電動汽車電動真空泵高原標定研究

張棟江 于陽 焦鵬 辛慶鋒 呂波濤

浙江吉智新能源汽車科技有限公司 浙江省杭州市 310000

1 引言

制動助力系統(tǒng)，按照助力形式劃分，可分為電子助力形式和真空助力形式。兩種助力形式各有優(yōu)劣，相對于電子助力形式，真空助力結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，是目前A 級及以下級別乘用車的主流選擇。

真空助力器的助力效果受助力器內(nèi)腔負壓和外界大氣壓所產(chǎn)生的壓力差影響。在平原地區(qū)，壓力差較大，助力效果好，制動踏板力輕便；在高原地區(qū)，壓力差變小，助力效果變差，制動踏板力變大，踏板發(fā)硬。所以在高原地區(qū)，需要針對海拔對踏板力的影響，對制動助力的壓差值進行標定。

電動汽車使用電動真空泵代替發(fā)動機，從真空助力器中抽取空氣，使真空助力器內(nèi)形成負壓，從而提供制動助力。按照整車制動系統(tǒng)開發(fā)流程，電動汽車在高原標定前，就已完成了真空助力器的選型，即真空助力器中的內(nèi)腔體積已固定，所以電動汽車在高原地區(qū)的制動標定，實際上是對電動真空泵啟動閥值的標定。合適的啟動閥值，既可以保證有充足的助力壓差來滿足高原地區(qū)制動安全要求，同時又不會使電動真空泵的電機因長時間工作而過熱。

2 葉片式電動真空泵結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 葉片式電動真空泵結(jié)構(gòu)

電動真空泵按結(jié)構(gòu)通常分為葉片式、膜片式、活塞式三種，本文以葉片式結(jié)構(gòu)為例，說明電動真空泵工作原理。葉片式電動真空泵結(jié)構(gòu)，見圖1，主要由殼體、電機、泵腔、旋轉(zhuǎn)器、葉片等組成。

圖1 葉片式電動真空泵結(jié)構(gòu)圖

2.2 葉片式電動真空泵工作原理

電機連通電源，使電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機械能。電機帶動旋轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)器中的葉片沿橢圓形泵腔內(nèi)壁轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中兩葉片組成的容積空間變化會壓縮真空系統(tǒng)中的空氣，并將其排出真空系統(tǒng)外，從而形成真空， 見圖2。電動真空泵控制系統(tǒng)集成在VCU 中，控制系統(tǒng)根據(jù)真空傳感器監(jiān)控到的真空助力器的壓強差，并通過設(shè)定好的啟動和停止壓強差閥值，來控制電動真空泵的工作。

圖2 葉片式電動真空泵泵腔結(jié)構(gòu)圖

3 海拔對制動助力的影響分析

3.1 海拔對制動助力影響的原理分析

高原地區(qū)，隨著海拔的升高，大氣壓力會逐漸降低，根據(jù)公式：

相對真空度=測量地大氣壓強-絕對壓強

其中相對真空度，即為整車真空助力器提供助力的壓強差；測量地大氣壓強即為環(huán)境大氣壓強；絕對壓強即為真空助力器內(nèi)腔壓強。

已知電動真空泵是在額定轉(zhuǎn)速下運行，隨著內(nèi)腔壓強逐漸增大，其抽氣壓強最終會和內(nèi)腔內(nèi)壓強達到平衡，如圖3 所示，即達到電動真空泵的抽氣極限，所以可設(shè)定絕對壓強為一恒定值。同時環(huán)境大氣壓強會隨著海拔的升高而降低。所以可得出相對真空度也會隨著海拔的升高而降低。從而得出整車的制動助力能力會隨著海拔的升高而降低，即整車制動性能表現(xiàn)會隨著海拔的升高而降低。

圖3 真空度恢復(fù)曲線圖

3.2 海拔對制動真空度的實車測試分析

圖4為某一車型在不同海拔條件下的真空度恢復(fù)曲線。從圖中可以看出，海拔2760m 對應(yīng)的穩(wěn)定真空度為-50kPa，海拔4086m 對應(yīng)的穩(wěn)定真空度為-54kPa，海拔4760m 對應(yīng)的穩(wěn)定真空度為-62kPa，有此可得出隨著海拔的升高，實車穩(wěn)定后的制動真空度值呈現(xiàn)下降趨勢，此情況與上述理論分析趨勢相同。

圖4 某車型不同海拔下的真空度恢復(fù)曲線圖

同時通過對該車型在不同海拔下的制動踏板力測試結(jié)果（車速100km/h 時，以20mm/s 的速度踩下制動踏板，直至車輛停止），見表1，可以看出，隨著海拔的升高，實車在同一減速度下的真空度呈下降趨勢，制動踏板力值呈現(xiàn)上升趨勢，以0.8g減速度為例，海拔2760m 對應(yīng)的真空度為-55kPa，踏板力為150.9N。海拔4086m 對應(yīng)的真空度為-46kPa，踏板力為180.4N。

4 高原電動真空泵標定方法

4.1 高原電動真空泵的標定必要性分析

從理論分析及實車測試結(jié)果可以看出，在高海拔情況下，整車制動真空度會降低。隨者整車制動真空度的降低，整車制動助力能力同步下降。根據(jù)表1 中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過在高原中的實際主觀評價對比，可以發(fā)現(xiàn)，高原地區(qū)的踏板力在0.7g 及以上減速度時會容易出現(xiàn)發(fā)硬感，從而影響行車安全。此時需要對整車制動真空度的下限值進行標定，使整車制動真空度在小于某閥值點時電動真空泵開始工作，從而提高制動真空度，以提供足夠的制動助力來保證緊急制動下的安全性。

表1 某車型不同海拔下的踏板力及真空度值

同時考慮到在高原穩(wěn)態(tài)真空度下降的情況下，駕駛者又在進行特殊極端工況時，如快速移庫、堵車跟車或長下坡的駕駛工況，因頻繁踩踏制動踏板，導(dǎo)致真空度連續(xù)消耗，從而也會出現(xiàn)制動踏板發(fā)硬，踩不住剎車的情況。此時也需要對整車制動真空度的下限值進行標定，使整車制動真空度在小于某閥值點時電動真空泵開始工作，從而提高制動真空度，以提供足夠的制動助力來保證緊急制動下的安全性。

4.2 高原電動真空泵標定測試工況

中國海拔最高的城市是日喀則，平均海拔在4000m 以上，考慮到電動汽車需要覆蓋國內(nèi)地區(qū)，所有目前國內(nèi)整車高原標定地點基本都選定在青海省格爾木市周邊及從格爾木市到昆侖山口的上山沿線，海拔可覆蓋2700m-4800m 區(qū)間。

如3.1 所述，需要對0.7g 及以上減速度對應(yīng)的踏板力及真空度進行目標設(shè)定，相關(guān)測試方法簡述如下：在不同海拔高度下，車輛加速至110km/h，不開啟任何電器負載，變速器置于空擋，待車速降低至100km/h左右時，以20mm/s 的速率踩下制動踏板，直至車輛停止。在此過程中實時記錄車輛減速度、踏板力、真空度變化情況，并從處理后的數(shù)據(jù)中找出0.7g、0.8g、0.9g（如有）分別對應(yīng)的踏板力和真空度值。對應(yīng)目標主要以對標車型實測結(jié)果和工程師主觀評價感受進行設(shè)定。通過對電動真空泵標定，以標定后的實車測試結(jié)果，來進行對標。

如3.1 所述，需要對特殊極端工況下的踏板力及真空度進行目標設(shè)定，相關(guān)測試方法如下：在不同海拔高度下，車輛加速至110km/h，不開啟任何電器負載、變速器置于空擋，待車速降低至100km/h 左右時，以30mm/s 的速率踩下制動踏板，連續(xù)三次制動，每次踩制動踏板間隔時間為2s 左右。在此過程中實時記錄車輛減速度、踏板力、真空度變化情況，并從處理后的數(shù)據(jù)中找出0.1g-0.5g 減速度對應(yīng)的踏板力和真空度值。對應(yīng)目標主要以對標車型實測結(jié)果和工程師主觀評價感受進行設(shè)定。通過對電動真空泵標定，以標定后的實車測試結(jié)果，來進行對標。

4.3 帶大氣壓力傳感器的標定方法

如電動汽車中有大氣壓力傳感器，則可以在不同的海拔高度下對電動真空泵的啟/停閥值進行一對一標定，以達到最優(yōu)化的制動踏板感體驗，如表2 所示為標定后的某車型在不同大氣壓下的電動真空泵啟/停閥值。

表2 某車型不同大氣壓下的啟/停閥值

標定過程中的關(guān)閉閥值主要受電動真空泵抽氣能力和外界大氣壓力兩個客觀值影響，可標定范圍較小。高大氣壓下的開啟閥值，一般會按照“關(guān)閉閥值-XkPa”進行標定，X 為可調(diào)整值。低大氣壓下的開啟閥值主要受3.2 中提到的整車高原踏板力目標要求影響，通過不同大氣壓下的反復(fù)標定和實車測試，可最終選定不同大氣壓下的合適的開啟閥值。

4.4 不帶大氣壓力傳感器的標定方法

根據(jù)帶大氣壓力傳感器的標定方法，還可以再簡化出不帶大氣壓力傳感器的標定方法，從2.1 中可以發(fā)現(xiàn)關(guān)閉閥值可認為是一個受大氣壓力影響的客觀定值，即真空助力器的真空度，所以在高大氣壓下的標定過程中，可以設(shè)定當(dāng)一定時間真空度不再增加時，電動真空泵停止工作，并以此時的穩(wěn)定真空度為關(guān)閉閥值，同時對應(yīng)的開啟閥值按照“關(guān)閉閥值-Xkpa”的條件進行設(shè)定。在低大氣壓下的標定過程中，關(guān)閉閥值仍可按照高大氣壓下的標定邏輯繼續(xù)設(shè)定，但開啟閥值需要設(shè)定一個絕對數(shù)值的安全閥值，以滿足3.2中提到的整車高原踏板力目標要求，此安全閥值在最高設(shè)定海拔條件下進行標定，即可兼顧所有預(yù)設(shè)的海拔范圍。

考慮到電動真空泵工作邏輯需要同時滿足高大氣壓和低大氣壓下的啟/停條件，所以開啟閥值需要進行一個邏輯設(shè)定：當(dāng)“關(guān)閉閥值-Xkpa”≥安全閥值時，開啟閥值=關(guān)閉閥值-Xkpa；當(dāng)“關(guān)閉閥值-Xkpa”小于安全閥值時，開啟閥值=安全閥值。

5 結(jié)語

電動真空泵作為以真空為制動助力的電動汽車的唯一真空源，文中以葉片式電動真空泵為例，詳細說明了其結(jié)構(gòu)及工作原理，從而引出海拔對制動真空助力的理論及實測影響結(jié)果。同時結(jié)合實際工作經(jīng)驗，詳述了高原電動真空泵標定的必要性。同時引出主要的兩種測試工況。并基于不同的標定條件，提出了兩種高原電動真空泵的標定方法和控制邏輯。