純電動汽車電動空壓機系統(tǒng)匹配設(shè)計

周威力，冷彪，鄒偉，劉森磊

（一汽解放商用車開發(fā)院，吉林 長春 130011）

前言

近年來，新能源汽車在國家政策的引導(dǎo)下蓬勃發(fā)展。目前大多數(shù)的電動商用車，如純電動客車、純電動物流車、純電動洗掃車等都采用氣壓制動系統(tǒng)及氣動門控系統(tǒng)。電動空氣壓縮機系統(tǒng)（簡稱電動空壓機系統(tǒng)）為整車氣壓制動系統(tǒng)及其他輔助用氣系統(tǒng)提供氣源，是電動商用車必不可少的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。電動空壓機系統(tǒng)的匹配設(shè)計，將直接關(guān)系到整車的安全性、舒適性、成本和能耗。因此，在設(shè)計時需根據(jù)整車需求匹配合適的電動空壓機，并采取合理的控制策略。

1 匹配設(shè)計內(nèi)容

電動空壓機系統(tǒng)包括電動空壓機、電機控制器以及空氣處理單元、傳輸管路、高低壓線路等。其中電動空壓機又由電機和空壓機組成。本文以某純電動物流車為例，介紹電動空壓機系統(tǒng)的匹配設(shè)計。

1.1 電動空壓機系統(tǒng)匹配設(shè)計目標(biāo)

電動空壓機系統(tǒng)匹配設(shè)計目標(biāo)包括性能、舒適性和耐久性。

其中性能目標(biāo)包括排氣壓力和容積流量。根據(jù)整車制動系統(tǒng)及國標(biāo)GB 7258的要求，選擇排氣壓力為0.95MPa。根據(jù)GB 12676-2014中對整車制動系統(tǒng)充氣時間的要求以及貯氣筒總?cè)莘e，計算可得容積流量應(yīng)不小于150L/min。

舒適性目標(biāo)主要是指電動空壓機的噪聲。由于電動汽車目前沒有噪音限制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可參考，對標(biāo)市場上噪音比較小的電動空壓機，如滑片式及螺桿式電動空壓機，確定電動空壓機按GB/T 4980要求的方法測試，噪聲應(yīng)不大于72dB。

耐久性目標(biāo)為按QC/T 29078 的要求進(jìn)行500小時耐久性試驗后，容積效率及容積流量下降值不大于 6%，隨氣排油量不大于0.08g/m3。

1.2 空壓機選型

根據(jù)空壓機泵頭型式的不同，電動空壓機可分為滑片式、螺桿式、渦旋式、往復(fù)活塞式、搖擺活塞式等類型。不同型式的電動空壓機優(yōu)勢各不相同，綜合考慮其性能、舒適性、可靠性、成本等，該純電動物流車選用活塞式電動空壓機，其具備排氣壓力高、成熟可靠、成本低等優(yōu)點，但也存在噪聲較大的情況。

1.3 總體設(shè)計

根據(jù)傳統(tǒng)汽車與電動汽車空壓機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異，電動空壓機系統(tǒng)初步總體設(shè)計原理圖如圖1所示。傳統(tǒng)汽車上，空壓機由發(fā)動機驅(qū)動。電動汽車上，空壓機由一部小型電機驅(qū)動。動力電池為電機提供能量，電機控制器驅(qū)動電機按照控制策略的規(guī)劃進(jìn)行運轉(zhuǎn)。

圖1 總體設(shè)計原理圖

1.4 電動空壓機系統(tǒng)性能設(shè)計

1.4.1 空壓機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)通用化原則，采用與現(xiàn)有傳統(tǒng)汽車用活塞式空壓機相同的缸徑及行程，即65×38(mm)。根據(jù)活塞式空壓機的結(jié)構(gòu)特性，為了獲得較好的動力平衡性能，空壓機列數(shù)以等于或多于兩列為宜[1]，本文案例采用直列雙缸結(jié)構(gòu)型式。

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，當(dāng)活塞運行到上止點時，氣缸內(nèi)的壓縮空氣并不能完全排出，即存在余隙容積，取當(dāng)量余隙行程為3mm。

本文案例空壓機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

表1 空壓機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.4.2 行程容積Vh

1.4.3 余隙容積V0

1.4.4 容積效率λ

式中λv為容積系數(shù)，考慮到余隙容積導(dǎo)致氣缸內(nèi)工作容積未被充分利用，可通過計算獲??；λP為壓力系數(shù)，考慮空氣動力阻力，一般取 0.95-0.98；λT為溫度系數(shù)，一般可取0.90-0.98；λg為氣密系數(shù)，一般可取0.90-0.98；λφ為凝析系數(shù)，一般可取0.96-1.0。

式中α為相對余隙容積，ε為名義壓力比。

其中P2為氣缸的排氣公稱壓力，P1為氣缸的吸氣公稱壓力，m 膨脹過程指數(shù)，取1.4。

1.4.5 確定轉(zhuǎn)速

根據(jù)目標(biāo)容積流量 Vm為150L/min，及上述容積效率，由以下公式：

可得轉(zhuǎn)速n為1151 r/min ，為使電動空壓機性能留有一定余量，取轉(zhuǎn)速為 1200r/min，此時計算容積流量為 156 L/min ，滿足制動系統(tǒng)要求。

1.4.6 驅(qū)動功率

指示功率Ni的計算[2]

h為多變指數(shù)，取1.337。實際吸氣壓力，取0.09MPa，為實際排氣壓力，取0.95MPa。

驅(qū)動功率N計算公式[3]

ηm為空氣壓縮機的機械效率，取0.8。ηc為空氣壓縮機的傳動效率，取0.96。

由此可得空氣壓縮機驅(qū)動功率N為1.303kW。

1.4.7 電機匹配

電機的主要作用是驅(qū)動空壓機泵頭運轉(zhuǎn)，根據(jù)空壓機性能計算的技術(shù)參數(shù)，匹配電機時主要考慮電機的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)。

根據(jù)空壓機性能計算參數(shù)，空壓機的驅(qū)動功率為 1.303 kW，根據(jù)電機功率等級選擇1.5kW，轉(zhuǎn)速為1200r/min，峰值扭矩為40N·m。

電機的額定電壓需適配儲能系統(tǒng)的電壓平臺，一般有220V和380V 兩種規(guī)格。本文案例電池電壓平臺超過500V，故選用電機額定電壓為380V。同時為滿足《電動客車安全技術(shù)條件》[4]，還需考慮電機的IP防護(hù)等級、絕緣等級等。本文最終選擇防護(hù)等級為IP67，絕緣等級為H級。

1.5 電動空壓機系統(tǒng)降噪設(shè)計

純電動汽車運行時比較安靜，但活塞式電動空壓機工作噪聲較大，一般活塞式空壓機工作噪聲可達(dá)到80～85dB，嚴(yán)重影響整車運行時的舒適性，故在匹配時需進(jìn)行降噪設(shè)計。活塞式電動空壓機噪聲主要分為進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲、機械振動噪聲和電機噪聲[5]，其中以進(jìn)氣噪聲和排氣噪聲尤為突出。

1.5.1 進(jìn)氣噪聲

空壓機在工作過程中，由于吸氣閥不停地間歇開閉，空氣也被間歇地吸入氣缸，因此，在進(jìn)氣管內(nèi)形成了壓力脈動氣流，并以聲波的形式從進(jìn)氣口輻射出來，這就是進(jìn)氣噪聲。進(jìn)氣噪聲基頻f=2n/60，n為電機轉(zhuǎn)速，f=40Hz，此外還有2f、3f……等高次諧波[6]，所以進(jìn)氣噪聲呈明顯的低頻特性。

本文案例中通過采用進(jìn)氣消聲器降低進(jìn)氣噪聲。針對進(jìn)氣噪聲的低頻特性，采用抗性擴張式消聲器[7]。

1.5.2 排氣噪聲

當(dāng)壓縮氣體從空壓機排氣閥門間歇地排出時，氣體在排氣口周圍產(chǎn)生振動，從而產(chǎn)生排氣噪聲。

圖2 亥姆霍茲共振腔示意圖

圖3 缸蓋結(jié)構(gòu)示意圖

本文案例通過在缸蓋排氣腔設(shè)置亥姆霍茲共振腔以降低排氣噪聲。如圖2所示亥姆霍茲共振腔是一個內(nèi)部為硬表面的封閉體，連接一條頸狀的狹窄通道，以便聲波通過狹窄通道進(jìn)入封閉體內(nèi)?？最i空氣柱由于共振而激烈運動，消耗聲波能量。亥姆霍茲共振腔可消耗特定頻率范圍內(nèi)的聲波。消耗聲波的頻率 f0由共振腔體積 V、孔頸直徑 d、孔頸長度 l以及聲速c決定。

其中S為小孔截面積。

如圖3所示，在空壓機缸蓋排氣腔內(nèi)設(shè)置共6個亥姆霍茲共振腔。共振腔體積根據(jù)缸蓋空間結(jié)構(gòu)確定。根據(jù)噪聲頻率范圍基本在700～800Hz，計算小孔直徑d為2～3mm。

1.6 電動空壓機總成測試試驗

電動空壓機總成測試為在臺架上進(jìn)行排氣壓力、容積流量、噪聲、耐久性等進(jìn)行測試。電動空壓機系統(tǒng)還需要進(jìn)行實車測試，如通信匹配、控制匹配、整體效率和能耗、振動等。本文主要針對總成測試進(jìn)行介紹。

本文案例中電動空壓機總成排氣壓力及容積流量測試按GB/T 3853 進(jìn)行，噪聲測試按GB/T 4980 進(jìn)行。主要結(jié)果如表2所示，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2

耐久性測試按QC/T 29078要求進(jìn)行500小時后，各性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)成設(shè)計目標(biāo)。

電動空壓機臺架試驗還包括排氣溫度、容積效率、容積比能、密封性、隨氣排油量、潤滑油消耗量、振動烈度、低溫啟動性能等試驗項目，在此不再贅述。

2 電動空壓機系統(tǒng)控制邏輯

電動空壓機系統(tǒng)的控制策略需重點考慮到制動安全及電動空壓機安全，并盡量降低能耗。

傳統(tǒng)汽車空壓機大部分時間處于卸荷狀態(tài)，浪費了大量能量。本文案例通過電動空壓機的啟?？刂七_(dá)到降低能耗的目的。

圖4 電動空壓機系統(tǒng)控制邏輯流程圖

當(dāng)車輛貯氣筒壓力達(dá)到制動系統(tǒng)要求的壓力后，應(yīng)使電動空壓機停止運轉(zhuǎn)以節(jié)省整車電能。當(dāng)貯氣筒壓力低于制動系統(tǒng)規(guī)定的壓力時，應(yīng)使電動空壓機開始運轉(zhuǎn)。同時為延長空氣處理單元的壽命，避免氣路積水，電動空壓機系統(tǒng)的控制策略應(yīng)兼顧空氣處理單元的反吹再生功能。本文案例中，電控空氣處理單元高電平時說明貯氣筒壓力過低，低電平時說明貯氣筒壓力已達(dá)到制動系統(tǒng)要求的壓力，并且空氣處理單元已完成反吹再生功能。

電動空壓機運轉(zhuǎn)時需監(jiān)控其潤滑油壓力。電動空壓機啟動后30秒內(nèi)，如果檢測不到油壓，應(yīng)向整車控制器報故障并停機。油壓信號通過電動空壓機上的油壓傳感器反饋給整車控制器。相關(guān)的邏輯流程如圖4所示。

3 結(jié)束語

隨著電動汽車的推廣和普及，電動空壓機系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛。在實際設(shè)計工作中，應(yīng)根據(jù)不同車型的需求充分考慮電動空壓機系統(tǒng)的可靠性、舒適性、成本和能耗，理論計算和試驗驗證缺一不可。本文以某純電動物流車為例，說明了電動空壓機系統(tǒng)匹配設(shè)計工作的內(nèi)容及方法。

同時，目前汽車行業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的電動空壓機技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各空壓機廠家使用國標(biāo)、機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者傳統(tǒng)空壓機標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計和試驗。導(dǎo)致不同廠家的產(chǎn)品對比標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，造成整車廠試驗資源的浪費。筆者認(rèn)為應(yīng)盡快出臺汽車行業(yè)電動空壓機技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 王宗明.壓縮機.[M]北京∶中國石化出版社,2012∶32.

[3] 王宗明,壓縮機.[M]北京∶中國石化出版社,2012∶34.

[4] 工業(yè)和信息化部.關(guān)于進(jìn)一步做好新能源汽車推廣應(yīng)用安全監(jiān)管工作的通知.http∶//www.miit.gov.cn/n1146295/n1652858/n165293 0/n3757018/c5362809/content.html.

[5] 史和平.城市軌道車輛空氣壓縮機噪聲分析與研究.[J]大連鐵道學(xué)院學(xué)報,1990（12）∶46-50.

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