第3期
客车技术与研究
BUS&COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH No.3202139
胡其丰1'2，文健峰「2，何亮匕张天1
(1.中车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲412007；2.长沙中车智驭新能源科技有限公司，长沙410000)
摘要：针对目前电动客车在行驶中动力电池或其他系统出现严重故障时，整车控制器需要切断高压，导致转向助力无法维持等问题，本文提出一种机电双源转向系统，当整车断电后仍能正常维持车辆的转向助力，提高了车辆的安全性，并能实现车辆制动的冗余以及解决电动压缩机机油乳化问题。关键词：电动客车；机电双源；转向系统
中图分类号：U469.72；U463.4文献标志码：A文章编号：1006-3331(2021)03-0039-04 Design and Realization of Electro-mechanical Dual Source Steering System for
Electric Buses
HU Qifeng1，2,WEN Jianfeng1，2,HE Liang1，2,ZHANG Tian
(1.CRRC Tims Electric Vehicle Co.,Ltd.,Zhuzhou412007,China；
2.Changsha CRRC Intelligent Control and New Energy Technology Co.,Ltd.,Changsha410000,China) Abstract:Aiming at the problems that the vehicle controller needs to cut off the high-voltage thereby causing the steering power cannot be maintained continuously when the power battery or other systems of the electric buses are in serious failure，this paper proposes an electro-mechanical dual source steering system，which can maintain the steering of the vehicle even after the power is cut off during driving，to improve the safety of the vehicle and realize the redundancy of vehicle braking and solve the problem of electric compressor oil emulsification.
Key words:electric bus;electro-mechanical dual source;steering system
国家标准《电动客车安全技术条件》要求：车辆在行驶过程中，出现需要整车主动断B级高压电的车辆异常情况时，在车速大于5km/h时应保持转向系统维持助力状态或至少保持转向助力状态30s后再断B
级电［1］。然而当前，电动客车在行驶中动力电池或其他系统如果出现严重故障，整车控制器需要切断高压时，转向助力状态无法持续维持［2-3］。针对这一问题，很多研究者在双源转向方面进行了大量研究。比较典型的是在现有电动客车转向助力系统的基础上，提出了3种高压应急转向方案：双转向系统、双源转向泵系统、升压系统，经分析得出了将双源转向泵系统作为优选方案⑷。这也是目前较为主流的双源转向系统，它主要是基于24V低压系统进行冗余，其配置需要增加低压DC/AC并采用双绕组电机。但是，此种双电源转向方案存在冗余范围和持续输出能力有限、控制相对复杂等问题；还存在因系统通过高低压控制器进行CAN通信交互［5］。当整车CAN 通讯失效时，低压DC/AC也无法启动，仍然会导致转向助力失效。随着市场上双电源转向系统车辆转向系统故障不断增加；而且电动空气压缩机机油乳化问题在电动客车中已成为行业通病，这些对车辆成本及运行都将带来较大压力［6］。
对此，本文提出一种机电双源转向系统，通过机械方式将负载驱动与车速直耦，与电气系统解耦，较好地解决了整车电气失效时转向助力状态无法持续维持的问题；除此之外，根据底盘几个子系统的相互关联性及负载分布特点进行集成及控制，能够解决电动压缩机机油乳化问题。
1机电双源转向系统的设计
1.1机电双源系统的架构设计
机电双源转向系统采用电驱动和机械驱动两种
作者简介：胡其丰（1990—），男，硕士；助理工程师；主要从事车辆转向和制动以及系统集成的研究工作。
40客车技术与研究2021年6月
方式，其中电驱动是通过车载咼压储能单元供电至电机控制器，通过控制器驱动电机，实现负载的驱动；机械驱动通过与传动轴机械连接的机械油泵输出液压能，通过液压阀块的切换输入至液压马达，驱动负载。系统架构如图1所示。图中的气泵为整车打气泵，为整车提供气源，对应的负载本文简称气负载。图中马 达输出液压油至转向器，为转向提供助力，对应的负载本文简称油负载。图中的集成泵电机用于驱动气泵和转向马达泵。图中的机械泵作为双源转向系统的另外一路动力来源，起到马达的安全冗余和制动能量回收的作用。当车辆正常行驶时，机械泵仅作为补油泵，不承受负载压力。当车辆出现电气失效或者判定进入制动能量回收工况时，机械泵作为系统的主要动力源。车辆制动过程中将车辆的动能转化为机械泵的液压能输出，从而推动集成泵电机轴被动驱动而发电，实现向车辆提供转向助力能量来源，同时驱动气泵运转，补充压缩气体至储气筒。当判定不需要气泵补充压缩空气时，可以回收此电能。
接
传
动
轴
图1机电双源转向系统架构示意图
1.2机电双源系统集成泵的设计
根据底盘几个子系统相互关联性及负载分布特点将气泵、水泵、马达集成，本文称为集成泵。其功能取代独立打气泵、独立转向油泵、电机电控水泵；仅采用一路DC/AC o气泵、马达采用机械直连方式共用一个电机。功能原理框图如图2所示。此设计的优点在于充分利用了实车负载的特性，采用错峰控制，实现部件集成，有效地利用电机特性，使得电机在各个工况中处于高效区间；此外，集成水泵采用水冷方式，降低气泵的排气温度及机身温度，一定程度上提高了整机的使用寿命。结合图1可知，当车辆行驶中异常断电时，系统在机械泵的输出下，拖动马达泵转动，同时气泵轴也跟着转动，从而实现车辆的正常转向与供气，确保了车辆的安全。相比分立方式，采用集成式设计方案取消了一个电机，一路DC/AC，节约了成本及安装空间。集成泵的主要设计内容为马达的匹配设计、气泵的参数设计、电机的参数设计。本文涉及的参数设计以某8m纯电动客车为例。
挡位
|气压传感酚号
车速
输
入
信
号
处
理
模
块
图2集成泵功能原理图
1.2.1马达的设计
马达为此双源转向系统中的关键执行部件，本设计中的马达具有泵工况和马达工况两种功用。作为泵工况时，系统通过DC/AC输出三相交流电，驱动电机以一定的转速转动，使得马达输出一定的流量，提供转向助力所需要的液压能* 1 2 * * * *
［7］，即将电能转化为液压能；作为马达工况时，马达在机械泵一定的输出流量下，以一定的转速被拖动着工作，将其液压能转化为机械能，从而带动气泵及集成泵电机轴转动，实现供气或电能回收。马达的参数对集成泵及整套系统有着较大的影响，需合理设计。
1)马达的最大工作压力P””x。此参数的设计主要考虑转向器的最大工作压力P1以及管路中的油压损失P d o一般来说，系统油压损失值为0.3~0.5 MPa，本文取0.3MPa。而8m车型转向器允许的最大工作压力一般约13MPa，故马达泵的最大工作压力P mal=匕+匕=13.3MPa。汽车助力转向系统
2)马达的排量设计。此参数的设计需满足转向器流量的需求。本文以循环球式转向器为例，转向器需求的流量主要是由转向器的缸径R、螺杆螺距t以及方向盘的转速n来计算［8-9］o根据国标《电动客车安全技术条件》要求及实车情况，本文方向盘的转速取2r/s，转向器缸径为100mm，螺杆螺距取13.5
mm，方向盘转动一圈排出的油的体积V=3.14X (100/2)2。因此，转向器理论需求流量Q0=60n0tV/ 106=12.72L/min。马达的流量还需考虑自身的效率及转向器的效率，本文取总效率0.8，则马达的流量需求0=0)/(0.8)=15.89L/min。再根据集成泵电机的 额定转速n(本文设计参考值为1000r/min)，初步设计马达的排量为16mL/r
。
第3期胡其丰，文健峰，何亮，等：电动客车机电双源转向系统的设计与实现41
1.2.2气泵的设计
气泵为整车提供气源，其设计主要是考虑其工作压力和排气量。气泵的工作压力主要考虑用气端所需要的工作压力[l0]o我司底盘所用的储气筒压力值为10bar，因此，气泵的额定工作压力可设计为10 bar，其最大工作压力一般在此基础上加1~2bar余量。本设计气泵最大工作压力取为12bar。
气泵排气量的设计主要根据所供气的容积匕和所规定的供气时间t来计算。供气容积包括储气筒容积和管路容积两部分。我司8m车型一般储气筒容积为80~100L，取100L计算，管路容积约为0.9 L，因此，供气容积匕=100.9L。根据《电动客车安全技术条件》的要求，气泵供气要求需在4min内供气至车辆起步气压值，我司的起步气压为6bar，根据公式计算气泵排气量Q a=P-V/T=6x100.9/4=201.8 L/min。一般把理论计算排气量值放大20%的余量，因此，气泵的排气量需求值为242.16L/min。
1.2.3集成泵电机参数的设计
集成泵电机的参数设计主要考虑其功率的设计。因为该集成泵电机拖动气泵和转向马达两个负载，所以设计时需要考虑这两个负载的特性及系统的错峰控制策略（见1.4节）。根据转向液压系统的最大工作压力、流量，系统转向部分需求的最大输出功率W max为P max-Q/60=13.3x15.89/60=3.52kWo根据各种实际工况的需求，电机的功率一般满足两倍过载能力持续3min即可。因此，转向部分需求的电机额定功率W r=W max/2=1.76kW即可满足。另外，对于排气量为242.16L/min的气泵，需求的集成泵电机的额定功率为2.2kW[||]o若直接采用叠加计算，则系统采用的集成泵电机额定功率为3.96kWo考虑
到实际工况中气负载和转向负载的特性，在控制上进行打气需求和转向需求的错峰控制，本文的集成泵电机额定功率设计为3.1kWo
1.3机械泵的设计
机械泵采用皮带轮传动取力于车辆的驱动电机，将带轮系的主动轮设计成驱动电机和传动轴连接的中间，直接嵌套在两者中间。借用驱动电机外壳上现有的螺栓安装孔设计机械泵的安装支架。此安装设计方案具有较好的兼容性，因此不需要新增安装空间。
根据转向流量需求设计，机械泵输出的流量在达到一定车速后应设计为恒定输出值。当车速小于V。时，机械泵的输出流量随着车速的增加而线性增加；当车速大于V。时，机械泵输出流量为恒定值，不再随车速增加而增加。对应的车速V0称为拐点车速，拐点车速之后对应的流量Q称为恒流量。此设计中V0的值取决于驱动电机的转速、机械泵的转速以及带轮系的速比。若V0的值设计越小，则机械泵的最高转速就会越大，会造成系统噪声越大的问题；若V0的值设计较大，则系统安全冗余范围以及制动回收区间就会较小。因此,V0值的设计是否合理，直接影响着系统的综合性能。本文根据理论计算及试验验证，V0的值为11.7km/h。
1.4控制策略的设计
软件控制是机电双源转向系统的核心部分。不仅要保证高压状态下电驱动工况的稳定工作，而且要保证在能量回收工况时，负载控制的稳定性，还需要保证在高压失效时切换为机械泵驱动的时滞非常小。上述能量回收工况指的是在车辆制动时，经判断后需要回收多余车辆动能的一种工况。此机电双源系统的控制策略如下:
1）错峰控制策略。当整车有供气需求，同时发生大幅度转向时，若集成泵电机电流超过设定值，整车域控制器根据整车气压、车速等信息进行综合判定。若整车气压值不低于设定值且车速不高于设定值时，则判定整车储气筒中气压值满足当前制动需求且非高速紧急转向，此时进行错峰控制，则下发相应指令，使气泵实现内卸荷，临时性停止向储气筒供气（因整车控制已经判定气压在安全范围内，所以此临时性停气供气不会影响车辆的制动安全性）。
2）双源切换解耦控制策略。此系统的双源切换及操作直接由整车域控制器获取整车相关信息，切换不同的工况模式，避免了不同控制器间采用CAN通讯等方式交互的失效导致功能失效的问题。
3）系统自检控制策略。在整车行驶过程中，整车域控制器根据集成泵电机电流、整车气压、车速等信息，进行综合分析，对机械泵进行时时检测。若机械泵异常或其管路异常导致失效时，系统自动进入单源模式运行，即系统不会进入制动回收工况模式，同时提示检修报警。
4）制动能量回收控制策略。在整车行驶工况中，机械泵无故障时，整车域控制器根据驱动电机的转速
、气压、车速等相关信息进行判定。若判定进入制动能量回收工况，则下发相应指令，由机械泵驱动两种负载。
2试验结果及分析
2.1试验台架搭建
根据机电双源转向系统结构搭建其简易测试台架，如图3所示。台架试验中，可以通过控制柜对驱动电机进行转速控制，模拟车辆实际行驶的工况，包括制动工况。集成泵电机的启停指令可以通过控制柜操作，转向器负载的模拟也可以通过控制柜来实现。传感器1和传感器2处都可以检测液压油的流量、压力以及油温，传感器1用来检测机械泵输出流量特性、油压特性，通过传感器2用来检测输出至转向器的流量、压力特性。
2）在行车制动能量回收过程中，若是整车电气失效，电机失去动力时，对系统流量输出无影响。此工况无时滞问题。电气失效过程的流量曲线如图5所示。
图5制动工况中电气失效流量曲线
3）在行车电驱动过程中，若是整车电气失效，电机失去动力时，系统将自动切换到机械泵独立驱动。此工况切换时滞为0.17s，目前其他方案的切换时滞逸0.5s。本设计方案缩短了切换时滞，提高了行车
的安全性。转向流量数据如图6所示。
10-
8-
6___________________________________
0200400600800100012001400
采样时间/(20ms)
图6电驱动工况中电气失效流量曲线
2.2测试结果分析
1）在行车电驱动过程中，若机械泵异常或其管路异常导致失效时，系统中的流量将自动补充，此工况无时滞问题。机械泵失效过程的流量曲线分析如图4所示。
05001000150020002500
采样时间/（20ms）
图4电驱动工况中机械泵失效流量曲线3结论
机电双源设计采用机械方式将负载驱动与车速直耦，实现了与电气系统解耦，极大地提高了机电双源转向的冗余和持续输出能力。除此之外，该设计还具有如下优点：
1）机电双源切换时滞其值远低于现有双电源转向设计及其他双源设计。
2）机械冗余源在车辆行驶中可独立驱动相关负载，极大地提高了整车安全性。
3）采用制动工况下能量回收模式，进一步降低了车辆的能耗。
4）采用集成式设计，每套总成的成本约减少1500元。
（下转第56页
）
大降低设计难度；且型材间的装配关系，相对整体成型件对检修口尺寸的要求更低，从而减少模具开发数量，降低制造成本。
图4型材截面图
3结束语
经过实践证明，该检修盖不仅通用性好、开发费用低，而且隔音、隔热及密封效果良好，外观美观、大方。实现了降成本、减重，并提高了整车舒适性与内部美观效果[12]。
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收稿日期：2020-07-06
(上接第42页)
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收稿日期：
2020-09-07
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