汽车电子 | 关键技术之二:EPS发展及趋势研究

http://www.auto-a.hc360.com2018年06月12日11:34 来源: 中汽汽车电子电器信息T|T

    【慧聪汽车用品网】电动助力转向系统(EPS)在传统机械转向系统的基础上,增加了传感器装置、电子控制装置和转向助力机构等,通过控制电动机产生助力进而实现转向,彻底摆脱了油液加压助力方式。

    科学技术的迅猛发展极大地促进了汽车技术和汽车工业的发展,汽车转向系统也不例外。1954年,通用汽车公司首次将液压助力转向系统应用于汽车上。经过一系列的技术革新,80年代早期出现了电子液压助力转向系统。1988年,日本铃木汽车公司首先在其小型轿车Cervo上装备了电动助力转向系统。

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    随着EPS系统技术得到广泛的认可,先后有多家汽车公司开始对EPS系统投入研究,如英国卢卡斯日本三菱汽车大发汽车公司德国ZF德尔福公司和美国天合公司德尔福公司的产品用于大众波罗欧宝318i和菲亚特Punto等车型上安装了电动助力转向系统,三菱在其生产的Minic上配备了EPS系统日本大发也在它Mira车型上配备了EPS系统,本田的Accord上也己经选装了EPS系统进行安装直至今日这些公司的电动助力转向系统在国际市场中仍然占有着广大的市场份额从电动助力转向系统出现到现在的30余年时间里,EPS系统得到了飞速的发展从最开始的电动助力转向系统仅在汽车低速的停车状态时动作,向全速型进行的发展使汽车在高速行驶时主动添加阻尼控制使汽车在全速下也可进行操纵稳定性控制应用范围也越来越广,从最开始的中型微微型汽车上的应用己经向中高档汽车扩展。

    电动助力转向系统作为机电一体化的代表,将电机与电子产品相结合,对汽车的驾驶系统进行了提升,在满足了驾驶员对操纵系统操纵性,电动助力转向系统表现出了非常大的优势。

    市场发展现状及展望

    一汽车工业主要指标完成情况

    从全球来看,汽车EPS搭载率已超过50%。我国在售乘用车型中使用HPS的汽车约为63%,使用EPS约为35%,而我国自主品牌汽车的EPS搭载率仅为20%左右,未来发展潜力巨大。近几年来国内自主品牌EPS产销量正快速增长。数据显示,2015年自主品牌EPS产品销量约229.3万件,同比增长30.5%,市占率达到19%,较上一年提升1.3个百分点。

    随着乘用车智能性和电子电气化程度提升以及新能源汽车销量的快速增长,我们对2020年EPS的市场空间进行了敏感性测算:

    在油耗限值法规、电动化和智能化的趋势下,我们认为EPS的装配率有望快速提升。随着国内EPS产品逐渐成熟,我们预计到2020年EPS的市场渗透率将达到65%。在国内汽车产量复合增速为6%、EPS渗透率为65%的中性假设下,2020年汽车产量有望达到3279万辆,相应的EPS市场规模为2131.41万件,若按照EPS单价为1000元/件计算,EPS市场空间有望达到213亿元。

    EPS市场规模及渗透率

    国内对EPS系统的需求在一段时间内非常可观,但作为国内的生产企业来说,助力系统还处于初级阶段与国外公司还有很大的差距,在短时间能无法满足高标准的驾驶需求,所以国内市场还是基本有国外产品占据。

    根据中汽协数据,2016年1-6月自主品牌狭义乘用车销售382.39万辆,占比达到38.1%,较15年提高3.2个百分点。自主品牌销量快速增长一方面与乘用车销量主要贡献区域向可支配收入较低的中西部转移有关,另一方面与自主品牌SUV车型销量快速增长有关。我们认为自主品牌市占率的提升有望持续。同时,随着国内EPS自主研发技术的不断成熟,自主品牌EPS装配率有望进一步提升。

    2014、2015年我国EPS分国别占比情况

    二EPS供应商产业链

    在中国电动助力转向系统市场中,外资或合资企业的市场占有率在80%左右,占垄断地位,中国本土企业市场占有率则不足20%。目前日本捷太格特、德国采埃孚、日本精工、美国天合等全球主要转向系统供应商均已在中国设立EPS生产基地。中国本土出现了一批产能在100万套以上的企业,例如易力达、豫北等。

    国内主要EPS供应商

    分供应商国别来看,近年来国内自主品牌EPS产销量快速增长。根据行业专家交流数据,2014年我国自主品牌EPS产品销量约为175.7万件,占国内EPS产品总销量的17.7%;2015年自主品牌EPS产品销量约229.3万件,同比增长30.5%,市占率达到19%,较2014年提高1.3个百分点。我们认为,自主品牌EPS销量快速增长,与产品成熟度提升以及自主品牌乘用车市占率提升、消费升级带来自主品牌车型EPS装配率提升有关。

    技术及应用发展趋势

    一电机将逐渐转向无刷电机

    稀土永磁材料具有结构简单、运行可靠、质量小、效率高等优点,必将取代传统电动机。此外,有刷电机存在诸多弊端,比如电刷产生的噪声较难克服、磨损严重、电磁干扰等问题。长远来看,无刷电机将逐渐取代有刷电机,日本现在国内配装的EPS也逐渐转向无刷电机。

    二主动回正技术将成发展趋势

    EPS转向助力特性的控制策略通常是电机助力电流控制,当转向参数变化时,转向盘转矩特性会随之变化。若以转向盘转矩为目标转矩进行控制,可以改善转向轻便性和路感,加快转向响应速度,进一步提高行驶安全性。

    三传感器将由滑动变阻式向非接触式过渡

    全电动转向技术(线控转向,Steering-by-Wire,SBW)取消了转向盘与转向轮之间机械连接,完全由电能及转向信号实现转向。此外,其可对驾驶员的操作指令或汽车状态进行判断,必要时自动进行驾驶控制,使汽车恢复稳定行驶。与EPS相比,SBW操纵稳定性更佳,主动和被动安全性更高,转向性能设计更自由,同时乘坐舒适性也更好。

    四多助力模式

    EPS相对于HPS系统,最大的优点是真正做到了随速转向,为驾驶员提供良好的驾驶感觉。但同一辆车辆,不同的驾驶员(性别、年龄、个性、身体状况等),对EPS助力特性也有不同的要求,目前的EPS无法满足每一个驾驶员的需求。若在ECU中存储多种助力特性曲线,可形成多助力模式,由驾驶员根据各自驾驶习惯自由选择,则可以最大化满足驾驶员的需求。多助力模式对硬件改动较小(增加选择开关),软件及调教费用较低,性价比高,未来推广较为容易。目前现代胜达、IX35等车型上已经配备多助力模式。

    五线控转向

    随着车辆电气化和智能化程度的提高,线控转向(SteeringByWire,SBW)已经成为转向系统的发展方向,未来会取得广泛应用。所谓四轮转向,是指取消转向盘和车轮之间的机械连接装置,使用控制信号连接,又称为柔性转向系统。

    SBW的结构原理图如上图所示。由于SBW采用柔性连接,转向盘和车轮之间取消了机械连接,且电子元器件易受电磁干涉,需要接受的信号较多,系统复杂,其可靠性和安全性是最亟待解决的。为保障安全,一般采用冗余设计的方法,如在系统中增加传感器、电机、电源或备份机械结构等,有效提高系统的可靠性。

    如全球率先量产采用SBW的英菲尼迪Q50,就采用了备份机械机构的方式。车辆转向时,不依靠传统的机械连接,而是依靠三组电子控制单元(ECU)进行控制,根据路况和转向盘转动角度和扭矩、车速进行综合计算,从而指挥转向电机机构实现转向。当任意一个ECU被监测到出现了问题时,备用模式将激活离合器,恢复至传统的机械传动转向模式,确保驾驶员可以掌控车辆。

    现存问题及与国际差距

    国内的电动助力转向系统的起步相对于国外起步时间较晚,同时还面临着转向系统没有系统研究等一系列的问题,因此面临很大挑战国内最早使用电动助力转向系统的是昌河北斗星,之后开启了国内转向系统的变革随和国内汽车行业的自身发展,国内电动助力转向系统与国际先进技术相融合引进,使我国EPS(电动阻力转向系统)系统快速发展。

    现在,国内己将电动助力转向系统的研究列入了重点科研项目一些有相关背景的高校与汽车行业的一部分企业合作共同研究,在基础较低的情况下,可到了相对较大的发展,但作为产品的问世还为时尚早,系统相对不成熟是面临的最大问题从1998年开始我国就开始了对电动助力转向系统的研究,其中吉林大学清华大学和华南理工大学等己取得较大的突破,主要涉及EPS系统的算法研究。

    作为消费类产品,其能否适应市场和是否存在竞争力是重中之重,作为自主研发的助力转向系统与国际生产厂商之间对于汽车整体的驾驶手感,操纵性发面还存在许多欠缺。

    比如EPS噪声大方向盘振动厉害,方向盘转向不对称,系统的可靠性低,故障率高驾驶安全存在隐患等问题仍待解决另外从研发和生产力转化方面,科技成果转化还是存在许多壁垒,因此制约了电动助力转向系统的发展作为生产制造业。

    再比如于电动助力转向器线束接插件针脚耐久腐蚀问题,可能导致车辆长时间使用后电动转向助力系统报故障码,可能导致车辆电子转向助力失效,存在安全隐患,2018年1月26日浙江吉利汽车有限公司就因为这个原因,宣布召回2015年4月1日至2016年10月28日期间生产的部分博瑞GC-9汽车,共计40,068辆。

    由于国内对与电动助力转向系统的产业标准定义上不清晰,各厂家之间生产的产品不匹配也是现在面临的重要问题需要尽快解决。

    结语

    总之,EPS是汽车转向系统的发展方向,一方面源于节能环保政策法规的引导,另一方面该技术本身属于升级式和潮流型配置。目前,电动化和智能化是车辆发展的趋势,转向系统同样遵循这一趋势。随着电器元器件价格的下降和EPS技术的成熟,EPS发展前景会更加光明。未来EPS会朝着安全、高效环保、舒适的方向发展,在解决线控转向的可靠性和成本问题后,线控转向作为转向系统发展的主要方向,逐渐普及在量产车型上。“励展宏达”官方微信官方App

责任编辑:王旸

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