混合動力車壓縮空氣管系統(tǒng)的應(yīng)用

張 靜，張久祥，任鵬舉，李紅玉，龐志艷

混合動力車壓縮空氣管系統(tǒng)的應(yīng)用

張 靜，張久祥，任鵬舉，李紅玉，龐志艷

（北奔重型汽車集團有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

在混合動力車型開發(fā)的過程中，為達到節(jié)能減排的標(biāo)準(zhǔn)，同時完成車輛運行過程中各工況的要求，混合動力車采用兩種動力源。針對采用電力驅(qū)動和燃油驅(qū)動兩種方式的特殊需求，設(shè)計了一種用于混合動力商用車壓縮空氣管系統(tǒng)方案，目的在于采用燃油和純電模式下，供氣系統(tǒng)可以相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)發(fā)動機工作時需要發(fā)動機自帶空壓機給制動系統(tǒng)提供空氣；切換純電模式時采用電控空壓機給制動系統(tǒng)提供空氣。文章詳細闡述了混合動力商用車壓縮空氣管系統(tǒng)主要組成部分、控制原理及在重型商用車上的應(yīng)用。

混合動力車；壓縮空氣管系統(tǒng)；燃油和純電模式；控制原理

目前重型商用車壓縮空氣系統(tǒng)的動力源是傳統(tǒng)燃油發(fā)動機上的空氣壓縮機提供氣源[1]，其控制氣源分配給底盤車輛的各個系統(tǒng)氣路。正是由于這種氣路供氣方法，才能使車輛在行駛過程中用最短時間提供安全制動。但是在全球能源短缺和環(huán)境惡化問題越來越突出的今天[2]，傳統(tǒng)燃油車不能起到節(jié)能減排的作用，尤其對排放要求高的地區(qū)，不滿足油耗限值、排放要求和進入城區(qū)內(nèi)往返40 km的純電動模式。

1 混合動力車壓縮空氣管系統(tǒng)

由于傳統(tǒng)燃油車油耗和排放高，采用混合動力車型既要保證純電續(xù)駛里程，又要保證油耗限值和排放要求?；旌蟿恿囆筒捎萌加秃图冸姴⒙?lián)式[3]，當(dāng)發(fā)動機工作時需要發(fā)動機自帶空壓機給制動系統(tǒng)提供空氣；切換純電模式時，采用電控空壓機給制動系統(tǒng)提供空氣。兩套管路通過雙通單向閥最后進入到電控空氣處理單元，電控空氣處理單元通過四回路保護閥分配給各回路，以實現(xiàn)車輛正常供氣。

相比傳統(tǒng)燃油車的壓縮空氣系統(tǒng)，混合動力車壓縮空氣管系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢[4]：

1）發(fā)動機和電控空壓機是相互獨立的，可以利用動力藕合系統(tǒng)對發(fā)動機和電控空壓機的輸出動力進行驅(qū)動，有利于在市郊和城間運行。

2）兩種動力裝置有機協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)最佳能量分配，達到低能耗、低污染和高度自動化。

3）根據(jù)汽車的不同行駛工況，控制燃油或純電模式。

4）制動能量以電能的形式重新存儲在儲能裝置中，實現(xiàn)了能源的再生，極大提高了車輛的能量利用率。

2 壓縮空氣管系統(tǒng)組成

混合動力車壓縮空氣管系統(tǒng)由發(fā)動機、電控空壓機、雙通單向閥、冷凝器、電控空氣處理單元及制動管路組成[5]。

2.1 發(fā)動機、電控空壓機

發(fā)動機、電控空壓機是車輛提供氣源的主要動力，是氣動系統(tǒng)的核心設(shè)備及氣源裝置中的主體，它是將原動（通常是指電動機）的機械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置。

2.2 雙通單向閥

雙通單向閥相當(dāng)于兩個單向閥組合的閥，有兩個進氣口，一個出氣口，其中兩個進氣口都與出氣口相通，但兩個進氣口不相通。進氣口中的任一個有信號輸入，出氣口都有輸出。若兩個信號都有輸入，則先加入側(cè)或信號壓力高側(cè)的氣信號通過出氣口輸出，另一側(cè)被堵死。僅當(dāng)進氣口都無信號輸入時，出氣口才無信號輸出。

2.3 冷凝器

冷凝器在大部分水、油到達空氣干燥器之前對其進行冷凝、分離和排放。雜質(zhì)沉積在集液腔，通過自動排放閥在每次制動操作時，油水被自動排放。

2.4 電控空氣處理單元

電控干燥器是一種利用電子與機械相結(jié)合的高端空氣處理系統(tǒng)。內(nèi)置氣壓傳感器、電磁閥、電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）控制器，能實時監(jiān)控車輛氣壓，并根據(jù)ECU控制器程序設(shè)定，能在車輛不同氣壓情況下，反饋電信號輸出，此信號可用于電動空壓機的啟停。

3 壓縮空氣管系統(tǒng)原理

混合動力商用車壓縮空氣管系統(tǒng)[6]由發(fā)動機空氣壓縮機、電控空氣壓縮機、排氣口、冷凝器、雙通單向閥、電控空氣處理單元、四回路保護閥及制動管路組成，氣路原理如圖1所示。

1－發(fā)動機空氣壓縮機；2－電控空氣壓縮機；3－排氣口；4－冷凝器；5－雙通單向閥；6－電控空氣處理單元；7－四回路保護閥。

發(fā)動機空氣壓縮機出氣口通過壓縮空氣鋼管連接冷凝器進氣口，冷凝器出氣口通過尼龍管連接到雙通單向閥第二進氣口；電控空氣壓縮機出氣口通過壓縮空氣鋼管連接雙通單向閥第一進氣口，雙通單向閥出氣口通過尼龍管連接電控空氣處理單元進氣口；發(fā)動機空氣壓縮機卸荷口通過尼龍管連接電控空氣處理單元第二出氣口，電控空氣處理單元第一出氣口通過尼龍管連接四回路保護閥進氣口，四回路保護閥四個出氣口相互獨立，通過尼龍管分配給各個回路。

為在車輛上實現(xiàn)燃油和純電并聯(lián)式，將原有供氣管路進行改進，具體方案如下：保留圖1中的氣路連接方式，增加圖示點虛線區(qū)域管路，供氣管路在電控空氣處理單元與冷凝器之間增加電控空氣壓縮機、雙通單向閥，增加在純電模式下采用電控空壓機給制動系統(tǒng)提供空氣。

燃油模式連接方式：發(fā)動機空氣壓縮機工作，雙通單向閥第一進氣口打開，第二進氣口關(guān)閉，氣源由發(fā)動機空氣壓縮機提供，通過進入雙通單向閥出氣口進入電控空氣處理單元進氣口，空氣由電控空氣處理單元出氣口分配給四回路的各回路，以實現(xiàn)車輛的正常供氣。

純電模式連接方式：電控空氣壓縮機工作，雙通單向閥第一進氣口關(guān)閉，第二進氣口打開，氣源由雙通單向閥出氣口進入電控空氣處理單元第一進氣口，空氣由電控空氣處理單元出氣口分配給各回路，以實現(xiàn)車輛的正常供氣。

4 壓縮空氣管系統(tǒng)電器原理

電器控制策略如圖2所示。當(dāng)車輛行駛或者未行駛時（電控空氣壓縮機或者發(fā)動機空氣壓縮機運轉(zhuǎn)），連接在電控空氣處理單元上的壓力傳感器檢測到電控空氣處理單元出氣口的氣壓，并將氣壓轉(zhuǎn)換為電壓信號反饋給ECU控制器，當(dāng)ECU控制器得到壓力傳感器反饋信息后，通過邏輯程序控制電子控制裝置的電磁閥來實現(xiàn)電控空氣處理單元的切斷和回關(guān)。

切斷：氣體壓力達到電控空氣處理單元設(shè)定的切斷壓力，ECU控制器控制排氣電磁閥工作，排氣口排氣。

回關(guān)：當(dāng)出氣口的氣壓低于設(shè)定值時，ECU控制回流電磁閥工作，排氣口關(guān)閉。電控空氣處理單元輸出信號將從低電平信號轉(zhuǎn)換為高電平信號。此時，可以控制電控空氣壓縮機或者發(fā)動機空氣壓縮機重新啟動并恢復(fù)提供氣源。

3－排氣口；8－壓力傳感器；9－ECU控制器；10－排氣電磁閥；11－報警燈；12－輸出信號；13－電源負極信號；14－電源正極信號；15－備用端子（空）；16－數(shù)據(jù)接收（廠家備用）；17－數(shù)據(jù)發(fā)送（廠家備用）；18－電磁閥；19－回流電磁閥；20－分子篩。

5 預(yù)防壓縮空氣管路結(jié)冰問題

2021年11月開始北奔服務(wù)站接到某純電動牽引車市場反饋，用戶車輛在北方多地出現(xiàn)空壓機打不上氣的情況，客戶反響強烈。

5.1 空壓機打不上氣影響因素分析

空壓機打不上氣影響因素如圖3所示，造成空壓機打不上氣的主要因素有干擾因素、變差因數(shù)及設(shè)計因數(shù)三方面。干擾因素是外部原因引起，難以控制或避免。由于在制動系統(tǒng)道路試驗過程中，未出現(xiàn)空壓機打不上氣的情況，基本可以排除是設(shè)計原因造成的問題。經(jīng)過問題解決小組決策，主要從變差因數(shù)的幾個方面進行逐一驗證、排查，直至找到造成空壓機打不上氣的根源。經(jīng)查冷凝器進出氣口管路結(jié)冰，排氣口不排氣導(dǎo)致空壓機打不上氣。

圖3 空氣機打不上氣影響因素

5.1.1制動管路漏氣

經(jīng)過檢查車輛的制動管路，發(fā)現(xiàn)制動系統(tǒng)各個元件間連接完好，未發(fā)現(xiàn)漏氣點。車輛裝配完成后，用肥皂水檢測氣路各連接位置是否漏氣，各接口處不應(yīng)出現(xiàn)明顯氣泡。車輛氣壓升至系統(tǒng)額定氣壓時，將制動踏板踩到底，待氣壓穩(wěn)定后觀察3 min，汽車氣壓降低值不應(yīng)大于0.1 bar。當(dāng)車輛氣壓升至系統(tǒng)額定氣壓時，在不使用制動的情況下，停止空氣壓縮機6 h后，整車氣壓的降低值不應(yīng)大于0.25 bar。

綜上所做的測試，能夠排除掉因為制動系統(tǒng)漏氣引起的空壓機打不上氣的可能性。

5.1.2空壓機、空氣處理單元故障

檢查空壓機、空氣處理單元如圖4所示，均符合圖紙及技術(shù)規(guī)范的要求，未發(fā)現(xiàn)空壓機、空氣處理單元部件裝配及尺寸等存在質(zhì)量問題。

圖4 空壓機、空氣處理單元檢查

5.1.3冷凝器故障

檢查空氣處理單元是否正常工作，并按照空氣處理單元診斷標(biāo)準(zhǔn)流程進行檢查。如空氣處理單元正常，請拆解冷凝器檢查內(nèi)部是否有污物或雜質(zhì)過多?，F(xiàn)場拆解冷凝器發(fā)現(xiàn)內(nèi)部水汽已經(jīng)結(jié)冰，如圖5所示。冷凝器結(jié)冰是造成空壓機打不上氣的主要原因。

圖5 冷凝器拆解

5.2 冷凝器管路結(jié)冰影響因素分析

5.2.1環(huán)境溫度

北方11月份時，環(huán)境溫度比較低（基本在零度以下），濕度大。冷凝器的主要作用是分離壓縮空氣中的水及油污，壓縮空氣和冷凝物儲存在冷凝器的收集腔，車輛在停車時，特別在夜間（通常低于-10 ℃時）冷凝器中的水直接結(jié)冰，是造成冷凝管路問題的主要原因。

5.2.2壓縮空氣管長度

電動空壓機出氣溫度大約為150 ℃，燃油車的發(fā)動機空壓機出氣口溫度為220 ℃左右，新能源車輛空壓機打出高壓氣的溫度比傳統(tǒng)燃油車的低70 ℃左右。電動車與傳統(tǒng)車采用的通用化底盤設(shè)計，電動空壓機到冷凝器的管路長度與燃油車的管路長度一致，電動車使用同樣管路長度散熱到冷凝器的進氣口溫度更低，車輛短停時，溫度低更利于結(jié)冰。

5.2.3車橋

電動車車橋電機完成了常規(guī)減速，導(dǎo)致輪端制動頻次大幅度降低，高壓氣消耗量大幅度減少，空壓機打氣頻次降低，大幅度降低了冷凝器上腔的化冰能力，增加了空氣管路包括油水分離器上腔結(jié)冰風(fēng)險。

5.3 冷凝器管路結(jié)冰故障解決

5.3.1總體原則

燃油模式時，沿用傳統(tǒng)車通用化底盤設(shè)計。

純電模式時，電控空壓機通過壓縮空氣管路按照從高到低布置直接連接到雙通單向閥，管路取消冷凝器和框型管，管路長度滿足制動管路溫度要求。兩套管路通過雙通單向閥最后進入到電控空氣處理單元，雙通單向閥布置在框型管之后、冷凝器之前，防止純電模式時鋼管過長導(dǎo)致鋼管內(nèi)部及冷凝器結(jié)冰。

5.3.2設(shè)計方面

針對某純電動車存在冷凝器結(jié)冰的問題，混合動力車的壓縮空氣管路重新進行了設(shè)計：

1）空壓機出氣口-冷凝器進氣口段管路按照從高到低持續(xù)向下傾斜布置，不得有任何彎折、90°彎頭的地方。如果空壓機排氣管無法按規(guī)定向下傾斜安裝，壓縮空氣管路從空氣機出來的前0～50 mm允許向上，而后立刻保持傾斜向下連接將冷凝器盡量置為管路最低點，使冷凝水高效穩(wěn)定流入冷凝器。

2）壓縮空氣冷卻管的長度和直徑?jīng)Q定了進入管路空氣的冷卻程度及進入冷凝器的溫度。為了使冷凝器獲得最佳的性能和耐久性，進入冷凝器的空氣溫度不應(yīng)超過冷凝器制造商要求的最差工作條件下的溫度65 ℃。

3）為降低管路及冷凝器進氣口結(jié)冰效率，管徑從直徑15 mm改為直徑18 mm，降低管路的長度，應(yīng)對冬天車輛短停導(dǎo)致的冷凝器前段管路結(jié)冰。

5.3.3維修保養(yǎng)方面

建議用戶在進入冬季之前，對油水分離器進行徹底清洗。

5.4 壓縮空氣管路的長度和直徑的分析

5.4.1同長度電動車和燃油車壓縮空氣管路溫度

通過使用紅外測溫計測量高溫壓縮空氣自空壓機出氣口后經(jīng)過不同長度金屬管后的溫度，得到金屬管的散熱性能數(shù)據(jù)。試驗中分別測量了電動車和燃油車的壓縮空氣管路溫度，試驗得到的原始數(shù)據(jù)如圖6所示。電動空壓機到冷凝器的管路長度與燃油車的管路長度一致，使用同種長度、材料、管徑的壓縮空氣管路電動車同一位置的測量點溫度低，因為電動空壓機比發(fā)動機上空壓機的排氣溫度低，空壓機打出高壓氣的溫度比傳統(tǒng)燃油車的低70 ℃左右。

圖6 壓縮空氣管路溫度曲線

5.4.2電動車不同管徑壓縮空氣管路溫度

在同一材料和長度的情況下，分別對電動車匹配Φ15 mm×1.5 mm鋼管和Φ18 mm×1.5 mm的鋼管溫度進行了測量，試驗所得壓縮空氣管溫度數(shù)據(jù)見圖7。由圖7可知，測量點為3 m時，Φ18 mm× 1.5 mm的管徑溫度為56 ℃，Φ15 mm×1.5 mm的管徑溫度為69 ℃，增大管徑可以增加氣體通過管子與外界的熱交換，氣體散熱量增加，有利于降低從空壓機出來的氣體溫度。理論測量點為3 m時，Φ18 mm×1.5 mm的管徑溫度為56 ℃，但是冷凝器對溫度的要求是65 ℃，在考慮經(jīng)濟成本以及布置的情況下，通常使壓縮空氣管路的管長不小于3 m。

圖7 壓縮空氣管路溫度曲線

6 結(jié)論

針對采用電力驅(qū)動和燃油驅(qū)動兩種方式的特殊需求，通過對混合動力車壓縮空氣管路的設(shè)計，實現(xiàn)了燃油和純電并聯(lián)式方式相互轉(zhuǎn)換供氣。在設(shè)計混合動力車的壓縮空氣管路的過程中，為避免管路結(jié)冰的問題，優(yōu)化壓縮空氣管路的長度及布置，消除了客戶在使用過程中可能引發(fā)的重大安全隱患，降低了售后質(zhì)量成本。同時，也為類似問題的研究提供了一套可靠的工作思路。

[1] 李言辰.基于傳統(tǒng)底盤的純電動商用車整車開發(fā)研究[D].北京:北京建筑大學(xué),2020.

[2] 吳梅林,吳天元,劉志宏,等.混合動力汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].汽車實用技術(shù),2022,47(3):191-195.

[3] 樊運新,龍源,江大發(fā),等.新能源混合動力機車發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].電力機車與城軌車輛,2023, 46(1):1-11.

[4] 彭棟.混合動力汽車制動能量回收與ABS集成控制研究[D].上海:上海交通大學(xué),2007.

[5] 申晉憲,王鐵.載貨汽車總體設(shè)計分析[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[6] 楊菲菲.輕型載貨汽車氣壓制動系統(tǒng)設(shè)計與制動跑偏問題分析[D].長春:吉林大學(xué),2020.

Application of Compressed Air Piping System in Hybrid Electric Vehicles

ZHANG Jing, ZHANG Jiuxiang, REN Pengju, LI Hongyu, PANG Zhiyan

( Beiben Trucks Group Company Limited, Baotou 014030, China )

In the process of development of hybrid electric vehicles,in order to meet the standards of energy conservation and emission reduction,while fulfilling the requirements of various working conditions in the process of vehicle operation,hybrid electric vehicles adopt two power sources. In order to meet the special requirements of electric drive and fuel drive,a compressed air piping system for hybrid commercial vehicles is designed.The purpose is to convert the gas supply system to each other under the fuel oil and pure electric mode.When the engine is working,the engine needs its own air compressor to provide air for the braking system,when the pure electric mode is switched,the electronically controlled air compressor is used to provide air for the braking system. The paper describes in detail the main components, control principle and application of the compressed air piping system in hybrid commercial vehicles.

Hybrid electric vehicles;Compressed air piping system;Fuel oil and pure electric mode;Control principle

U469.72

A

1671-7988(2023)17-24-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.005

張靜（1985－），女，碩士，工程師，研究方向為制動系統(tǒng)，E-mail:18796008606@163.com。