純電動(dòng)汽車(chē)空壓機(jī)控制方案設(shè)計(jì)

田韶鵬，李　庚，雷　蕾

(武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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純電動(dòng)汽車(chē)空壓機(jī)控制方案設(shè)計(jì)

田韶鵬，李庚，雷蕾

(武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

摘要：針對(duì)汽車(chē)空壓機(jī)卸荷狀態(tài)下能量消耗大的問(wèn)題，結(jié)合傳統(tǒng)汽車(chē)空壓機(jī)控制方式，提出了純電動(dòng)汽車(chē)空壓機(jī)的控制方案，延長(zhǎng)了空壓機(jī)的使用壽命，降低了空壓機(jī)的能量消耗；并針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)安靜的特點(diǎn)，為純電動(dòng)汽車(chē)的空壓機(jī)設(shè)計(jì)了降噪裝置，保證了純電動(dòng)汽車(chē)噪聲小的優(yōu)點(diǎn)，使純電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性和舒適性得到了提高。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車(chē)；空壓機(jī)；控制方案

傳統(tǒng)汽車(chē)中帶有氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的車(chē)輛大多采用小型往復(fù)活塞式空氣壓縮機(jī)[1]，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)空壓機(jī)壓縮空氣，空壓機(jī)工作時(shí)的噪聲可達(dá)90 dB?；钊娇諌簷C(jī)技術(shù)成熟且造價(jià)低，但活塞式空壓機(jī)被安裝在純電動(dòng)汽車(chē)中時(shí)，需考慮空壓機(jī)工作中產(chǎn)生的噪聲對(duì)人體舒適度的影響。

目前國(guó)內(nèi)外純電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)中，小型轎車(chē)大多采用真空助力伺服裝置，8 t以上的車(chē)輛主要采用以空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮氣體為動(dòng)力的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)。選用的空壓機(jī)多選用滑片式壓縮機(jī)，工作噪聲低，但費(fèi)用高?？諌簷C(jī)的控制方式為機(jī)械式控制，而機(jī)械式氣壓開(kāi)關(guān)受疲勞強(qiáng)度的限制，一旦出現(xiàn)故障，則會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)力不足。

汽車(chē)行駛過(guò)程中，空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮氣體主要用于制動(dòng)，車(chē)輛在平路上制動(dòng)頻率約為0.2～0.5次/分，車(chē)輛在山間或擁堵市區(qū)制動(dòng)頻率約為0.8～1.4次/分。出于安全考慮，在計(jì)算車(chē)輛用氣量時(shí)，需選用車(chē)輛最頻繁制動(dòng)次數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)，并留有適當(dāng)余量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)具有代表性的丘陵地帶駕車(chē)試驗(yàn)，所需要空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生壓縮空氣的時(shí)間約為整個(gè)行車(chē)時(shí)間的三分之一，從而車(chē)輛在平原地區(qū)行駛時(shí)，所需空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮空氣的時(shí)間會(huì)更短。因此，傳統(tǒng)汽車(chē)空壓機(jī)大部分時(shí)間處于卸荷狀態(tài)，而此時(shí)消耗的能量浪費(fèi)掉了。為此，筆者設(shè)計(jì)了純電動(dòng)汽車(chē)空壓機(jī)控制方案，使處于卸荷狀態(tài)的空壓機(jī)不工作，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能量的目的[2]。

1傳統(tǒng)布置方案

目前傳統(tǒng)汽車(chē)中空壓機(jī)的活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)壓縮空氣，當(dāng)儲(chǔ)氣罐中的氣壓達(dá)到設(shè)定的壓力安全值(0.8 MPa左右)時(shí)，必須進(jìn)行卸荷處理?？傮w來(lái)說(shuō)，裝配了空壓機(jī)的傳統(tǒng)汽車(chē)有兩種卸荷方式。①放空卸荷方式。空壓機(jī)隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮空氣，當(dāng)儲(chǔ)氣罐中氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)上限值時(shí)，空壓機(jī)繼續(xù)壓縮空氣，但此時(shí)儲(chǔ)氣罐中的安全閥開(kāi)啟，罐中壓縮氣體排出，實(shí)現(xiàn)放空卸荷；當(dāng)儲(chǔ)氣罐壓力低于預(yù)設(shè)下限值時(shí)，罐中安全閥關(guān)閉，壓縮氣體不再排放。這種方法最為簡(jiǎn)單，但不經(jīng)濟(jì)，浪費(fèi)了大量能量，一般不采用。②壓力調(diào)節(jié)器方式。當(dāng)罐中氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)上限值時(shí)，借助壓力調(diào)節(jié)器使空壓機(jī)的排氣壓力等于進(jìn)氣壓力，此時(shí)空壓機(jī)的功率消耗為額定功率的20%～30%，這種方式較為經(jīng)濟(jì)，應(yīng)用于大多數(shù)傳統(tǒng)汽車(chē)。

圖1　傳統(tǒng)汽車(chē)中空壓機(jī)控制方案

壓力調(diào)節(jié)器方式廣泛采用如圖1所示的控制方案。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)空壓機(jī)壓縮空氣，壓縮氣體經(jīng)排氣管A進(jìn)入儲(chǔ)氣罐B，儲(chǔ)氣罐B與壓力調(diào)節(jié)器C相通，當(dāng)罐中氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值(0.8 MPa左右)時(shí)，壓力調(diào)節(jié)器打開(kāi)，使壓縮空氣推動(dòng)活塞，從而將吸氣閥頂開(kāi)。這時(shí)空壓機(jī)雖然工作，但是氣體沒(méi)有被壓縮，吸入氣缸中的氣體，通過(guò)吸氣閥倒流出去。當(dāng)罐中的氣壓低于預(yù)設(shè)的下限值(0.6 MPa左右)時(shí)，壓力調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，從而使閥桿通過(guò)復(fù)位彈簧將吸氣閥關(guān)閉，空壓機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，繼續(xù)給儲(chǔ)氣罐打氣，如此不斷循環(huán)[3]。

2設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)汽車(chē)活塞空壓機(jī)的控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本費(fèi)用低廉、技術(shù)成熟，但是空壓機(jī)在汽車(chē)行駛時(shí)大部分時(shí)間處于卸荷狀態(tài)，浪費(fèi)了能源。對(duì)于以節(jié)能減排為目的的純電動(dòng)汽車(chē)，將傳統(tǒng)汽車(chē)上的空壓機(jī)控制方式應(yīng)用于純電動(dòng)車(chē)不是很適合。針對(duì)以上缺點(diǎn)，筆者提出一個(gè)關(guān)于純電動(dòng)汽車(chē)的空壓機(jī)控制設(shè)想，控制原理如圖2所示。

圖2　控制原理

純電動(dòng)汽車(chē)行駛帶動(dòng)空壓機(jī)給儲(chǔ)氣罐打氣，當(dāng)儲(chǔ)氣罐氣壓達(dá)到設(shè)定上限值時(shí)，空壓機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，不再壓縮氣體。隨著制動(dòng)等氣壓裝置的使用，儲(chǔ)氣罐中壓縮空氣不斷被消耗，當(dāng)罐中壓力達(dá)到設(shè)定的下限值時(shí)，空壓機(jī)恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，繼續(xù)向儲(chǔ)氣罐中打氣。

3設(shè)計(jì)方案

對(duì)于上述設(shè)計(jì)原理，參考傳統(tǒng)汽車(chē)中空壓機(jī)的控制方案，設(shè)計(jì)了兩套純電動(dòng)汽車(chē)空壓機(jī)的控制方案。兩套方案都實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)的電子控制，減少了空壓機(jī)對(duì)電量的損耗，同時(shí)降低了成本。

3.1方案一

圖3　方案一的控制流程

如圖3所示為方案一的控制流程，與傳統(tǒng)汽車(chē)中空壓機(jī)的控制方案相比，純電動(dòng)汽車(chē)采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)給車(chē)輛提供動(dòng)力，去掉了壓力調(diào)節(jié)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)一端把動(dòng)力傳遞給變速器，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，另一端通過(guò)皮帶輪與皮帶連接空壓機(jī)，帶動(dòng)空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[4-6]。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)與空壓機(jī)之間增設(shè)一個(gè)電磁離合器，并且在儲(chǔ)氣罐中安裝了壓力傳感器。

電磁離合器的作用是結(jié)合或斷開(kāi)驅(qū)動(dòng)主電機(jī)與空壓機(jī)之間的動(dòng)力傳遞，從而實(shí)現(xiàn)控制空壓機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)的目標(biāo)；壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣罐中氣體的壓力，并將測(cè)得的氣壓信號(hào)輸入給ECU，由ECU分析判斷并控制電磁離合器的分離與結(jié)合。

方案一的工作原理為：純電動(dòng)汽車(chē)在路面行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)空壓機(jī)壓縮空氣給儲(chǔ)氣罐打氣，安裝在罐上的壓力傳感器檢測(cè)到罐中的氣壓P，并將壓力信號(hào)傳給ECU，ECU將P與存儲(chǔ)在ECU中最低下限設(shè)定壓力P0(0.6 MPa左右)、最高上限設(shè)定壓力P1(0.8 MPa左右)進(jìn)行對(duì)比。若P小于P0，則ECU發(fā)出指令控制電磁離合器接合，空壓機(jī)隨驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮空氣，向儲(chǔ)氣罐中供氣；若P大于P1，則ECU發(fā)出指令控制電磁離合器斷開(kāi)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與空壓機(jī)之間中斷動(dòng)力傳遞，空壓機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)，停止向儲(chǔ)氣罐提供壓縮空氣?？諌簷C(jī)如此不斷循環(huán)工作給儲(chǔ)氣罐充氣。

3.2方案二

如圖4所示為方案二的控制流程，相比于方案一，其取消了電磁離合器，去掉了皮帶與皮帶輪，專(zhuān)門(mén)增設(shè)一臺(tái)小型電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，給儲(chǔ)氣罐充氣，通過(guò)ECU控制小型電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的控制。

圖4　方案二的控制流程

方案二的控制原理為：純電動(dòng)汽車(chē)正常行駛時(shí)，安裝在儲(chǔ)氣罐中的壓力傳感器檢測(cè)到罐中的氣壓P，接著將氣壓信號(hào)輸入給ECU，ECU將P與存儲(chǔ)罐氣壓閾值進(jìn)行比較，其最低下限壓力設(shè)定為P0，最高上限壓力設(shè)定為P1。若罐中氣壓P小于P0，則ECU發(fā)出命令控制增設(shè)的小型電動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，從而帶動(dòng)空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮空氣，向儲(chǔ)氣罐中充氣；若P大于P1，則ECU發(fā)出命令使小型電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使空壓機(jī)不再壓縮空氣，停止向儲(chǔ)氣罐中打氣。如此不斷循環(huán)，儲(chǔ)氣罐中氣壓不足時(shí)，空壓機(jī)工作，儲(chǔ)氣罐充滿時(shí)，空壓機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的可控控制。

3.3對(duì)比分析

與傳統(tǒng)汽車(chē)中的空壓機(jī)控制方案相比，方案一與方案二都是通過(guò)ECU間接對(duì)空壓機(jī)實(shí)施電子控制，既保證了車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)所需的氣壓要求，又能保證滿足儲(chǔ)氣罐中氣壓需求的前提下實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)停止工作。兩種方案通過(guò)對(duì)空壓機(jī)的精準(zhǔn)控制，減少了電量的耗損，提高了純電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也相對(duì)延長(zhǎng)了空壓機(jī)的使用壽命。

方案一通過(guò)采用皮帶和皮帶輪連接主驅(qū)動(dòng)電機(jī)與空壓機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳遞效率低，維修方便，傳動(dòng)較平穩(wěn)，能夠緩沖吸振，起到一定的安全保護(hù)作用。但主驅(qū)動(dòng)電機(jī)與空壓機(jī)之間皮帶輪的傳動(dòng)比固定，而主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨道路情況時(shí)刻變化，使空壓機(jī)工作的轉(zhuǎn)速時(shí)快時(shí)慢，不能在理想的額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，空壓機(jī)的充氣效率低，而在高速時(shí)，空壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件容易發(fā)生疲勞破壞，影響空壓機(jī)使用壽命。

方案二中直接采用一臺(tái)小型電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)控制電機(jī)工作來(lái)實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的啟停，從而可以使選擇的小型電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與空壓機(jī)的額定轉(zhuǎn)速相同，當(dāng)儲(chǔ)氣罐中氣壓不足時(shí)，空壓機(jī)能夠迅速滿負(fù)荷工作，實(shí)現(xiàn)快速充氣。這種控制方式最為理想，保證了空壓機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。相對(duì)于方案一，方案二中的空壓機(jī)工作狀態(tài)更優(yōu)，使其能更快速地給儲(chǔ)氣罐充氣，從而使空壓機(jī)需要的工作時(shí)間縮小，也相對(duì)增加了空壓機(jī)的使用壽命。但需要考慮增設(shè)的電機(jī)也會(huì)消耗少量電能，且增加了安裝空間及安裝成本。

3.4節(jié)省電量的計(jì)算

兩種方案都取消了傳統(tǒng)汽車(chē)中空壓機(jī)的卸荷運(yùn)轉(zhuǎn)情況。假定選取EQ140-3型空壓機(jī)安裝于純電動(dòng)汽車(chē)并計(jì)算其消耗的能量，額定功率P=1.5 kW，卸荷功率P1約為額定功率的25%，設(shè)定純電動(dòng)汽車(chē)的平均行駛速度為40 km/h，則純電動(dòng)汽車(chē)行駛百公里，采用方案一或方案二空壓機(jī)消耗的電量Q1和相比于傳統(tǒng)控制方案節(jié)省的電量Q2分別為：

式中：t為純電動(dòng)汽車(chē)以40 km/h的平均速度行駛百公里的時(shí)間;1/3為所需空壓機(jī)工作時(shí)長(zhǎng)占車(chē)輛行駛時(shí)長(zhǎng)的比例。

車(chē)輛在實(shí)際道路上行駛時(shí)，所需的空壓機(jī)工作時(shí)間更短，即新方案可節(jié)省的電量Q2會(huì)更大。在一定條件下，純電動(dòng)汽車(chē)空壓機(jī)的可節(jié)省電量Q2最高可達(dá)約1 kW·h[7-8]。

4降噪處理

純電動(dòng)汽車(chē)采用電動(dòng)機(jī)替代了發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，故工作噪聲小。但活塞式空壓機(jī)工作噪聲較大，在純電動(dòng)汽車(chē)上安裝活塞式空壓機(jī)時(shí)，需要考慮空壓機(jī)工作噪聲對(duì)人體舒適度的影響。活塞式空壓機(jī)的噪聲主要由進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲和機(jī)械噪聲組成。①進(jìn)氣噪聲。空壓機(jī)的進(jìn)氣閥門(mén)斷續(xù)開(kāi)啟, 空氣間歇地被吸入空壓機(jī)的氣缸中，從而在進(jìn)氣口閥門(mén)周?chē)a(chǎn)生壓力波動(dòng)，并以聲波的形式從進(jìn)氣口閥門(mén)處輻射出來(lái)，形成進(jìn)氣噪聲。進(jìn)氣噪聲處于低頻段，并且比其他部件的噪聲略高，是空壓機(jī)噪聲的主要來(lái)源之一。②排氣噪聲。當(dāng)壓縮氣體從空壓機(jī)排氣閥門(mén)間歇地排出時(shí)，氣體在排氣口周?chē)a(chǎn)生振動(dòng), 從而產(chǎn)生排氣噪聲。③機(jī)械噪聲。空壓機(jī)中的彈性結(jié)構(gòu)，如機(jī)體、活塞、連桿、曲軸等部件，在慣性矩和氣體壓力等作用下產(chǎn)生多種形式的彈性振動(dòng)，形成了機(jī)械噪聲。機(jī)械噪聲中高頻成份居多，隨著空壓機(jī)使用時(shí)間的增加，各零件的使用性能降低，空壓機(jī)的機(jī)械噪聲也逐漸增大，機(jī)械噪聲是空壓機(jī)噪聲主要來(lái)源之一。

(1)進(jìn)排氣噪聲處理：在空壓機(jī)的進(jìn)排氣道中安裝消音器[9]。消音器分為抗性消音器和阻性消音器。阻性消音器一般采用由酯、棉材料組成的多孔吸聲材料來(lái)降低噪聲，使用一段時(shí)間后消音材料容易老化，從而影響空壓機(jī)的進(jìn)排氣性能，并且阻性消音器主要適用于高頻噪聲處理，而不是低頻噪聲，故不適合空壓機(jī)的進(jìn)排氣噪聲處理?？剐韵羝饔赏蛔兘缑娴墓芎褪蚁嗷ソM合構(gòu)成，通過(guò)過(guò)濾掉一些低頻率的噪聲達(dá)到降低噪聲的目的，并且在抗潮濕性能、耐高溫性能、氣體流速、潔凈度等方面都比阻性消音器效果好?？剐韵羝靼ü舱袷较羝骱蛿U(kuò)張式消音器。共振式消音器是由小孔板和共振腔組成，通過(guò)利用共振結(jié)構(gòu)的阻抗引起聲波的反射從而進(jìn)行消聲，其降噪成本較高。擴(kuò)張式消音器由各個(gè)擴(kuò)張室與連管組成，利用橫斷面積的擴(kuò)張、收縮引起聲波的反射與干涉來(lái)達(dá)到消聲的目的，降噪成本低。因此，筆者采用擴(kuò)展式消音器。

(2)機(jī)械噪聲處理：通過(guò)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的隔聲罩，對(duì)空壓機(jī)的機(jī)械噪聲進(jìn)行消音。隔聲罩的外殼由具有一定重量和剛性的不透氣金屬材料組成，一般用約為2 mm厚的鋼板，罩的中間為阻尼層，罩的內(nèi)層裝有吸聲材料[10-12]。隔聲罩通過(guò)把噪聲較大的空壓機(jī)封閉起來(lái)，可以阻隔空壓機(jī)機(jī)械噪聲的外傳和擴(kuò)散，從而減少機(jī)械噪聲對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，是一種簡(jiǎn)單而有效的方法。如圖5所示為機(jī)械噪聲的降噪處理設(shè)計(jì)，通過(guò)把活塞式空壓機(jī)密封起來(lái)以達(dá)到降噪的目的。

圖5　降噪處理設(shè)計(jì)

5結(jié)論

筆者根據(jù)傳統(tǒng)汽車(chē)空壓機(jī)的布置形式，提出純電動(dòng)汽車(chē)空壓機(jī)的控制方案，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)的電子控制，既保證了純電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)時(shí)所需要的氣壓，又去掉了空壓機(jī)卸荷工作狀態(tài)，降低了空壓機(jī)的能量需求，提高了純電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性，相對(duì)增加了空壓機(jī)的工作壽命；并針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)安靜的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了純電動(dòng)汽車(chē)空壓機(jī)降噪裝置，保證了純電動(dòng)汽車(chē)噪聲小的優(yōu)點(diǎn)。

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TIAN Shaopeng:Prof.; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

文章編號(hào)：2095-3852(2016)03-0382-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2016-01-10.

作者簡(jiǎn)介：田韶鵬(1974-)，男，河南南陽(yáng)人，武漢理工大學(xué)汽車(chē)學(xué)院教授；博士.

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.03.026

The Control Scheme of Compressor for Pure Electric Vehicles

TIANShaopeng,LIGeng,LEILei

Abstract：For the problem of energy consumption for automobile air compressor unloading state, combined with the traditional car air compressor control, this paper presents the control scheme of pure electric car air compressor. It features quiet for pure electric vehicles to design of the corresponding noise reduction device on the air compressor, to extend the life of the air compressor, so pure electric vehicle economy and comfort has been improved.

Key words：pure electric vehicles; air compressor; control scheme