純電動(dòng)城市客車(chē)電動(dòng)空壓機(jī)與儲(chǔ)氣筒容積匹配分析

唐瑜亮， 楊曉云

（廣西汽車(chē)集團(tuán)有限公司， 桂林客車(chē)發(fā)展有限責(zé)任公司， 廣西 桂林 541805）

從國(guó)際汽車(chē)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)是提高汽車(chē)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、保障能源安全和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑，也是我國(guó)從汽車(chē)大國(guó)邁向汽車(chē)強(qiáng)國(guó)的必由之路。

汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能直接關(guān)系到車(chē)輛、人員的安全，是汽車(chē)的重要安全件。電動(dòng)空壓機(jī)及儲(chǔ)氣筒作為制動(dòng)系統(tǒng)的供能及儲(chǔ)能裝置，其匹配的準(zhǔn)確性是決定純電動(dòng)城市客車(chē)制動(dòng)性能的關(guān)鍵要素。

未來(lái)純電動(dòng)城市客車(chē)會(huì)進(jìn)入無(wú)補(bǔ)貼時(shí)代，客戶(hù)選車(chē)補(bǔ)貼引導(dǎo)因素將減弱，根據(jù)真實(shí)需求選擇車(chē)型大小，對(duì)6米純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)型需求會(huì)增加。因此本文以一款6米純電動(dòng)城市客車(chē)為例，對(duì)電動(dòng)空氣壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)電動(dòng)空壓機(jī)） 與制動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)氣筒容積匹配性進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算及分析。

1 氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的基本組成及布置原理圖

1.1 氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的基本組成

氣壓制動(dòng)系統(tǒng)由供能裝置、控制裝置、傳動(dòng)裝置、制動(dòng)器4部分組成。

1） 供能裝置包括產(chǎn)生氣壓能的電動(dòng)空壓機(jī)、積儲(chǔ)氣壓能的儲(chǔ)氣筒、將氣壓限制在安全范圍內(nèi)的調(diào)壓閥及安全閥；改善傳能介質(zhì)（空氣） 狀態(tài)的進(jìn)氣濾清器、排氣濾清器、管道濾清器、油水分離器、空氣干燥器、防凍器等；在一個(gè)回路失效時(shí)用以保護(hù)其余回路，使其中氣壓能不受損失的多回路壓力保護(hù)閥等。

2） 控制裝置包括制動(dòng)踏板、拉桿、雙腔控制閥、快放閥、繼動(dòng)閥等。

3） 傳動(dòng)裝置主要包括各部分管路。

4） 制動(dòng)器包括各車(chē)輪上的鼓式或盤(pán)式制動(dòng)器。

1.2 氣壓制動(dòng)系統(tǒng)布置圖

典型的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。駐車(chē)功能集成于后制動(dòng)器，彈簧儲(chǔ)能，駐車(chē)制動(dòng)閥控制。

2 儲(chǔ)氣筒容積及制動(dòng)次數(shù)的計(jì)算、校核

整車(chē)儲(chǔ)氣筒容積大小應(yīng)適當(dāng)，過(guò)大充氣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，延長(zhǎng)電動(dòng)空壓機(jī)工作時(shí)間，造成電能的浪費(fèi)，導(dǎo)致整車(chē)?yán)m(xù)航里程下降；過(guò)小每次制動(dòng)后儲(chǔ)氣筒中壓力降落太大，因而電動(dòng)空壓機(jī)停止工作時(shí)可能導(dǎo)致的有效制動(dòng)次數(shù)太少。因此儲(chǔ)氣筒的容積與空氣壓縮機(jī)的匹配很重要。

儲(chǔ)氣筒應(yīng)有較大的容積儲(chǔ)備，足夠儲(chǔ)氣筒容積是保證制動(dòng)效能穩(wěn)定性的重要因素之一。儲(chǔ)氣筒容積的計(jì)算包括前儲(chǔ)氣筒、后儲(chǔ)氣筒、手制動(dòng)儲(chǔ)氣筒及輔助儲(chǔ)氣筒。

2.1 制動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求

根據(jù)文獻(xiàn)［1］的相關(guān)要求：儲(chǔ)氣筒的容量應(yīng)保證在額定工作氣壓且不繼續(xù)充氣的情況下，機(jī)動(dòng)車(chē)在連續(xù)5次踩到底的全行程制動(dòng)后，氣壓不低于起步氣壓。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］的相關(guān)要求：機(jī)動(dòng)車(chē)輛的儲(chǔ)能裝置 （儲(chǔ)氣筒） 應(yīng)確保對(duì)行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)控制裝置進(jìn)行8次全行程促動(dòng)后，儲(chǔ)能裝置中剩余的壓力不應(yīng)低于規(guī)定的應(yīng)急制動(dòng)性能所需的壓力。

對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)輛，在彈簧壓縮腔的初始?jí)毫Φ扔谧畲笤O(shè)計(jì)壓力的情況下，彈簧制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證至少能夠進(jìn)行3次“制動(dòng)-解除制動(dòng)”操作。

圖1 氣壓制動(dòng)系統(tǒng)布置圖

2.2 儲(chǔ)氣筒容積、壓力參數(shù)

6米純電動(dòng)城市客車(chē)儲(chǔ)氣筒容積、壓力參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 儲(chǔ)氣筒容積、 壓力參數(shù)

制動(dòng)前，儲(chǔ)氣筒、供氣管路與（前、后、駐車(chē)） 促動(dòng)管路、制動(dòng)氣室隔絕。制動(dòng)前氣室壓力腔容積為零。則制動(dòng)前由儲(chǔ)氣筒——供氣管路——促動(dòng)管路——制動(dòng)氣室中空氣的絕對(duì)壓力與容積的乘積之總和為：∑PV=P×（V儲(chǔ)氣筒+∑V供氣管路）；完全制動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)氣筒中的壓縮空氣從供氣管路經(jīng)制動(dòng)閥進(jìn)入所有促動(dòng)管路和各制動(dòng)氣室，（∑PV）′=Pi×（V儲(chǔ)氣筒+∑V供氣管路）+0.6×（V促動(dòng)管路+V氣室），Pi為第i次全制動(dòng)后系統(tǒng)的壓力。

對(duì)于氣壓制動(dòng)的車(chē)輛，為了在電動(dòng)空壓機(jī)停止工作的時(shí)間內(nèi)仍能保證制動(dòng)系統(tǒng)及其它氣動(dòng)裝置正常工作，通常按制動(dòng)壓力為0.6～0.65MPa 來(lái)計(jì)算、校核制動(dòng)效能，因此取0.6MPa來(lái)計(jì)算制動(dòng)次數(shù)計(jì)算。

假設(shè)制動(dòng)系統(tǒng)氣體的溫度與外界溫度基本相同，系統(tǒng)中空氣的膨脹過(guò)程為等溫過(guò)程，則：∑PV=（∑PV）′，可以根據(jù)以上公式計(jì)算制動(dòng)系統(tǒng)的壓力及其壓力變化值，來(lái)確定各制動(dòng)次數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 制動(dòng)次數(shù)

2.3 輔助儲(chǔ)氣筒容積

輔助儲(chǔ)氣筒容積需要考慮門(mén)窗啟閉機(jī)構(gòu)、氣喇叭等用氣。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為提高電動(dòng)空壓機(jī)利用效率達(dá)到節(jié)能的目的，所以乘客門(mén)開(kāi)關(guān)6次時(shí)，剛好達(dá)到空壓機(jī)啟動(dòng)壓力。本車(chē)輔助儲(chǔ)氣筒容積為8L。

根據(jù)以上計(jì)算本車(chē)儲(chǔ)氣系統(tǒng)總?cè)莘e約60L。由以上計(jì)算可知，前儲(chǔ)氣筒、后儲(chǔ)筒和駐車(chē)儲(chǔ)氣筒容積的選擇都符合國(guó)標(biāo)要求。

3 電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電動(dòng)空壓機(jī)選型分析

當(dāng)今電動(dòng)客車(chē)飛速發(fā)展，對(duì)電動(dòng)空壓機(jī)提出了新的要求：安全、可靠、低成本、低噪聲、高效率、低能耗，后期維護(hù)簡(jiǎn)單方便。

當(dāng)前電動(dòng)空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有三相異步、永磁同步、直流無(wú)刷等常用類(lèi)型。永磁電動(dòng)機(jī)具有較高的功率、質(zhì)量比，體積更小，質(zhì)量更輕，比其他類(lèi)型電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩更大，電動(dòng)機(jī)的極限轉(zhuǎn)速和制動(dòng)性能也比較優(yōu)異，因此永磁同步電機(jī)受到更多用戶(hù)的青睞。

目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)空壓機(jī)的氣泵類(lèi)型，市場(chǎng)有4種主要產(chǎn)品：活塞式、滑片式、渦旋式、螺桿式，其工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析見(jiàn)表3。

綜合考慮：本車(chē)選用永磁同步電機(jī)、無(wú)油活塞式電動(dòng)空壓機(jī)。

3.2 電動(dòng)空壓機(jī)流量參數(shù)

容積流量又被稱(chēng)為排氣量、出氣率或銘牌流量。

空壓機(jī)的排氣壓力和流量要求必須與整車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)要求相一致，應(yīng)根據(jù)一次制動(dòng)的氣量、一次全制動(dòng)儲(chǔ)氣罐壓力降、使用頻率來(lái)確定空壓機(jī)的排量。同時(shí)考慮氣動(dòng)乘客門(mén)、氣喇叭等用氣量。

空壓機(jī)排氣壓力的設(shè)計(jì)要求：為了保證在空壓機(jī)停止工作的時(shí)間內(nèi)仍能確保制動(dòng)氣室、駐車(chē)制動(dòng)以及其它氣動(dòng)裝置正常工作，在計(jì)算時(shí)取工作氣壓為0.6MPa。本文車(chē)型采用的儲(chǔ)氣筒額定工作氣壓為1.0MPa，考慮到氣管路壓力損失，對(duì)應(yīng)的空壓機(jī)工作的壓力為1.0MPa。

空壓機(jī)的出氣率可用下式計(jì)算：

式中：D——空壓機(jī)的氣缸直徑，m；s——空壓機(jī)的活塞行程，m；n——空壓機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)速，r/min；i——空壓機(jī)的氣缸數(shù)；ηv——容積效率，計(jì)算時(shí)可取0.5～0.7，是考慮到活塞至上止點(diǎn)時(shí)活塞頂與氣缸之間的自由容積，以及空氣在流入氣缸過(guò)程中受熱等因素引起的出氣量的損失。

表3 電動(dòng)空壓機(jī)類(lèi)型對(duì)比分析

一般在設(shè)計(jì)時(shí)取s/D=0.5～0.75［3］。

6米純電動(dòng)城市客車(chē)電動(dòng)空壓機(jī)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 電動(dòng)空壓機(jī)參數(shù)

空壓機(jī)所需驅(qū)動(dòng)功率可用下式計(jì)算：

式中：p1——進(jìn)氣壓力，Pa；p2——壓縮終了的壓力，Pa；η——空壓機(jī)的機(jī)械效率，約為0.4～0.7；Vk——空壓機(jī)的出氣率，L/min。

電動(dòng)空壓機(jī)所需驅(qū)動(dòng)功率參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 電動(dòng)空壓機(jī)所需驅(qū)動(dòng)功率

3.3 電動(dòng)空壓機(jī)電機(jī)參數(shù)

電機(jī)的主要作用是驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)泵頭運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)空壓機(jī)性能計(jì)算的技術(shù)參數(shù)，匹配電機(jī)時(shí)主要考慮電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)。

3.3.1 電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速匹配電機(jī)功率可用下式計(jì)算：

式中：N——空壓機(jī)所需驅(qū)動(dòng)功率，kW；k——修正系數(shù)，為0.8～0.9，計(jì)算時(shí)取0.85；Pm——電機(jī)額定功率，kW。計(jì)算Pm=1.56，電機(jī)額定功率修正后取1.6kW。

根據(jù)空壓機(jī)性能計(jì)算參數(shù)，空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率為1.33kW，根據(jù)電機(jī)功率等級(jí)選擇1.6kW，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定轉(zhuǎn)矩10.2Nm。

3.3.2 電機(jī)電壓平臺(tái)匹配

電機(jī)的額定電壓需適配儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓平臺(tái)，一般有220V和380V兩種規(guī)格。本文案例電池電壓平臺(tái)超過(guò)300V，故選用電機(jī)額定電壓為AC 220V。同時(shí)根據(jù)《電動(dòng)客車(chē)安全技術(shù)條件》，還需考慮電機(jī)的IP防護(hù)等級(jí)、絕緣等級(jí)等。本文最終選擇防護(hù)等級(jí)為IP67，絕緣等級(jí)為H級(jí)。

3.4 電動(dòng)空壓機(jī)性能參數(shù)

本文車(chē)型采用的永磁同步電機(jī)、無(wú)油活塞式電動(dòng)空氣壓縮機(jī)參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 電動(dòng)空壓機(jī)參數(shù)

3.5 充氣時(shí)間分析

空壓機(jī)排氣量的設(shè)計(jì)，根據(jù)文獻(xiàn)［1］的相關(guān)要求：對(duì)氣制動(dòng)系統(tǒng)，按規(guī)定的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，最不利的儲(chǔ)能裝置的升壓時(shí)間應(yīng)不大于表7中規(guī)定的時(shí)間；當(dāng)車(chē)輛裝有一個(gè)或一個(gè)以上輔助設(shè)備用的儲(chǔ)能裝置，且其總?cè)莘e超過(guò)制動(dòng)儲(chǔ)能裝置總?cè)莘e的20%，則應(yīng)進(jìn)行附加試驗(yàn)，最不利的制動(dòng)儲(chǔ)能裝置的升壓時(shí)間應(yīng)不得大于表7規(guī)定的時(shí)間。

表7 充氣時(shí)間

充氣時(shí)間可用下式計(jì)算：

式中：V總——整車(chē)儲(chǔ)氣系統(tǒng)總?cè)莘e，L；ΔP——空壓機(jī)的啟停工作差，MPa；Vk——空壓機(jī)排氣量L/min。

根據(jù)以上計(jì)算可得，本電動(dòng)空壓機(jī)打氣時(shí)間見(jiàn)表8，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表8 空壓機(jī)泵氣時(shí)間

4 電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)裝車(chē)驗(yàn)證

通過(guò)上述對(duì)電動(dòng)空壓機(jī)與儲(chǔ)氣筒容積初步設(shè)計(jì)計(jì)算，理論上滿(mǎn)足技術(shù)要求，同時(shí)需要對(duì)電動(dòng)空壓機(jī)電機(jī)功率、噪聲、充氣時(shí)間以及制動(dòng)次數(shù)等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，來(lái)證明設(shè)計(jì)的合理性。及時(shí)進(jìn)行修正和優(yōu)化，使得性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

4.1 電機(jī)功率

在進(jìn)行電動(dòng)空壓機(jī)電機(jī)功率測(cè)試時(shí)，可將車(chē)上其它空調(diào)、助力轉(zhuǎn)向油泵等電器不工作，通過(guò)以下計(jì)算來(lái)驗(yàn)證電機(jī)功率是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量，電機(jī)交流側(cè)的電流在4.8～5.2A之間變化，電壓在205～215V上下波動(dòng)，將數(shù)據(jù)代入上式計(jì)算，電機(jī)空壓機(jī)電機(jī)輸入端的平均功率=1.732×210×5.0×0.9/1000=1.64kW。

因此基本滿(mǎn)足電機(jī)功率為1.6kW的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.2 充氣時(shí)間測(cè)試

根據(jù)文獻(xiàn)［2］的相關(guān)要求，進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試。每次測(cè)試前，需要先將車(chē)輛所有儲(chǔ)氣筒內(nèi)壓縮空氣排盡。為避免測(cè)試誤差，不低于3次重復(fù)測(cè)試。檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表9。

4.3 噪聲測(cè)試

根據(jù)文獻(xiàn)［5］的要求，對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)試，因?qū)嶋H測(cè)試環(huán)境無(wú)法滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，一般選擇在空曠、環(huán)境噪聲小于45dB（A）的場(chǎng)地進(jìn)行模擬測(cè)試。

將噪聲儀放置于距離空壓機(jī)1m處測(cè)量。

采集輸出端負(fù)載壓力變化期間的噪聲，重復(fù)測(cè)試不少于8次。

根據(jù)文獻(xiàn)［6］的要求，城市客車(chē)車(chē)內(nèi)駕駛區(qū)噪聲聲壓限值不高于78dB（A）。因此將電動(dòng)空壓機(jī)部件工作噪聲聲壓限值不高于78dB（A），測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表10。

表9 電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)充氣時(shí)間記錄表

表10 電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)

4.4 制動(dòng)次數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)［2］的相關(guān)要求，儲(chǔ)能裝置的初始能量水平應(yīng)符合制造商規(guī)定，并能確保達(dá)到規(guī)定的行車(chē)制動(dòng)性能。試驗(yàn)期間，不應(yīng)給儲(chǔ)能裝置補(bǔ)充能量，且應(yīng)斷開(kāi)輔助設(shè)備的儲(chǔ)能裝置。機(jī)動(dòng)車(chē)在連續(xù)5次踩到底的全行程制動(dòng)后，氣壓不低于起步氣壓0.55MPa；對(duì)行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)控制裝置進(jìn)行8次全行程促動(dòng)后，氣壓不低于0.37MPa。彈簧制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行3次“制動(dòng)-解除制動(dòng)”操作氣壓不低于0.37MPa。Pi次全制動(dòng)后前后儲(chǔ)氣筒壓力變化表見(jiàn)表11。

表11 Pi次全制動(dòng)后前后儲(chǔ)氣筒壓力變化表

Pi（i=0-11)為第i 次全制動(dòng)后系統(tǒng)的壓力，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

5 電動(dòng)空壓機(jī)使用要求

5.1 安裝場(chǎng)所要求

1） 機(jī)組安裝要求：須水平安裝，通過(guò)減震墊固定在客車(chē)的底盤(pán)上，并連接牢固，前后左右需留有100mm以上空間，以便維護(hù)及保養(yǎng)。

2） 工作環(huán)境要求：空間通風(fēng)條件良好，安裝在清潔、干燥、通風(fēng)良好的場(chǎng)所，溫度不要大于40℃，同時(shí)還應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)器的工作環(huán)境周?chē)鷽](méi)有粉塵。

3） 管路安裝要求：考慮管路的尺寸符合空壓機(jī)的排氣量和排氣壓力，排氣管盡量低于排氣口高度，便于冷凝水排出，防止積水結(jié)冰將管路凍住，并且能夠方便更換，建議排氣口接軟管，防止因震動(dòng)導(dǎo)致的硬連接破壞。

5.2 維護(hù)與保養(yǎng)

符合要求的維護(hù)與保養(yǎng)可有效保障空氣壓縮機(jī)正常運(yùn)行和行車(chē)安全。空壓機(jī)的日常保養(yǎng)和定期保養(yǎng)，可參看空壓機(jī)廠的使用說(shuō)明書(shū)。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電動(dòng)空氣壓縮機(jī)與制動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)氣筒性能參數(shù)作為一個(gè)整體進(jìn)行系統(tǒng)分析、研究、計(jì)算，并以方程的形式對(duì)儲(chǔ)氣筒容積、電動(dòng)空壓機(jī)流量及電機(jī)功率、整車(chē)的充氣時(shí)間及制動(dòng)次數(shù)等建立計(jì)算模型，為電動(dòng)汽車(chē)的研究提供必要的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。