابيب الهيدروليكية والخزانات والمكونات الأخرى، مع صيانة أكثر إزعاجًا قليلاً من EPS.

(3) استجابة بطيئة قليلاً: سرعة التعديل الديناميكي للنظام الهيدروليكي أقل قليلاً من سرعة EPS.

ثالثا. التوجيه-بواسطة-السلك (SBW)

التوجيه-بواسطة-السلك (SBW)هو اتجاه التطوير المستقبلي لأنظمة التوجيه. فهو يلغي الاتصال الميكانيكي بين عجلة القيادة والعجلات بشكل كامل، ويعتمد كلياً على الإشارات الكهربائية للتحكم في التوجيه.

1. تكوين SBW

يتكون نظام SBW بشكل أساسي من المكونات التالية:

(1) وحدة عجلة القيادة مسؤولة عن اكتشاف نية توجيه السائق ومحاكاة ردود فعل الشعور بالطريق، بما في ذلك: مستشعر زاوية/عزم دوران عجلة القيادة، ومحرك ردود فعل الشعور بالطريق، ووحدة التحكم الإلكترونية في عجلة القيادة.

(2) وحدة تنفيذ التوجيه المسؤولة عن قيادة عجلة القيادة، واستبدال عمود التوجيه التقليدي وآلية الجريدة والترس، بما في ذلك: محرك تنفيذ التوجيه، ومستشعر زاوية التوجيه وآلية التخفيض (على سبيل المثال، اللولب الكروي أو مجموعة التروس).

(3) وحدة التحكم الإلكترونية (ECU) "عقل" SBW، المسؤول عن معالجة الإشارات وتنسيق النظام، بما في ذلك: وحدة التحكم الإلكترونية الرئيسية ووحدة التحكم الإلكترونية الزائدة عن الحاجة.

(4) نظام أمان متكرر لضمان السلامة، يجب أن تكون SBW مجهزة بنسخ احتياطية متعددة، بما في ذلك: مصدر طاقة مزدوج-، وقنوات اتصال مزدوجة ونسخ احتياطي ميكانيكي في حالات الطوارئ.

2. مبدأ عمل SBW

(1) جمع الإشارة (وحدة عجلة القيادة)

مستشعر عزم الدوران/الزاوية: يكتشف قوة وزاوية دوران عجلة القيادة للسائق ويحولها إلى إشارات كهربائية.

إشارات مثل سرعة السيارة ومعدل الانحراف: احصل على حالة السيارة (على سبيل المثال، بيانات ESP وABS) من خلال ناقل CAN لحساب الاستجابة المثلى للتوجيه.

(2) التحكم الإلكتروني (اتخاذ قرار ECU-)

وحدة التحكم الإلكترونية الرئيسية: تحسب زاوية التوجيه المستهدفة (تضبط ديناميكيًا نسبة التوجيه جنبًا إلى جنب مع سرعة السيارة ووضع القيادة وما إلى ذلك) وشدة ردود الفعل على الشعور بالطريق (تحاكي قوة التفاعل بين الإطارات وسطح الطريق) بناءً على إشارات المستشعر.

وحدة التحكم الإلكترونية الزائدة عن الحاجة: تراقب النظام الرئيسي في الوقت الفعلي وتتولى على الفور وضع الطوارئ أو تقوم بتنشيطه بمجرد اكتشاف خطأ (على سبيل المثال، فقدان الإشارة، خلل المحرك).

(3) تنفيذ التوجيه (القيادة بالعجلات) يقوم محرك تنفيذ التوجيه (عادةً ما يكون محركًا عالي عزم الدوران- بدون فرش) بتشغيل الحامل أو مفصل التوجيه مباشرة لدفع العجلات للدوران. يقوم مستشعر الموضع بتغذية زاوية التوجيه الفعلية للعجلات في الوقت الفعلي لتحقيق التحكم في الحلقة- المغلقة وضمان التنفيذ الدقيق لتعليمات وحدة التحكم الإلكترونية.

(4) محاكاة الشعور بالطريق (ردود الفعل على عجلة القيادة) يطبق محرك ردود الفعل على الشعور بالطريق مقاومة قابلة للبرمجة على عجلة القيادة لمحاكاة الشعور الميكانيكي بالطريق لأنظمة التوجيه التقليدية (على سبيل المثال، المطبات، والتغيرات في قبضة الإطارات).

3. مزايا وعيوب SBW

المزايا

(1) لا يوجد اتصال ميكانيكي: يعمل على تحسين مرونة تصميم الهيكل وزيادة المساحة الداخلية.

(2) نسبة التوجيه المتغيرة: يمكن تعديل زاوية دوران عجلة القيادة وزاوية توجيه العجلة بحرية (على سبيل المثال، عجلة قيادة أكثر حساسية عند السرعات المنخفضة، وأكثر استقرارًا عند السرعات العالية).

(3) تتكيف بشكل مثالي مع القيادة الذاتية: يمكن التحكم في التوجيه بشكل كامل بواسطة جهاز كمبيوتر دون تدخل السائق.

(4) حماية أكثر أمانًا من الاصطدام: لا يوجد عمود توجيه، والذي لن يتطفل على مقصورة السائق في حالة حدوث تصادم.

العيوب

(1) التكلفة العالية: تتطلب -مكونات إلكترونية عالية الموثوقية وأنظمة متكررة.

(2) القيود التنظيمية: في الوقت الحاضر، تتطلب بعض البلدان الاحتفاظ بنسخ احتياطية ميكانيكية جزئية (على سبيل المثال، لا يزال نظام SBW من تويوتا يحتفظ بوصلة القابض في حالات الطوارئ).

(3) قبول المستهلك: لدى بعض المستخدمين شكوك حول طريقة التوجيه "بدون اتصال ميكانيكي".

رابعا. ملخص

تقدم هذه المقالة ثلاثة أنواع مختلفة من أنظمة التوجيه للسيارات الكهربائية ومبادئ عملها. نظرًا لحمل التوجيه الثقيل للشاحنات الكهربائية، لا يزال EHPS (التوجيه الكهربائي الهيدروليكي-) هو الحل السائد في الوقت الحالي، مما يحقق توازنًا جيدًا بين كثافة المساعدة والموثوقية والتكلفة. ومع ذلك، مع تطور تكنولوجيا EPS{3}}عالية الطاقة، قد تتحول بعض الشاحنات الكهربائية إلى أنظمة EPS أو أنظمة التوجيه الهجينة في المستقبل. في الوقت الحاضر، لا يزال EPS هو الحل-الأكثر فعالية من حيث التكلفة ويتم استخدامه على نطاق واسع. سوف يتطور مستقبل أنظمة توجيه المركبات الكهربائية من EPS (التوجيه المعزز كهربائيًا) إلى SBW (التوجيه-بواسطة-Wire)، وسيصبح SBW هو الاتجاه السائد بمرونته العالية وتوافقه مع القيادة الذاتية.