純電動汽車電動空壓機(jī)控制方案設(shè)計

霍新強(qiáng)

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海200438）

純電動汽車電動空壓機(jī)控制方案設(shè)計

霍新強(qiáng)

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海200438）

電動空壓機(jī)是電動汽車的主要氣源，針對其連續(xù)工作壽命短、在卸荷狀態(tài)下能量消耗大的問題，本文提出了純電動汽車電動空壓機(jī)的控制方案，延長了電動空壓機(jī)的使用壽命，降低了純電動汽車的電耗。

純電動汽車；電動空壓機(jī)；控制方案

近年來，電動汽車在國家政策的引導(dǎo)下如雨后春筍般蓬勃發(fā)展。大部分電動商用車，如電動大中型客車、物流車等通常采用氣制動系統(tǒng)、空氣懸架系統(tǒng)和氣動門泵，這些都需要氣源。電動空壓機(jī)是這些電動車輛的主要氣源，目前電動汽車用的電動空壓機(jī)種類比較多，使用壽命是電動空壓機(jī)的一個重要指標(biāo)，節(jié)能也是電動空壓機(jī)選型要考慮的因素。

1 設(shè)計思路

傳統(tǒng)商用車一般使用活塞式空壓機(jī)，安裝在發(fā)動機(jī)上，由發(fā)動機(jī)驅(qū)動，采用壓力調(diào)節(jié)閥控制壓力，當(dāng)儲氣筒中氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值時，打開壓力調(diào)節(jié)閥放氣；當(dāng)壓力低于預(yù)設(shè)的下限值時，關(guān)閉壓力調(diào)節(jié)閥。壓力調(diào)節(jié)閥開關(guān)動作比較頻繁，但空壓機(jī)隨發(fā)動機(jī)連續(xù)運轉(zhuǎn)。一般使用2～3年需要更換活塞環(huán)（大修），以便延長空壓機(jī)壽命。而電動汽車上所用的電動空壓機(jī)如果像傳統(tǒng)空壓機(jī)那樣連續(xù)運轉(zhuǎn)不停機(jī)，不但電動空壓機(jī)壽命短，而且發(fā)熱多、耗能大，發(fā)出的熱量還影響其他部件的工作。所以對電動空壓機(jī)進(jìn)行起?？刂坪苡斜匾?，只要能使儲氣筒中的氣壓保持在一定的范圍內(nèi)，即可滿足車輛的用氣要求。

一般儲氣筒的氣壓下限應(yīng)高于車橋制動氣室抱死壓力0.1 MPa以上，上限應(yīng)不低于GB 7258-2012[1]的要求，而且電動空壓機(jī)運轉(zhuǎn)壓縮空氣的實際時間約為整個行車時間的1/3或1/4[2]。

針對目前電動汽車使用的電動空壓機(jī)，為提高其使用壽命和節(jié)能，筆者提出一個關(guān)于電動汽車的電動空壓機(jī)控制方案，控制原理如圖1所示。

電動空壓機(jī)的控制主要是按照儲氣筒中的氣壓P對電動空壓機(jī)進(jìn)行起停控制，保證儲氣筒中的氣壓P在設(shè)置的上下限值之間；但電動空壓機(jī)的正常運轉(zhuǎn)，還必須保證其潤滑等輔助系統(tǒng)能夠可靠地工作。有些電動空壓機(jī)，比如活塞式、滑片式、螺桿式等，使用機(jī)油潤滑，電動空壓機(jī)自帶機(jī)油潤滑系統(tǒng)，這些統(tǒng)稱有油電動空壓機(jī)；為了保證潤滑，預(yù)防機(jī)油乳化，需要對機(jī)油的油壓、油溫[3]等進(jìn)行檢測、控制，這些需要監(jiān)測的油壓、油溫等輔助性信號，統(tǒng)稱為電動空壓機(jī)的輔助信號。還有一些電動空壓機(jī)，不使用機(jī)油潤滑，比如渦旋式電動空壓機(jī)、活塞式無油電動空壓機(jī)等，統(tǒng)稱無油電動空壓機(jī)[4]。所以電動空壓機(jī)的控制包括輔助信號的控制和氣壓的控制。

如圖1所示，電動空壓機(jī)起動前，首先監(jiān)測其油溫、油壓等輔助信號，如果輔助信號不滿足要求，比如起動運轉(zhuǎn)前，油泵沒有轉(zhuǎn)動，無法建立油壓，油溫也可能較低。在這種情況下可先起動運轉(zhuǎn)，并開始計時t，如果在設(shè)定的時限t0內(nèi)，輔助信號達(dá)到要求則將計時t清零，開始監(jiān)控儲氣筒氣壓P；如果達(dá)到設(shè)定的時限t0，輔助信號仍無法達(dá)到要求，則將計時t清零，停機(jī)報警。有些電動空壓機(jī)，如無油電動空壓機(jī)，沒有以上輔助信號，則略去以上輔助信號的控制，直接監(jiān)測儲氣筒氣壓P進(jìn)入氣壓控制循環(huán)。

如圖1所示，控制系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測儲氣筒中的氣壓P，當(dāng)儲氣筒中氣壓達(dá)到設(shè)定的上限值時，電動空壓機(jī)停止運轉(zhuǎn)，不再壓縮空氣。隨著制動系統(tǒng)、空氣懸架系統(tǒng)、門泵等氣壓裝置的使用，儲氣筒中的壓縮空氣不斷被消耗，氣壓下降，當(dāng)氣壓達(dá)到設(shè)定的下限值時，電動空壓機(jī)起動運轉(zhuǎn)，繼續(xù)向儲氣筒中充氣。電動空壓機(jī)的起停可以通過控制系統(tǒng)發(fā)出起停信號，電動空壓機(jī)的電源（逆變器）根據(jù)這個起停信號，通過接通或切斷電源來實現(xiàn)起停功能[5]。

2 設(shè)計方案

對于上述設(shè)計思路，參照工作實踐，設(shè)計了4種電動汽車電動空壓機(jī)的控制方案。這些方案均可以實現(xiàn)電動空壓機(jī)的起?？刂?，以減少電動空壓機(jī)對電量的消耗，延長了電動空壓機(jī)的使用壽命，同時降低了成本。

空氣經(jīng)過壓縮后，水氣會凝結(jié)成液態(tài)水，這些水一旦遇冷結(jié)冰，氣管路將無法正常工作。每次電動空壓機(jī)停機(jī)后，干燥器必須立即排氣排水，保證盡量少的水進(jìn)入儲氣筒[6-10]。

為了保證電動空壓機(jī)順利起動運行，每次停機(jī)后，必須排出電動空壓機(jī)到干燥器之間管路中的高壓氣體，以防電動空壓機(jī)下次帶載起動，驅(qū)動電機(jī)過載。

所以，電動空壓機(jī)的控制器系統(tǒng)除了輔助信號和氣壓信號P的控制外，還要考慮電動空壓機(jī)停機(jī)后干燥器的排氣、排水控制和電動空壓機(jī)到干燥器之間管路的排氣控制。

2.1 控制方案一

對于有輔助信號需要控制的電動空壓機(jī)，可以采用電控干燥器和ECU來控制，如圖2所示。

電控干燥器除了具有一般干燥器的功能外，還帶有壓力傳感器，可以輸出氣壓信號，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的下限值時輸出高電平（24 V）；氣壓上升，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值時轉(zhuǎn)換成低電平（0 V）。氣壓信號由高電平轉(zhuǎn)換成低電平時，電控干燥器自動控制反吹一次，從排氣口3排氣、排水一次；在反吹排氣、排水的同時，將電動空壓機(jī)到干燥器的管路中的高壓空氣排出，防止帶載起動。

如圖2所示，空氣從電動空壓機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)入電動空壓機(jī)壓縮后，經(jīng)管路從電控干燥器的進(jìn)氣口1進(jìn)入干燥器，干燥后從出氣口21排出經(jīng)管路進(jìn)入儲氣筒。

輔助信號從電動空壓機(jī)上采集，為開關(guān)信號，輸入ECU，滿足要求時為高電平，不滿足要求時為低電平；氣壓信號由電控干燥器發(fā)出，也為開關(guān)信號，輸入ECU，氣壓低于設(shè)置的下限時為高電平；當(dāng)氣壓升到設(shè)置的上限時，轉(zhuǎn)為低電平；當(dāng)氣壓降到設(shè)置的下限時，再轉(zhuǎn)為高電平。

ECU按照圖1控制原理所示的流程進(jìn)行控制，輸出起停信號。在剛起動時，輸入ECU的輔助信號可能不滿足要求，為低電平，如果氣壓信號為高電平，則電動空壓機(jī)起動運轉(zhuǎn)；如果在設(shè)定的時限t0內(nèi)，輔助信號滿足要求，則按照流程，繼續(xù)監(jiān)測氣壓；反之如果在設(shè)定的時限t0內(nèi)，輔助信號不能滿足要求則停機(jī)報警；如果輔助信號為滿足要求的高電平，氣壓信號也為高電平，則ECU輸出起停信號為高電平，逆變器輸出高壓電到電動空壓機(jī)的驅(qū)動電機(jī)，電動空壓機(jī)起動運轉(zhuǎn)；如果輔助信號為高電平，氣壓信號為低電平，則ECU輸出起停信號為低電平，逆變器停止輸出高壓電到電動空壓機(jī)的驅(qū)動電機(jī)，電動空壓機(jī)停止運轉(zhuǎn)。

2.2 控制方案二

對于沒有輔助信號需要控制的電動空壓機(jī)，也可以取消ECU，只采用電控干燥器直接控制[11]。

電動空壓機(jī)的起?；就刂品桨敢?，與方案一不同的是，該方案只有電控干燥器采集氣壓信號，該氣壓信號就是起?？刂菩盘?。當(dāng)電控干燥器監(jiān)測到儲氣筒和氣管路中的氣壓低于預(yù)設(shè)的下限值時，電控干燥器輸出的氣壓信號為高電平，即起停信號為高電平；當(dāng)電控干燥器監(jiān)測到儲氣筒和氣管路中的氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值時，電控干燥器輸出的氣壓信號轉(zhuǎn)為低電平，即起停信號為低電平。

干燥器的反吹排氣、排水和電動空壓機(jī)到干燥器的管路中的高壓空氣的卸壓同控制方案一，由電控干燥器自動實現(xiàn)。

2.3 控制方案三

對于有輔助信號需要控制的電動空壓機(jī)，如果整車使用普通干燥器，也可以采用壓力開關(guān)和ECU來控制，但需要增加干燥器排氣排水的控制系統(tǒng)，如圖3所示。

壓力開關(guān)負(fù)責(zé)采集壓力信號，壓力開關(guān)的①為低壓電源輸入端，壓力開關(guān)輸出端根據(jù)輸入的氣壓大小在②和③之間切換，當(dāng)輸入的氣壓低于預(yù)設(shè)的下限值時切換到輸出端③，高電平信號進(jìn)入ECU；當(dāng)輸入的氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值時切換到輸出端②，驅(qū)動二位三通電磁閥切換。

如圖3所示，空氣從電動空壓機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)入電動空壓機(jī)壓縮后，經(jīng)管路從干燥器的進(jìn)氣口1進(jìn)入干燥器，干燥后從出氣口21和22排出經(jīng)管路分別進(jìn)入儲氣筒和再生筒（一般5 L左右）。從儲氣筒上接出一路壓縮空氣，經(jīng)過三通分別進(jìn)入壓力開關(guān)和二位三通電磁閥，進(jìn)入壓力開關(guān)的壓縮空氣用于監(jiān)測儲氣筒壓力，產(chǎn)生氣壓信號；進(jìn)入二位三通電磁閥的壓縮空氣由該電磁閥控制經(jīng)過管路從干燥器的控制口4進(jìn)入干燥器。

輔助信號從電動空壓機(jī)上采集，為開關(guān)信號，輸入ECU，滿足要求時為高電平，不滿足要求時為低電平；氣壓信號由壓力開關(guān)采集，也為開關(guān)信號，氣壓低于設(shè)置的下限時，壓力開關(guān)輸出端切換到③，輸入ECU的信號為高電平；當(dāng)氣壓達(dá)到設(shè)置的上限時，壓力開關(guān)輸出端切換到②，輸出端③輸入ECU的信號轉(zhuǎn)為低電平。

ECU按照圖1控制原理所示的流程進(jìn)行控制，輸出起停信號，控制策略同控制方案一。

干燥器的反吹排氣、排水和電動空壓機(jī)到干燥器的管路中的高壓空氣卸壓由壓力開關(guān)、二位三通電磁閥和再生筒等零部件配合完成。當(dāng)儲氣筒氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值時，壓力開關(guān)輸出端切換到②，驅(qū)動二位三通電磁閥切換到圖示左側(cè)位置（通電前處于右側(cè)位置，儲氣筒來的管路處于關(guān)閉狀態(tài)，干燥器控制口4與大氣接通），與儲氣筒連接的管路中的壓縮空氣進(jìn)入干燥器的控制口4，干燥器接到控制信號，打開22口，再生筒中壓縮空氣從22口進(jìn)入干燥器，反吹一次，從排氣口3排氣、排水一次；在反吹排氣、排水的同時，將電動空壓機(jī)到干燥器的管路中的高壓空氣排出，防止帶載起動。

2.4 控制方案四

對于沒有輔助信號需要控制的電動空壓機(jī)，如果整車使用普通干燥器，也可以取消ECU，只采用壓力開關(guān)直接控制。

電動空壓機(jī)的起?；就刂品桨溉?，與方案三不同的是，該方案只有壓力開關(guān)采集氣壓信號，該氣壓信號就是起?？刂菩盘?。當(dāng)輸入壓力開關(guān)的氣壓低于預(yù)設(shè)的下限值時，輸出端③輸出高電平，即起停信號為高電平；當(dāng)輸入的氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值時，輸出端③輸出轉(zhuǎn)為低電平，即起停信號為低電平，這時輸出端②為高電平，驅(qū)動二位三通電磁閥切換。

干燥器的反吹排氣、排水和電動空壓機(jī)到干燥器管路中的高壓空氣卸壓控制，與控制方案三相同。

3 結(jié)束語

本文提出的4種電動空壓機(jī)的控制方案均經(jīng)過實踐驗證，可以滿足不同的電動空壓機(jī)的控制。試驗表明，電動汽車用電動空壓機(jī)如果不使用起?？刂?，壽命大約為2～3年；而使用了起?？刂?，由于電動空壓機(jī)的工作時間減小為原來的1/3或1/4，壽命可以增加至與整車一樣的8年；電機(jī)空壓機(jī)消耗的能量相應(yīng)地減少為原來的1/3或1/4。一般商用車空壓機(jī)運轉(zhuǎn)消耗的功率占發(fā)動機(jī)總功率的2%左右，其中很大一部分能量轉(zhuǎn)化成熱量損失掉了[2]；電動汽車如果使用帶起?？刂频碾妱涌諌簷C(jī)，可以節(jié)能66%～75%，從而增加續(xù)駛里程，減輕電動汽車的“里程焦慮癥”。電動空壓機(jī)發(fā)出的熱量同樣減少，如果再采用隔板將電動空壓機(jī)艙與其他艙體分開，阻擋熱量的傳遞，可以有效地減小電動空壓機(jī)對其他部件的影響。

[1]公安部道路交通管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.機(jī)動車運行安全技術(shù)條件：GB7258-2012[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012：5.

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修改稿日期：2016-11-22

Control Scheme Design of Electric Air-compressor for Pure Electric Vehicles

HuoXinqiang
（Commercial Vehicle Technical Center ofSAICMotor Co.,Ltd,Shanghai 200438,China）

The electric air-compressor is the main air source of an electric vehicle,but it has two problems that are short service life under continuous working and high energy consumption under unloading.The author puts forward the control scheme of the electric air-compressor for the pure electric vehicle to extend the service life of the air compressor and reduce the electric prower consumption.

pure electric vehicle;electric air-compressor;control scheme

U469.72；U463.5

B

1006-3331（2017）02-0022-04

霍新強(qiáng)（1976-），男，工程師；主要從事新能源動力系統(tǒng)的集成工作。