純電動汽車電動空壓機系統匹配設計

周威力，冷彪，鄒偉，劉森磊

（一汽解放商用車開發院，吉林 長春 130011）

前言

近年來，新能源汽車在國家政策的引導下蓬勃發展。目前大多數的電動商用車，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及氣動門控系統。電動空氣壓縮機系統（簡稱電動空壓機系統）為整車氣壓制動系統及其他輔助用氣系統提供氣源，是電動商用車必不可少的關鍵系統之一。電動空壓機系統的匹配設計，將直接關系到整車的安全性、舒適性、成本和能耗。因此，在設計時需根據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 匹配設計內容

電動空壓機系統包括電動空壓機、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的匹配設計。

1.1 電動空壓機系統匹配設計目標

電動空壓機系統匹配設計目標包括性能、舒適性和耐久性。

其中性能目標包括排氣壓力和容積流量。根據整車制動系統及國標GB 7258的要求，選擇排氣壓力為0.95MPa。根據GB 12676-2014中對整車制動系統充氣時間的要求以及貯氣筒總容積，計算可得容積流量應不小于150L/min。

舒適性目標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標準可參考，對標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，噪聲應不大于72dB。

耐久性目標為按QC/T 29078 的要求進行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、往復活塞式、搖擺活塞式等類型。不同型式的電動空壓機優勢各不相同，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、成本低等優點，但也存在噪聲較大的情況。

1.3 總體設計

根據傳統汽車與電動汽車空壓機系統的結構差異，電動空壓機系統初步總體設計原理圖如圖1所示。傳統汽車上，空壓機由發動機驅動。電動汽車上，空壓機由一部小型電機驅動。動力電池為電機提供能量，電機控制器驅動電機按照控制策略的規劃進行運轉。

圖1 總體設計原理圖

1.4 電動空壓機系統性能設計

1.4.1 空壓機主要結構參數

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

由于結構設計需要，當活塞運行到上止點時，氣缸內的壓縮空氣并不能完全排出，即存在余隙容積，取當量余隙行程為3mm。

本文案例空壓機主要結構參數如表1。

表1 空壓機主要結構參數

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，考慮到余隙容積導致氣缸內工作容積未被充分利用，可通過計算獲?。沪薖為壓力系數，考慮空氣動力阻力，一般取 0.95-0.98；λT為溫度系數，一般可取0.90-0.98；λg為氣密系數，一般可取0.90-0.98；λφ為凝析系數，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，取1.4。

1.4.5 確定轉速

根據目標容積流量 Vm為150L/min，及上述容積效率，由以下公式：

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

1.4.6 驅動功率

指示功率Ni的計算[2]

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

驅動功率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動功率N為1.303kW。

1.4.7 電機匹配

電機的主要作用是驅動空壓機泵頭運轉，根據空壓機性能計算的技術參數，匹配電機時主要考慮電機的功率、轉速、扭矩等參數。

根據空壓機性能計算參數，空壓機的驅動功率為 1.303 kW，根據電機功率等級選擇1.5kW，轉速為1200r/min，峰值扭矩為40N·m。

電機的額定電壓需適配儲能系統的電壓平臺，一般有220V和380V 兩種規格。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《電動客車安全技術條件》[4]，還需考慮電機的IP防護等級、絕緣等級等。本文最終選擇防護等級為IP67，絕緣等級為H級。

1.5 電動空壓機系統降噪設計

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到80～85dB，嚴重影響整車運行時的舒適性，故在匹配時需進行降噪設計?；钊诫妱涌諌簷C噪聲主要分為進氣噪聲、排氣噪聲、機械振動噪聲和電機噪聲[5]，其中以進氣噪聲和排氣噪聲尤為突出。

1.5.1 進氣噪聲

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，在進氣管內形成了壓力脈動氣流，并以聲波的形式從進氣口輻射出來，這就是進氣噪聲。進氣噪聲基頻f=2n/60，n為電機轉速，f=40Hz，此外還有2f、3f……等高次諧波[6]，所以進氣噪聲呈明顯的低頻特性。

本文案例中通過采用進氣消聲器降低進氣噪聲。針對進氣噪聲的低頻特性，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生振動，從而產生排氣噪聲。

圖2 亥姆霍茲共振腔示意圖

圖3 缸蓋結構示意圖

本文案例通過在缸蓋排氣腔設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入封閉體內?？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設置共6個亥姆霍茲共振腔。共振腔體積根據缸蓋空間結構確定。根據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行排氣壓力、容積流量、噪聲、耐久性等進行測試。電動空壓機系統還需要進行實車測試，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 進行，噪聲測試按GB/T 4980 進行。主要結果如表2所示，符合標準要求。

表2

耐久性測試按QC/T 29078要求進行500小時后，各性能符合標準要求，達成設計目標。

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 電動空壓機系統控制邏輯

電動空壓機系統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。

傳統汽車空壓機大部分時間處于卸荷狀態，浪費了大量能量。本文案例通過電動空壓機的啟停控制達到降低能耗的目的。

圖4 電動空壓機系統控制邏輯流程圖

當車輛貯氣筒壓力達到制動系統要求的壓力后，應使電動空壓機停止運轉以節省整車電能。當貯氣筒壓力低于制動系統規定的壓力時，應使電動空壓機開始運轉。同時為延長空氣處理單元的壽命，避免氣路積水，電動空壓機系統的控制策略應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到制動系統要求的壓力，并且空氣處理單元已完成反吹再生功能。

電動空壓機運轉時需監控其潤滑油壓力。電動空壓機啟動后30秒內，如果檢測不到油壓，應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。相關的邏輯流程如圖4所示。

3 結束語

隨著電動汽車的推廣和普及，電動空壓機系統的應用也越來越廣泛。在實際設計工作中，應根據不同車型的需求充分考慮電動空壓機系統的可靠性、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匹配設計工作的內容及方法。

同時，目前汽車行業內缺乏統一的電動空壓機技術標準，各空壓機廠家使用國標、機械行業標準或者傳統空壓機標準進行設計和試驗。導致不同廠家的產品對比標準不統一，造成整車廠試驗資源的浪費。筆者認為應盡快出臺汽車行業電動空壓機技術條件標準。

參考文獻

[1] 郁永章.活塞式壓縮機.[M]北京∶機械工業出版社,1982∶111.

[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] 工業和信息化部.關于進一步做好新能源汽車推廣應用安全監管工作的通知.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]大連鐵道學院學報,1990（12）∶46-50.

[6] 劉明,余永英,周軍憲.空壓機噪聲及其測試.[J]煤礦機械,1987（2）∶29-33.

[7] 田韶鵬,李庚,雷蕾.純電動汽車空壓機控制方案設計.[J]武漢理工大學學報,2016（6）∶382-385.