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本文主要介绍了电动汽车转向系统及其工作原理相关内容。希望对您的学习有所帮助。
本文来自于微信公众号汽车电控研习室，由火龙果软件Linda编辑、推荐。 |
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电动汽车的转向系统作为电动汽车的一个关键系统，与燃油车的转向系统有着较大差异。电动汽车的转向系统主要分为电动助力转向（EPS,
Electric Power Steering） 、电动液压助力转向系统（EHPS, Electro-Hydraulic
Power Steering）和线控转向（SBW, Steer-By-Wire）三大类。不同类型的转向系统有着不同的工作原理优缺点和适用范围，本文介绍这三种电动汽车转向系统的组成及其工作原理。
一、电动助力转向系统（EPS）
EPS 是目前电动汽车最常用的转向系统，它通过电机提供助力，取代了传统的液压助力转向（HPS）。
1、EPS 的组成
EPS主要由以下部件构成：
（1）扭矩传感器：检测方向盘转动的力矩和方向（驾驶者意图）。
（2）转向角传感器：监测方向盘转角（部分系统集成在扭矩传感器中）。
（3）车速传感器：提供车速信号（用于动态调整助力大小）。
（4）电子控制单元（ECU）：实时处理传感器数据，计算所需助力大小。
（5）助力电机：通常为无刷直流电机（BLDC），通过减速机构（如蜗轮蜗杆）将扭矩传递到转向柱或齿条。
（6） 减速机构：放大电机扭矩，驱动转向系统。
2. EPS工作原理
（1）检测驾驶者意图
当驾驶员转动方向盘时，扭矩传感器测量转向轴的扭转力矩，转向角传感器记录转角，并将信号发送至ECU。
车速信号同步输入（例如：低速时需更大助力，高速时减少助力以增强稳定性）。
（2）ECU计算助力需求
ECU根据扭矩、车速、甚至车身状态（如倾斜角度，部分高端车型）计算目标助力大小，并输出PWM信号控制电机。
算法示例：
低速泊车：助力电机输出高扭矩（转向轻便）。
高速行驶：助力减弱（提升路感，避免过度灵敏）。
（3）电机执行助力
电机通过减速机构（如蜗轮蜗杆、皮带等）将动力传递至转向柱或直接驱动齿条（不同EPS类型结构差异，见下文）。
电机助力方向与驾驶员转向方向一致（通过扭矩传感器极性判断）。
（4）反馈与修正
系统持续监测方向盘扭矩和实际转向角度，动态调整电机输出，实现闭环控制，避免过度助力或滞后。
3、EPS 的分类及适用范围
根据电机安装位置的不同，EPS 可分为以下几种类型：
4、EPS 的优缺点
优点
（1）高能效，续航友好：EPS直接由电机驱动，无需液压泵，能量损耗极低（传统HPS会持续消耗发动机功率）。对电动汽车而言，节省的能量可间接提升续航里程（约3%-5%的能效优化）。
（2）灵活可调的转向助力：通过软件可动态调整助力大小，适应不同场景（如低速轻盈、高速沉稳）。
（3）结构简单，维护成本低：省去液压油、泵、管路等部件，减少漏油风险，降低后期维护需求。
（4）环境适应性强：不受极端温度影响（液压系统在低温下油液粘稠，导致转向迟滞）。
（5）支持高级驾驶辅助（ADAS）：支持车道保持、自动泊车等高级驾驶辅助功能。
缺点
（1）路感反馈较弱：电动助力的模拟路感不如液压系统自然。
（2）依赖电控系统可靠性：若电机、传感器或控制软件故障，可能导致助力突然失效（虽有冗余设计，但风险仍存在）。
（3）高负载场景助力不足：大功率电机成本高，部分廉价车型在极端工况（如原地打轮）可能助力不足。
二、 电动液压助力转向系统（EHPS）
电动卡车由于负载大、转向系统需要更强的助力，因此部分车型会采用电动液压助力转向系统（EHPS, Electro-Hydraulic
Power Steering），即在传统液压助力转向（HPS）的基础上引入电控技术，以提高能效和可控性。
1. EHPS 的组成
EHPS 系统主要由以下部件组成：
（1）电动液压泵（取代传统发动机驱动的液压泵）
由电机驱动，独立于发动机运行，适合电动汽车。
通常采用无刷直流电机（BLDC） 或永磁同步电机（PMSM），以提高能效。
（2）液压助力机构（齿轮齿条或循环球式转向机）
与HPS类似，但油压由电控系统精准调节。
（3）电子控制单元（ECU）
根据车速、转向扭矩等信号调节液压泵的转速和压力。
（4） 储油罐、液压管路、转向阀
与传统HPS相同，负责液压油的存储和流动控制。
2. EHPS 的工作原理
（1）信号采集
驾驶员转动方向盘时方向盘扭矩传感器检测驾驶员的转向意图（转向力大小和方向）。车速传感器提供当前车速信息（低速时助力大，高速时助力小）。
（2）ECU 计算所需助力
ECU 根据 扭矩、车速、转向角度等数据，计算出合适的 液压压力需求，并控制 电动液压泵的转速。
低速时（如泊车）：电机高速运转，提供大流量液压油，转向更轻便。
高速时：电机降速，减少助力，增强方向盘“沉稳感”，提高行驶稳定性。
（3）电动液压泵提供压力
电机驱动液压泵，将液压油加压后输送到转向控制阀。
控制阀根据方向盘扭矩方向，将液压油导入液压缸的相应腔室，推动齿条或转向连杆，实现助力。
低速/重载：提高油压，增强助力，使转向更轻便。
高速/空载：降低油压，减少助力，提升行驶稳定性。
（4）液压油循环
助力完成后，液压油流回储液罐，形成闭环循环。
3. EHPS 的优缺点
优点
（1）大扭矩助力：适合重型电动卡车、商用车，比EPS能提供更强的转向力。
（2）可靠性高：液压系统成熟，在极端工况（如低温、高负荷）下表现稳定。
（3） 成本适中：比EPS（大功率电机+减速机构）更经济，比传统HPS更节能。
缺点
（1）能耗较高：电动液压泵持续工作，比EPS耗电（但比传统HPS节能）。
（2）结构复杂：需要液压管路、储油罐等，维护较EPS稍麻烦。
（3）响应稍慢：相比EPS，液压系统的动态调节速度略低。
三. 线控转向系统（SBW）
SBW（Steer-By-Wire）是未来转向系统的发展方向，完全取消了方向盘和车轮之间的机械连接，完全依赖电信号控制转向。
1、SBW 的组成
SBW系统主要由以下部件组成：
（1）方向盘模块
负责检测驾驶员转向意图并模拟路感反馈，包括：方向盘扭矩/转角传感器、路感反馈电机和方向盘电子控制单元
（2）转向执行模块
负责驱动车轮转向，取代传统转向柱和齿轮齿条机构，包括：转向执行电机、转向角传感器和减速机构（如滚珠丝杠或齿轮组）
（3）电子控制单元（ECU）
SBW的“大脑”，负责信号处理和系统协调，包括：主ECU和冗余ECU
（4）冗余安全系统
为确保安全性，SBW必须配备多重备份，包括：双电源供电、双通信通道和机械应急备份
2、SBW 的工作原理
（1）信号采集（方向盘模块）
扭矩/转角传感器：检测驾驶员转动方向盘的力度和角度，转换为电信号。
车速、横摆角速度等信号：通过CAN总线获取车辆状态（如ESP、ABS数据），用于计算最佳转向响应。
（2）电子控制（ECU决策）
主ECU：根据传感器信号计算目标转向角度（结合车速、驾驶模式等动态调整转向比）和路感反馈强度（模拟轮胎与路面的相互作用力）。
冗余ECU： 实时监控主系统，一旦检测到故障（如信号丢失、电机异常），立即接管或启动应急模式。
（3）转向执行（车轮驱动）
转向执行电机（通常为高扭矩无刷电机）直接驱动齿条或转向节，推动车轮转向。
位置传感器 实时反馈车轮实际转向角，形成闭环控制，确保精准执行ECU指令。
（4）路感模拟（方向盘反馈）
路感反馈电机在方向盘上施加 可编程阻力，模拟传统转向系统的机械路感（如颠簸、轮胎抓地力变化）。
3、SBW 的优缺点
优点
（1）无机械连接：提高底盘布局灵活性，增加车内空间。
（2）可变转向比：方向转动角度和车轮转向角度可自由调节（如低速时方向盘更灵敏，高速时更稳定）。
（3）完美适配自动驾驶：可完全由电脑控制转向，无需驾驶员干预。
（4）更安全的碰撞保护：无转向柱，碰撞时不会侵入驾驶舱。
缺点
（1）高成本：需要高可靠性电子元件和冗余系统。
（2）法规限制：目前部分国家要求保留部分机械备份。
（3）消费者接受度：部分用户对“无机械连接”的转向方式存在疑虑。
四、总结
本文介绍了电动汽车的三种不同形式的转向系统及其工作原理。电动卡车由于转向负载大，EHPS（电动液压助力）仍然是目前的主流方案，它在助力强度、可靠性和成本之间取得了较好平衡。但随着高功率EPS技术的发展，未来部分电动卡车可能会转向EPS或混合转向系统。目前，EPS仍是性价比最高的解决方案，并大范围应用。未来电动汽车转向系统将从
EPS（电动助力） 向 SBW（线控转向）演进，SBW将凭借更高的灵活性和自动驾驶兼容性成为主流。
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