מערכות היגוי לרכב חשמלי, כמערכת מפתח של כלי רכב חשמליים, שונות באופן משמעותי מאלו של כלי רכב-שמונעים בדלק. הם מחולקים בעיקר לשלוש קטגוריות: הגה כוח חשמלי (EPS), הגה כוח חשמלי-אלקטרו (EHPS) ו-Ster-By-Wire (SBW). כל סוג כולל עקרונות עבודה ברורים, יתרונות, חסרונות והיקפי יישום. מאמר זה מרחיב את ההרכב ואת עקרונות העבודה של שלוש מערכות ההיגוי הללו עבור כלי רכב חשמליים.
I. הגה כוח חשמלי (EPS)
EPSהיא מערכת ההיגוי הנפוצה ביותר בכלי רכב חשמליים כיום. הוא משתמש במנוע חשמלי כדי לספק סיוע בהיגוי, ומחליף את הגה הכוח ההידראולי המסורתי (HPS).
1. הרכב EPS
EPS מורכב בעיקר מהרכיבים הבאים:
(1) חיישן מומנט: מזהה את המומנט והכיוון של סיבוב ההגה (כוונת הנהג).
(2) חיישן זווית היגוי: מנטר את זווית ההגה (משולב בחיישן המומנט בחלק מהמערכות).
(3) חיישן מהירות הרכב: מספק אותות מהירות הרכב (להתאמה דינמית של רמת הסיוע בהיגוי).
(4) יחידת בקרה אלקטרונית (ECU): מעבדת נתוני חיישן בזמן אמת ומחשבת את סיוע ההיגוי הנדרש.
(5) מנוע עזר כוח-: בדרך כלל מנוע DC ללא מברשות (BLDC), אשר מעביר מומנט לעמוד ההגה או למתלה באמצעות מנגנון הפחתה (למשל, ציוד תולעת).
(6) מנגנון הפחתה: מגביר את מומנט המנוע כדי להניע את מערכת ההיגוי.
2. עקרון העבודה של EPS
(1) זיהוי כוונת הנהג כאשר הנהג מסובב את ההגה, חיישן המומנט מודד את מומנט הפיתול של ציר ההיגוי, וחיישן זווית ההיגוי מתעד את זווית ההיגוי, שניהם שולחים אותות ל-ECU. אותות מהירות הרכב מוקלטים באופן סינכרוני (למשל, נדרשת סיוע נוסף במהירויות נמוכות כדי לשפר את הסיוע במהירויות גבוהות).
(2) ECU מחשב את דרישת הסיוע ה-ECU מחשב את סיוע היעד על סמך מומנט, מהירות הרכב ואפילו מצב הרכב (למשל, זווית הטיה בחלק מהדגמים הגבוהים-), ומוציא אות PWM כדי לשלוט במנוע. דוגמאות אלגוריתמים:
חניה-נמוכה: מנוע הסיוע-הכוח מפיק מומנט גבוה (להיגוי ללא מאמץ).
נהיגה-במהירות גבוהה: הסיוע מופחת (כדי לשפר את תחושת הכביש ולהימנע מרגישות-יתירה).
(3) המנוע מבצע סיוע בהיגוי המנוע מעביר כוח לעמוד ההגה באמצעות מנגנון הפחתה (למשל, ציוד תולעת, רצועה) או מניע ישירות את המתלה (קיימים הבדלים מבניים בין סוגי EPS שונים, ראה להלן).
(4) משוב ותיקון המערכת עוקבת באופן רציף אחר מומנט גלגל ההגה וזווית ההיגוי בפועל, ומכווננת באופן דינמי את תפוקת המנוע כדי להשיג בקרת-לולאה סגורה ולהימנע מסיוע- יתר או פיגור.
3. סיווג והיקף היישום של EPS
בהתבסס על עמדות ההתקנה השונות של המנוע, ניתן לחלק את ה-EPS לסוגים הבאים:
| סוּג | מיקום מנוע | דגמי רכב ישימים | תכונות |
|---|---|---|---|
| C-EPS (עמודה-סוג EPS) | מותקן על עמוד ההגה | מכוניות קומפקטיות, מכוניות מיקרו | מבנה פשוט, עלות נמוכה, אך תפוקת סיוע נמוכה |
| P-EPS (Pinion-סוג EPS) | מותקן על גלגל ההיגוי | מכוניות קומפקטיות/בינוניות | סיוע מתון,-ביצועים מאוזנים היטב |
| R-EPS (סוג מדף-EPS) | מניע ישירות את מתלה ההיגוי | מכוניות גדולות ובינוניות-בגודל, רכבי שטח | תפוקת סיוע גבוהה, תגובה מהירה, מתאים לכלי רכב-כבדים |
| DP-EPS (Dual-Pinion EPS) | שני מנועים מניעים את הגלגל והמתלה בהתאמה | מכוניות-בביצועים גבוהים, מכוניות יוקרה | היגוי מדויק יותר, תגובה דינמית טובה יותר |
4. יתרונות וחסרונות של EPS
יתרונות
(1) יעילות אנרגטית גבוהה, טווח-ידידותי: מונע ישירות על ידי מנוע חשמלי, EPS אינו דורש משאבה הידראולית ויש לו אובדן אנרגיה נמוך במיוחד (HPS מסורתית צורכת ברציפות כוח מנוע). עבור כלי רכב חשמליים, האנרגיה שנחסכה יכולה להגדיל בעקיפין את טווח הנסיעה (כ-3%-5% אופטימיזציה של יעילות אנרגטית).
(2) סיוע בהיגוי מתכוונן בגמישות: ניתן לכוונן את רמת הסיוע באופן דינמי באמצעות תוכנה כדי להתאים לתרחישים שונים (למשל, היגוי קל במהירויות נמוכות, היגוי יציב במהירויות גבוהות), והוא אף תומך במצבי נהיגה מותאמים אישית (ספורט/נוחות).
(3) מבנה פשוט, עלות תחזוקה נמוכה: מבטל שמן הידראולי, משאבות, צינורות ורכיבים אחרים, ומפחית את הסיכון לדליפת שמן ואת הצורך בתחזוקה לאחר מכן.
(4) יכולת הסתגלות סביבתית חזקה: לא מושפע מטמפרטורות קיצוניות (שמן הידראולי מתעבה בטמפרטורות נמוכות במערכות הידראוליות, מה שמוביל לפיגור היגוי).
(5) תמיכה במערכות מתקדמות לסיוע לנהג (ADAS): תואם לפונקציות ADAS כגון שמירת נתיב וחניה אוטומטית.
חסרונות
(1) משוב תחושת כביש חלש: תחושת הכביש המדומה של סיוע חשמלי פחות טבעית מזו של מערכות הידראוליות.
(2) תלות באמינות מערכת הבקרה האלקטרונית: תקלות במנוע, בחיישנים או בתוכנת הבקרה עלולות לגרום לאובדן פתאומי של סיוע (למרות שתכנוני יתירות קיימים, עדיין קיימים סיכונים).
(3) סיוע לא מספק בתרחישי-עומס גבוהים: מנועים-בהספק גבוה הם יקרים, ולחלק מהדגמים-המחירים הנמוכים עשויים להיות סיוע לא מספק בתנאי עבודה קיצוניים (למשל, הגה בזמן נייח).
II. הגה כוח הידראולי-אלקטרו (EHPS)
בשל העומס הרב של משאיות חשמליות והצורך בסיוע היגוי חזק יותר, חלק מהדגמים מאמצים הגה כוח הידראולי אלקטרו-(EHPS), המציג טכנולוגיית בקרה אלקטרונית על בסיס הגה כוח הידראולי מסורתי (HPS) כדי לשפר את יעילות האנרגיה ואת יכולת השליטה.
1. הרכב EHPS
מערכת EHPS מורכבת בעיקר מהרכיבים הבאים:
(1) משאבה אלקטרו-הידראולית (מחליפת את המנוע המסורתי-משאבה הידראולית מונעת) מונעת על ידי מנוע חשמלי ופועלת ללא תלות במנוע, היא מתאימה לכלי רכב חשמליים. היא מאמצת בדרך כלל מנוע DC ללא מברשות (BLDC) או מנוע סינכרוני מגנט קבוע (PMSM) כדי לשפר את יעילות האנרגיה.
(2) מנגנון סיוע של כוח הידראולי-(מתלה או גלגל היגוי חוזר) בדומה ל-HPS, אך הלחץ ההידראולי מותאם במדויק על ידי מערכת הבקרה האלקטרונית.
(3) יחידת בקרה אלקטרונית (ECU) מכוונן את מהירות הסיבוב והלחץ של המשאבה האלקטרו-הידראולית בהתאם לאותות כגון מהירות הרכב ומומנט ההיגוי.
(4) מאגר הידראולי, צינורות הידראוליים, שסתום היגוי זהה ל-HPS המסורתי, אחראי על אחסון ובקרת הזרימה של שמן הידראולי.
2. עקרון העבודה של EHPS
(1) איסוף אותות כאשר הנהג מסובב את ההגה, חיישן המומנט של גלגל ההגה מזהה את כוונת ההיגוי של הנהג (גודל וכיוון כוח ההיגוי). חיישן מהירות הרכב מספק את מידע מהירות הרכב הנוכחי (יותר סיוע במהירויות נמוכות, פחות סיוע במהירויות גבוהות).
(2) ECU מחשב את הסיוע הנדרש בהתבסס על נתונים כגון מומנט, מהירות הרכב וזווית ההיגוי, ה-ECU מחשב את דרישת הלחץ ההידראולי המתאים ושולט על מהירות הסיבוב של המשאבה האלקטרו-הידראולית.
מהירויות נמוכות (למשל, חניה): המנוע פועל במהירות גבוהה כדי לספק זרימה גדולה של שמן הידראולי להיגוי ללא מאמץ.
מהירויות גבוהות: המנוע מאט כדי להפחית את הסיוע, לשפר את "יציבות" ההגה ולשפר את יציבות הנהיגה.
(3) משאבה אלקטרו-הידראולית מספקת לחץ.
מהירות נמוכה/עומס כבד: הגבר את הלחץ ההידראולי כדי לשפר את הסיוע להיגוי קל יותר.
מהירות גבוהה/ללא עומס: הפחת את הלחץ ההידראולי כדי להפחית את הסיוע ולשפר את יציבות הנהיגה.
(4) מחזור שמן הידראולי לאחר השלמת הסיוע, השמן ההידראולי זורם בחזרה למאגר כדי ליצור מחזור- של לולאה סגורה.
3. יתרונות וחסרונות של EHPS
יתרונות
(1) סיוע-במומנט גבוה: מתאים למשאיות חשמליות-כבדות ולרכבים מסחריים, מספק כוח היגוי חזק יותר מאשר EPS.
(2) אמינות גבוהה: המערכת ההידראולית הבוגרת פועלת ביציבות בתנאי עבודה קיצוניים (למשל, טמפרטורה נמוכה, עומס גבוה).
(3) עלות מתונה: חסכוני יותר מ-EPS (מצויד במנוע הספק-גבוה + מנגנון הפחתה) ויעיל יותר באנרגיה- מאשר HPS מסורתי.
חסרונות
(1) צריכת אנרגיה גבוהה יחסית: המשאבה האלקטרו-הידראולית פועלת ברציפות וצורכת יותר חשמל מ-EPS (אך יותר- יעילה באנרגיה מאשר HPS מסורתית).
(2) מבנה מורכב: מצריך צינורות הידראוליים, מאגרים ורכיבים אחרים, עם תחזוקה קצת יותר מטרידה מאשר EPS.
(3) תגובה מעט איטית: מהירות ההתאמה הדינמית של המערכת ההידראולית נמוכה מעט מזו של EPS.
III. לנווט-על ידי-חוט (SBW)
לנווט-על ידי-חוט (SBW)הוא כיוון הפיתוח העתידי של מערכות היגוי. הוא מבטל לחלוטין את החיבור המכני בין ההגה לגלגלים, ונשען לחלוטין על אותות חשמליים לשליטה בהיגוי.
1. הרכב SBW
מערכת SBW מורכבת בעיקר מהרכיבים הבאים:
(1) מודול גלגל הגה אחראי על זיהוי כוונת ההיגוי של הנהג והדמיית משוב תחושת כביש, כולל: חיישן מומנט/זוית ההגה, מנוע משוב תחושת כביש ויחידת בקרה אלקטרונית של גלגל ההגה.
(2) מודול ביצוע היגוי אחראי על הנעת הגה הגלגל, החלפת עמוד ההיגוי המסורתי ומנגנון מתלה, כולל: מנוע ביצוע היגוי, חיישן זווית היגוי ומנגנון הפחתה (למשל, בורג כדורי או ערכת הילוכים).
(3) יחידת בקרה אלקטרונית (ECU) ה"מוח" של SBW, האחראי על עיבוד אותות ותיאום מערכת, כולל: ECU ראשי ו-ECU מיותר.
(4) מערכת בטיחות מיותרת כדי להבטיח בטיחות, SBW חייב להיות מצויד במספר גיבויים, כולל: ספק כוח כפול-, ערוצי תקשורת כפולים וגיבוי חירום מכני.
2. עקרון העבודה של SBW
(1) איסוף אותות (מודול גלגל ההגה)
חיישן מומנט/זווית: מזהה את הכוח והזווית של סיבוב ההגה של הנהג וממיר אותם לאותות חשמליים.
אותות כגון מהירות הרכב וקצב הפיכוך: השג את מצב הרכב (למשל, נתוני ESP, ABS) דרך אפיק ה-CAN לחישוב תגובת ההיגוי האופטימלית.
(2) בקרה אלקטרונית (קבלת החלטות- של ECU)
ECU ראשי: מחשב את זווית ההיגוי של המטרה (מתאים באופן דינמי את יחס ההיגוי בשילוב עם מהירות הרכב, מצב נהיגה וכו') ואת עוצמת משוב תחושת הכביש (מדמה את כוח האינטראקציה בין הצמיגים למשטח הכביש) בהתבסס על אותות החיישנים.
ECU מיותר: מנטר את המערכת הראשית בזמן אמת ומשתלט מיד או מפעיל את מצב החירום ברגע שמתגלה תקלה (למשל, אובדן אות, חריגה במנוע).
(3) ביצוע היגוי (הנעת גלגל) מנוע הפעלת ההיגוי (בדרך כלל מנוע ללא מברשות-גבוהה) מניע ישירות את המתלה או מפרק ההיגוי כדי לדחוף את הגלגלים כדי להסתובב. חיישן המיקום מחזיר את זווית ההיגוי בפועל של הגלגלים בזמן אמת כדי להשיג שליטה בלולאה סגורה ולהבטיח את הוראות ה-ECU המדויקות.
(4) הדמיית תחושת כביש (משוב מההגה) מנוע משוב תחושת הכביש מחיל התנגדות ניתנת לתכנות על ההגה כדי לדמות את תחושת הכביש המכאנית של מערכות היגוי מסורתיות (למשל, מהמורות, שינויים באחיזת הצמיגים).
3. יתרונות וחסרונות של SBW
יתרונות
(1) ללא חיבור מכני: משפר את הגמישות של פריסת השלדה ומגדיל את המרחב הפנימי.
(2) יחס היגוי משתנה: ניתן לכוונן בחופשיות את זווית סיבוב ההגה וזווית ההיגוי (למשל, הגה רגיש יותר במהירויות נמוכות, יציב יותר במהירויות גבוהות).
(3) מותאם בצורה מושלמת לנהיגה אוטונומית: ההיגוי יכול להיות נשלט במלואו על ידי מחשב ללא התערבות הנהג.
(4) הגנה מפני התנגשות בטוחה יותר: אין עמוד הגה, אשר לא יחדור לתא הנהג במקרה של התנגשות.
חסרונות
(1) עלות גבוהה: דורש-רכיבים אלקטרוניים ומערכות מיותרות אמינות גבוהה.
(2) הגבלות רגולטוריות: נכון לעכשיו, מדינות מסוימות דורשות שמירה של גיבויים מכניים חלקיים (למשל, מערכת ה-SBW של טויוטה עדיין שומרת על חיבור חירום מצמד).
(3) קבלת צרכנים: לחלק מהמשתמשים יש ספקות לגבי שיטת ההיגוי "ללא חיבור מכני".
IV. תַקצִיר
מאמר זה מציג שלושה סוגים שונים של מערכות היגוי לכלי רכב חשמליים ועקרונות העבודה שלהם. בשל עומס ההיגוי הרב של משאיות חשמליות, EHPS (אלקטרו-היגוי כוח הידראולי) הוא עדיין הפתרון המרכזי כיום, אשר משיג איזון טוב בין עוצמת הסיוע, האמינות והעלות. עם זאת, עם הפיתוח של טכנולוגיית EPS-גבוהה, כמה משאיות חשמליות עשויות לעבור למערכות היגוי EPS או היברידיות בעתיד. נכון לעכשיו, EPS הוא עדיין הפתרון החסכוני ביותר- ונמצא בשימוש נרחב. העתיד של מערכות ההיגוי לרכבים חשמליים יתפתח מ-EPS (הגה חשמלי חשמלי) ל-SBW (Steer-By-Wire), ו-SBW יהפוך למיינסטרים עם הגמישות והתאימות הגבוהות יותר שלו לנהיגה אוטונומית.