不同海拔對電動(dòng)汽車電動(dòng)真空泵的影響

張春城 姜壁剛 韓飛 李春波

摘要：在高原山區(qū)對輕型電動(dòng)車進(jìn)行實(shí)際道路試驗(yàn)，分析海拔對真空度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車在高原山區(qū)容易出現(xiàn)踏板變硬的情況，利用踏板力計(jì)和真空度傳感器收集數(shù)據(jù)并分析問題的原因。結(jié)果表明：4 300 m的真空度比1 900 m下降了42.1%，恢復(fù)時(shí)間比1 900 m少33.4%；在高海拔地區(qū)連續(xù)制動(dòng)更容易出現(xiàn)踏板變硬的情況，在高海拔處緊急制動(dòng)導(dǎo)致踏板明顯變硬。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；電動(dòng)真空泵；高海拔

中圖分類號(hào)：U461.3? 收稿日期：2023-02-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.023

1 前言

2022年全球新能源乘用車市場首次突破1 000萬輛大關(guān)，滲透率（2020年4%、2021年9%）提升至14%。其中，中國新能源汽車銷量649.8萬輛，市占率（2020年40.5%、2021年51%）提升至65%。想要進(jìn)一步推動(dòng)新能源汽車滲透率的提高，需新能源汽車更好地適用于更多的場景。

傳統(tǒng)油車的真空源來自于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管（發(fā)動(dòng)機(jī)的真空）。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，進(jìn)氣歧管會(huì)產(chǎn)生一定的真空度，與外界大氣壓形成的一定的壓差，從而產(chǎn)生制動(dòng)輔助的作用。純電動(dòng)汽車的動(dòng)力源是電動(dòng)機(jī)，制動(dòng)系統(tǒng)的真空助力動(dòng)力來源發(fā)生改變，變?yōu)殡妱?dòng)汽車真空助力泵抽真空。宗立華等[1]對同一車輛分別裝配和拆卸機(jī)械真空泵分別進(jìn)行 NEDC 試驗(yàn)循環(huán)，綜合工況油耗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)機(jī)械真空泵對整車油耗影響約為 1.3%。同時(shí)因?yàn)橛蛙囈恢睅?dòng)真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)，造成較大能耗，而電動(dòng)車則只需要在真空度較低時(shí)工作，比油車更為節(jié)能。

在高原地區(qū)海拔高、氣壓低，導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)真空度嚴(yán)重下降，在山區(qū)行車進(jìn)行連續(xù)制動(dòng)，容易出現(xiàn)離真空度恢復(fù)閾值點(diǎn)制動(dòng)的情況。在高原山區(qū)行車存在兩方面問題：一方面真空度較低導(dǎo)致提供的助力不足，制動(dòng)踏板發(fā)硬，導(dǎo)致駕駛員疲勞；另一方面在連續(xù)制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)制動(dòng)不足，造成事故。因此需要在高原山區(qū)進(jìn)行實(shí)際道路試驗(yàn)，分析海拔對電動(dòng)汽車真空度和制動(dòng)力的影響。車輛在高原山區(qū)行駛時(shí)出現(xiàn)制動(dòng)發(fā)硬和制動(dòng)效能不足的現(xiàn)象，與高原相關(guān)主要有兩種情況，一種海拔因數(shù)造成真空度水平低，另外一種是連續(xù)快速制動(dòng)的工況，導(dǎo)致在真空泵閾值附近制動(dòng)，造成制動(dòng)力嚴(yán)重不足情況。本文針對高原出現(xiàn)的兩種現(xiàn)象，進(jìn)行針對性試驗(yàn)分析。

2 試驗(yàn)設(shè)備和方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)車輛選取某品牌1.7 t的N1類小貨車，試驗(yàn)車輛已經(jīng)磨合且狀態(tài)良好。使用VBOX和陀螺儀分別采集車速和加速度，利用踏板力計(jì)、壓力傳感器采集制動(dòng)踏板力和真空度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要參數(shù)如表1所示。

2.2 試驗(yàn)方法

分別在海拔1 900 m的昆明中汽研、海拔3 300 m的香格里拉和海拔4 300 m的白馬雪山隘口，進(jìn)行高原整車制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)，分析海拔對車輛制動(dòng)系統(tǒng)真空度和對整車制動(dòng)性能的影響。首先分析靜態(tài)條件下不同海拔對真空度恢復(fù)的影響；其次分析移庫時(shí)連續(xù)制動(dòng)對真空度的影響；最后分析緊急制動(dòng)工況，海拔對助力器真空度和踏板力的影響。同時(shí)分析車輛在高原地區(qū)出現(xiàn)的踏板變硬情況，并提出相關(guān)建議。

3 海拔對真空度的影響

QC/T 307-1999中對助力器性能檢測時(shí)的真空度要求為-66.7 kPa，在平原地區(qū)車輛真空助力器的真空度一般要求在-80～60 kPa，而在高原地區(qū)受到環(huán)境海拔氣壓的影響，助力器真空度一般為-50 kPa左右。通常將-20 kPa真空度作為閾值[2]。

3.1 靜態(tài)試驗(yàn)

圖1為不同海拔對真空度恢復(fù)圖。從圖1可以看出，海拔1 900 m、3 300 m和4 300 m處真空度分別達(dá)到-51.5 kPa、-39.3 kPa和-29.8 kPa，3 300 m和4 300 m的真空度比1 900 m分別下降了23.7%和42.1%。從真空度恢復(fù)速率來看，在海拔1 900 m處恢復(fù)速率最快，4 300 m處次之，3 300 m時(shí)恢復(fù)最慢；在4 300 m處大氣壓僅為60.8 kPa，真空度下降較多，導(dǎo)致僅用7 s就恢復(fù)到峰值，恢復(fù)時(shí)間比1 900 m少33.4%。張曉明等[3]研究表明：在海拔2 800 m時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)真空泵抽氣效率表現(xiàn)良好；在海拔高度4 100 m和4 700 m時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)真空泵抽氣效率表現(xiàn)一般。圖1與張曉明研究結(jié)論一致，表明在海拔4 000 m的高原條件下，真空助力性能下降50%左右，達(dá)到最大真空的時(shí)間減少10%以上。

3.2 移庫試驗(yàn)

在高原山區(qū)，海拔較高導(dǎo)致真空度下降。山區(qū)道路彎多坡陡，在彎道需要進(jìn)行減速過彎；在長下坡時(shí)，需要連續(xù)制動(dòng)。山區(qū)道路多為單向雙車道，遇見緊急情況需要全力制動(dòng)。因連續(xù)制動(dòng)，導(dǎo)致真空度連續(xù)消耗，當(dāng)真空度達(dá)到恢復(fù)閾值附近時(shí)，會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)踏板發(fā)硬[4]。北京汽車的王飛等[5]表示通過試驗(yàn)人員長期的實(shí)車測試及主觀評價(jià)，認(rèn)為當(dāng)真空度低于-30 kPa時(shí)，制動(dòng)踏板已明顯發(fā)硬。

圖2是海拔1 900 m移庫試驗(yàn)踏板力與真空度關(guān)系圖。在海拔1 900 m時(shí)空載最大踏板力為113 N，在進(jìn)行前兩次移庫，真空度消耗達(dá)到恢復(fù)閾值附近，此時(shí)踏板力達(dá)到最大。而錯(cuò)開真空度恢復(fù)閾值點(diǎn)附近，此時(shí)踏板力均在70 N附近，助力較為明顯。在滿載時(shí)真空度不是最大的時(shí)候開始進(jìn)行試驗(yàn)，而是開始就進(jìn)行真空度恢復(fù)，而離真空度閾值較遠(yuǎn)，整體上踏板力均較小，助力效果比較好。

圖3是3 300 m移庫試驗(yàn)踏板力與真空度關(guān)系圖，在海拔3 300 m時(shí)最大真空度下降，整體踏板力較小。真空泵在恢復(fù)真空度時(shí)，開始踩制動(dòng)踏板，導(dǎo)致圖中的真空度出現(xiàn)先增加、后減小、最后增加的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)助力效果較好。

圖4是海拔4 300 m移庫試驗(yàn)踏板力與真空度關(guān)系圖，在海拔3 300 m時(shí)最大真空度下降嚴(yán)重，容易使真空度恢復(fù)閾值。在空載和滿載時(shí)，均容易出現(xiàn)真空度邊恢復(fù)邊踩制動(dòng)踏板的情況，導(dǎo)致真空度曲線有較大的波動(dòng)，且真空度水平不高，進(jìn)行連續(xù)制動(dòng)后，但在較長時(shí)間內(nèi)真空度處于中低水平。另一方面最大踏板力均超過了250 N，出現(xiàn)踏板變硬的情況。GB 7258-2017要求商用車行車制動(dòng)在產(chǎn)生最大制動(dòng)效能時(shí)的踏板力或手握力應(yīng)小于或等于700 N，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示，當(dāng)駕駛踏板力達(dá)到220 N時(shí)，駕駛員會(huì)感覺踏板變硬，長時(shí)間行車容易導(dǎo)致駕駛員疲勞和造成事故。

綜合圖2、圖3和圖4分析，隨海拔升高，真空度下降，最大踏板力呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。在海拔1 900 m和3 300 m處連續(xù)制動(dòng)后，容易使真空度處于臨界值附近，在開始制動(dòng)后容易出現(xiàn)踏板變硬的情況，且在高原山區(qū)，長下坡和彎道較多，需要連續(xù)制動(dòng)，但在出現(xiàn)緊急制動(dòng)時(shí)容易導(dǎo)致制動(dòng)不足的情況，從而產(chǎn)生危險(xiǎn)。對于海拔4 300 m處，真空度下降嚴(yán)重，容易出現(xiàn)消耗真空度同時(shí)真空泵在工作的情況，此時(shí)第二次制動(dòng)時(shí)的踏板力已經(jīng)和海拔3 300 m處踏板力相近，第三次則是海拔3 300 m處踏板力的兩倍，此時(shí)容易出現(xiàn)制動(dòng)不足導(dǎo)致發(fā)生事故。對比圖2、圖3和圖4，在相同的真空度下產(chǎn)生的助力也有較大的差異，導(dǎo)致踏板力不一致。王飛等[6]在高原對油車進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在高原地區(qū)存在失去助力的可能，在移庫、長時(shí)間跟車等工況存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。油車由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作，可以持續(xù)地讓真空度保持在較高的水平上，與油車相比電動(dòng)汽車的真空度則不能實(shí)時(shí)地進(jìn)行補(bǔ)充，高海拔對電動(dòng)汽車制動(dòng)有較大影響。

3.3 滿載緊急制動(dòng)

在不同海拔進(jìn)行滿載緊急制動(dòng)試驗(yàn)，以分析海拔對制動(dòng)力的影響。該N1類電動(dòng)汽車最大車速為80 km/h，結(jié)合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和高原實(shí)際道路情況，選擇最大車速的一半（40 km/h）作為制動(dòng)起始車速。圖5是海拔1 900 m滿載緊急制動(dòng)踏板力與真空度的關(guān)系圖。在海拔1 900 m處、0.8 s時(shí)減速度達(dá)到較高水平，然后經(jīng)過1 s達(dá)到最大減速度5.6 m/s2。真空度為-50 kPa時(shí)，真空助力效果較好，真空度下降了9 kPa。在0.9 s時(shí)踏板力達(dá)到峰值水平附近，踏板力最大僅為100 N。

圖6是海拔3 300 m滿載緊急制動(dòng)踏板力與真空度的關(guān)系圖。在海拔3 300 m處，0.8 s時(shí)減速度達(dá)到較高水平，然后再經(jīng)過0.4 s達(dá)到最大減速度5.7 m/s2。真空度在-36 kPa，真空助力效果一般，在0.8 s時(shí)踏板力達(dá)到峰值水平附近，真空度下降了6.5 kPa，踏板力最大達(dá)到240 N，在制動(dòng)過程感覺制動(dòng)踏板有點(diǎn)硬。圖7是海拔4 300 m滿載緊急制動(dòng)踏板力與真空度的關(guān)系圖。在海拔4 300 m時(shí)，1 s時(shí)減速度達(dá)到較高水平，然后再經(jīng)過0.4 s，達(dá)到最大減速度4.3 m/s2。真空度在-29 kPa，真空助力效果較差，在0.8 s時(shí)踏板力達(dá)到峰值水平附近，真空度下降了7.5 kPa，踏板力最大達(dá)到290 N，在制動(dòng)過程感覺制動(dòng)踏板較硬。

張棟江等[4]在對電動(dòng)汽車電動(dòng)真空泵進(jìn)行高原標(biāo)定時(shí)考慮到，高原穩(wěn)態(tài)真空度下降的情況下，駕駛者又在進(jìn)行特殊極端工況時(shí)，因連續(xù)制動(dòng)導(dǎo)致真空度持續(xù)消耗，從而出現(xiàn)制動(dòng)踏板發(fā)硬的情況。需要對整車制動(dòng)真空度的下限值進(jìn)行標(biāo)定，從而提高制動(dòng)真空度，以提供足夠的制動(dòng)助力來保證緊急制動(dòng)下的安全性。結(jié)合滿載緊急制動(dòng)分析，在海拔4 000 m處需要合理提高真空度下限值，避免僅一次緊急制動(dòng)就導(dǎo)致踏板變硬，在連續(xù)制動(dòng)工況下要調(diào)整真空泵恢復(fù)策略。

4 結(jié)語

海拔對電動(dòng)汽車真空度的影響較大，因此在高原山區(qū)對電動(dòng)汽車進(jìn)行實(shí)際道路試驗(yàn)，結(jié)果表明：

a.海拔4 300 m的真空度比海拔1 900 m分別下降了42.1%；恢復(fù)時(shí)間比海拔1 900 m少33.4%。

b.在高海拔地區(qū)連續(xù)制動(dòng)，容易使真空度處在開啟恢復(fù)閾值附近，導(dǎo)致下一次制動(dòng)踏板變硬。

c.在高海拔處真空度下降較多，不能提供較大的助力，制動(dòng)導(dǎo)致踏板力明顯變硬。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張曉明，劉泉，余云龍，等某純電動(dòng)車型配電動(dòng)真空泵高原制動(dòng)試驗(yàn)研究[J]汽車科技，2022（1）：72-75.

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[6]王飛，馬立璞車輛高原地區(qū)制動(dòng)助力不足的試驗(yàn)驗(yàn)證[J]北京汽車，2019（2）：16-20.

作者簡介：

張春城，男，1989年生，工程師，研究方向?yàn)檎嚋y試技術(shù)。