I sistemi di sterzo dei veicoli elettrici, in quanto sistema chiave dei veicoli elettrici, differiscono in modo significativo da quelli dei veicoli a carburante-. Si dividono principalmente in tre categorie: servosterzo elettrico (EPS), servosterzo elettro-idraulico (EHPS) e steer-by-wire (SBW). Ciascun tipo presenta principi di funzionamento, vantaggi, svantaggi e ambiti di applicazione distinti. Questo articolo approfondisce la composizione e i principi di funzionamento di questi tre sistemi di sterzo per veicoli elettrici.
I. Servosterzo elettrico (EPS)
EPSè attualmente il sistema di sterzo più comunemente utilizzato nei veicoli elettrici. Utilizza un motore elettrico per fornire assistenza allo sterzo, sostituendo il tradizionale servosterzo idraulico (HPS).
1. Composizione dell'EPS
L’EPS è costituito principalmente dai seguenti componenti:
(1) Sensore di coppia: rileva la coppia e la direzione di rotazione del volante (intenzione del conducente).
(2) Sensore dell'angolo di sterzata: monitora l'angolo del volante (in alcuni sistemi integrato nel sensore di coppia).
(3) Sensore di velocità del veicolo: fornisce segnali di velocità del veicolo (per regolare dinamicamente il livello di assistenza allo sterzo).
(4) Unità di controllo elettronico (ECU): elabora i dati del sensore in tempo reale e calcola l'assistenza allo sterzo richiesta.
(5) Motore di servoassistenza-: solitamente un motore CC senza spazzole (BLDC), che trasmette la coppia al piantone dello sterzo o alla cremagliera attraverso un meccanismo di riduzione (ad esempio, un ingranaggio a vite senza fine).
(6) Meccanismo di riduzione: amplifica la coppia del motore per azionare il sistema di sterzo.
2. Principio di funzionamento dell'EPS
(1) Rileva l'intenzione del conducenteQuando il conducente gira il volante, il sensore di coppia misura la coppia di torsione dell'albero dello sterzo e il sensore dell'angolo di sterzata registra l'angolo di sterzata, entrambi inviano segnali all'ECU. I segnali di velocità del veicolo vengono immessi in modo sincrono (ad esempio, è necessaria maggiore assistenza alle basse velocità e l'assistenza viene ridotta alle alte velocità per migliorare la stabilità).
(2) L'ECU calcola la richiesta di assistenzaL'ECU calcola l'assistenza target in base alla coppia, alla velocità del veicolo e persino allo stato del veicolo (ad esempio, l'angolo di inclinazione in alcuni modelli di fascia alta-) ed emette un segnale PWM per controllare il motore.Esempi di algoritmo:
Parcheggio a bassa-velocità: il motore-di assistenza eroga una coppia elevata (per sterzare senza sforzo).
Guida ad alta-velocità: l'assistenza è ridotta (per migliorare la sensazione della strada ed evitare un'eccessiva-sensibilità).
(3) Il motore esegue l'assistenza allo sterzoIl motore trasmette potenza al piantone dello sterzo attraverso un meccanismo di riduzione (ad es. ingranaggio a vite senza fine, cinghia) o aziona direttamente la cremagliera (esistono differenze strutturali tra i diversi tipi di EPS, vedere di seguito). La direzione dell'assistenza del motore è coerente con la direzione dello sterzo del conducente (giudicata dalla polarità del sensore di coppia).
(4) Feedback e correzioneIl sistema monitora continuamente la coppia del volante e l'angolo di sterzata effettivo, regolando dinamicamente l'uscita del motore per ottenere un controllo a circuito chiuso-ed evitare un'assistenza eccessiva o un ritardo.
3. Classificazione e ambito di applicazione dell'EPS
In base alle diverse posizioni di installazione del motore, l’EPS può essere suddiviso nelle seguenti tipologie:
| Tipo | Posizione del motore | Modelli di veicoli applicabili | Caratteristiche |
|---|---|---|---|
| C-EPS (EPS di tipo colonna-) | Montato sul piantone dello sterzo | Auto compatte, microcar | Struttura semplice, basso costo, ma bassa assistenza |
| P-EPS (tipo pignone-EPS) | Montato sul pignone dello sterzo | Auto compatte/medie | Assistenza moderata, prestazioni ben-bilanciate |
| R-EPS (EPS di tipo rack-) | Aziona direttamente la cremagliera dello sterzo | Auto di grandi e medie-dimensioni, SUV | Elevata potenza di assistenza, risposta rapida, adatta per veicoli- pesanti |
| DP-EPS (doppio-pignone EPS) | Due motori azionano rispettivamente il pignone e la cremagliera | Auto-ad alte prestazioni, auto di lusso | Sterzo più preciso, migliore risposta dinamica |
4. Vantaggi e svantaggi dell'EPS
Vantaggi
(1) Elevata efficienza energetica e autonomia-facile: azionato direttamente da un motore elettrico, l'EPS non richiede una pompa idraulica e presenta una perdita di energia estremamente bassa (l'HPS tradizionale consuma continuamente la potenza del motore). Per i veicoli elettrici, l’energia risparmiata può indirettamente aumentare l’autonomia di guida (ottimizzazione dell’efficienza energetica di circa il 3%-5%).
(2) Assistenza allo sterzo regolabile in modo flessibile: il livello di assistenza può essere regolato dinamicamente tramite software per adattarsi a diversi scenari (ad esempio, sterzo leggero a basse velocità, sterzo stabile ad alte velocità) e supporta anche modalità di guida personalizzate (sport/comfort).
(3) Struttura semplice, bassi costi di manutenzione: elimina olio idraulico, pompe, tubazioni e altri componenti, riducendo il rischio di perdite di olio e la necessità di successiva manutenzione.
(4) Forte adattabilità ambientale: resistente alle temperature estreme (l'olio idraulico si addensa a basse temperature nei sistemi idraulici, causando un ritardo nello sterzo).
(5) Supporto per sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS): compatibile con le funzioni ADAS come mantenimento della corsia e parcheggio automatico.
Svantaggi
(1) Feedback sulla sensazione di strada debole: la sensazione di strada simulata dell'assistenza elettrica è meno naturale di quella dei sistemi idraulici.
(2) Dipendenza dall'affidabilità del sistema di controllo elettronico: malfunzionamenti del motore, dei sensori o del software di controllo possono causare un'improvvisa perdita di assistenza (sebbene siano in atto progetti di ridondanza, esistono ancora dei rischi).
(3) Assistenza insufficiente in scenari di-carico elevato: i motori ad-potenza elevata sono costosi e alcuni modelli-a basso prezzo potrebbero avere un'assistenza insufficiente in condizioni di lavoro estreme (ad esempio, sterzando da fermo).
II. Servosterzo elettro-idraulico (EHPS)
A causa del carico pesante dei camion elettrici e della necessità di una maggiore assistenza allo sterzo, alcuni modelli adottano il servosterzo elettro-idraulico (EHPS), che introduce una tecnologia di controllo elettronico sulla base del tradizionale servosterzo idraulico (HPS) per migliorare l'efficienza energetica e la controllabilità.
1. Composizione dell'EHPS
Il sistema EHPS è costituito principalmente dai seguenti componenti:
(1) Pompa elettro-idraulica (in sostituzione della tradizionale pompa idraulica azionata dal motore-) Azionata da un motore elettrico e funzionante indipendentemente dal motore, è adatta per veicoli elettrici. Solitamente adotta un motore CC senza spazzole (BLDC) o un motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) per migliorare l'efficienza energetica.
(2) Meccanismo di assistenza idraulica- (pignone e cremagliera o sterzo a ricircolo di sfere) Simile all'HPS, ma la pressione idraulica viene regolata con precisione dal sistema di controllo elettronico.
(3) Unità di controllo elettronico (ECU)Regola la velocità di rotazione e la pressione della pompa elettro-idraulica in base a segnali quali la velocità del veicolo e la coppia di sterzata.
(4) Serbatoio idraulico, tubazioni idrauliche, valvola dello sterzoCome l'HPS tradizionale, responsabile dello stoccaggio e del controllo del flusso dell'olio idraulico.
2. Principio di funzionamento dell'EHPS
(1) Raccolta del segnaleQuando il conducente gira il volante, il sensore di coppia del volante rileva l'intenzione di sterzare del conducente (l'entità e la direzione della forza di sterzata). Il sensore di velocità del veicolo fornisce le informazioni sulla velocità attuale del veicolo (maggiore assistenza alle basse velocità, minore assistenza alle alte velocità).
(2) L'ECU calcola l'assistenza necessaria In base a dati quali coppia, velocità del veicolo e angolo di sterzata, l'ECU calcola la richiesta di pressione idraulica adeguata e controlla la velocità di rotazione della pompa elettro-idraulica.
Basse velocità (ad esempio, parcheggio): il motore funziona ad alta velocità per fornire un grande flusso di olio idraulico per sterzare senza sforzo.
Velocità elevate: il motore rallenta per ridurre l'assistenza, aumentare la "stabilità" del volante e migliorare la stabilità di guida.
(3) La pompa elettro-idraulica fornisce pressione. Il motore aziona la pompa idraulica, che pressurizza l'olio idraulico e lo invia alla valvola di controllo dello sterzo. In base alla direzione della coppia del volante, la valvola di controllo guida l'olio idraulico nella camera corrispondente del cilindro idraulico, spingendo la cremagliera o il collegamento dello sterzo per ottenere l'assistenza allo sterzo.
Bassa velocità/carico pesante: aumentare la pressione idraulica per migliorare l'assistenza e facilitare la sterzata.
Alta velocità/senza carico: ridurre la pressione idraulica per diminuire l'assistenza e migliorare la stabilità di guida.
(4) Circolazione dell'olio idraulico Al termine dell'assistenza, l'olio idraulico ritorna al serbatoio per formare una circolazione a circuito chiuso.
3. Vantaggi e svantaggi dell'EHPS
Vantaggi
(1) Assistenza a coppia elevata-: adatta per camion elettrici e veicoli commerciali- pesanti, fornisce una forza di sterzata maggiore rispetto all'EPS.
(2) Elevata affidabilità: il sistema idraulico maturo funziona stabilmente in condizioni di lavoro estreme (ad esempio, bassa temperatura, carico elevato).
(3) Costo moderato: più economico dell'EPS (dotato di motore ad alta-potenza + meccanismo di riduzione) e più efficiente dal punto di vista energetico-dell'HPS tradizionale.
Svantaggi
(1) Consumo energetico relativamente elevato: la pompa elettro-idraulica funziona continuamente e consuma più energia dell'EPS (ma è più efficiente- dal punto di vista energetico rispetto all'HPS tradizionale).
(2) Struttura complessa: richiede condutture idrauliche, serbatoi e altri componenti, con una manutenzione leggermente più problematica rispetto all'EPS.
(3) Risposta leggermente lenta: la velocità di regolazione dinamica del sistema idraulico è leggermente inferiore a quella dell'EPS.
III. Sterzo-via-cavo (SBW)
Sterzo-via-cavo (SBW)è la direzione futura dello sviluppo dei sistemi di sterzo. Elimina completamente il collegamento meccanico tra il volante e le ruote e si affida interamente ai segnali elettrici per controllare lo sterzo.
1. Composizione dell'SBW
Il sistema SBW è costituito principalmente dai seguenti componenti:
(1) Modulo del volanteResponsabile del rilevamento dell'intenzione di sterzare del conducente e della simulazione del feedback della sensazione di strada, tra cui: sensore di coppia/angolo del volante, motore di feedback della sensazione di strada e unità di controllo elettronico del volante.
(2) Modulo di esecuzione dello sterzoResponsabile dell'azionamento del volante, sostituendo il tradizionale piantone dello sterzo e il meccanismo a pignone e cremagliera, inclusi: motore di esecuzione dello sterzo, sensore dell'angolo di sterzata e meccanismo di riduzione (ad esempio, vite a ricircolo di sfere o set di ingranaggi).
(3) Unità di controllo elettronico (ECU) Il "cervello" di SBW, responsabile dell'elaborazione del segnale e del coordinamento del sistema, comprendente: ECU principale ed ECU ridondante.
(4) Sistema di sicurezza ridondante Per garantire la sicurezza, SBW deve essere dotato di più backup, tra cui: doppio-alimentatore, doppi canali di comunicazione e backup di emergenza meccanico.
2. Principio di funzionamento di SBW
(1) Raccolta segnali (modulo volante)
Sensore di coppia/angolo: rileva la forza e l'angolo di rotazione del volante del conducente e li converte in segnali elettrici.
Segnali come velocità del veicolo e tasso di imbardata: ottengono lo stato del veicolo (ad esempio, dati ESP, ABS) tramite il bus CAN per calcolare la risposta ottimale dello sterzo.
(2) Controllo elettronico (processo decisionale-dell'ECU)
ECU principale: calcola l'angolo di sterzata target (regola dinamicamente il rapporto di sterzata combinato con la velocità del veicolo, la modalità di guida, ecc.) e l'intensità del feedback della sensazione della strada (simula la forza di interazione tra pneumatici e superficie stradale) in base ai segnali dei sensori.
ECU ridondante: monitora il sistema principale in tempo reale e subentra immediatamente o attiva la modalità di emergenza una volta rilevato un guasto (ad esempio perdita di segnale, anomalia del motore).
(3) Esecuzione dello sterzo (guida sulle ruote) Il motore di esecuzione dello sterzo (solitamente un-motore brushless a coppia elevata) aziona direttamente la cremagliera o il fuso a snodo per spingere le ruote a girare. Il sensore di posizione restituisce l'angolo di sterzata effettivo delle ruote in tempo reale per ottenere il controllo a circuito chiuso-e garantire l'esecuzione accurata delle istruzioni dell'ECU.
(4) Simulazione della sensazione di strada (feedback del volante) Il motore di feedback della sensazione di strada applica una resistenza programmabile al volante per simulare la sensazione meccanica di strada dei sistemi di sterzo tradizionali (ad esempio, dossi, cambiamenti nell'aderenza degli pneumatici).
3. Vantaggi e svantaggi del SBW
Vantaggi
(1) Nessun collegamento meccanico: migliora la flessibilità del layout del telaio e aumenta lo spazio interno.
(2) Rapporto di sterzata variabile: l'angolo di rotazione del volante e l'angolo di sterzata del volante possono essere regolati liberamente (ad esempio, volante più sensibile alle basse velocità, più stabile alle alte velocità).
(3) Perfettamente adattato alla guida autonoma: lo sterzo può essere completamente controllato da un computer senza l'intervento del conducente.
(4) Protezione più sicura contro le collisioni: nessun piantone dello sterzo, che non si intromette nell'abitacolo del conducente in caso di collisione.
Svantaggi
(1) Costo elevato: richiede componenti elettronici ad alta-affidabilità e sistemi ridondanti.
(2) Restrizioni normative: attualmente, alcuni paesi richiedono il mantenimento di backup meccanici parziali (ad esempio, il sistema SBW di Toyota conserva ancora una connessione di emergenza della frizione).
(3) Accettazione da parte dei consumatori: alcuni utenti hanno dubbi sul metodo di guida "nessuna connessione meccanica".
IV. Riepilogo
Questo articolo presenta tre diversi tipi di sistemi di sterzo per veicoli elettrici e i loro principi di funzionamento. A causa del pesante carico di sterzata dei camion elettrici, l'EHPS (elettro-servosterzo idraulico) è ancora oggi la soluzione tradizionale, che raggiunge un buon equilibrio tra intensità di assistenza, affidabilità e costi. Tuttavia, con lo sviluppo della tecnologia EPS ad alta-potenza, in futuro alcuni camion elettrici potrebbero passare all'EPS o ai sistemi di sterzo ibridi. Al momento, l'EPS è ancora la soluzione più conveniente-ed è ampiamente utilizzata. Il futuro dei sistemi di sterzo dei veicoli elettrici si evolverà dall'EPS (Electric Power Steering) all'SBW (Steer-By-Wire) e l'SBW diventerà il mainstream grazie alla sua maggiore flessibilità e compatibilità con la guida autonoma.