電子真空泵持續工作控制測試研究

李航　辛慶鋒　吳海軍　高曉辰　張敬玉　金元麗

摘 要：電子真空泵工作時有兩部分產生熱量，一部分是電機消耗功率產生熱量，一個是泵體轉子摩擦定子產生熱量，產生的熱量會擴散傳遞到其他周邊部件，溫度在設計許用范圍內是可行。但當電子真空泵運行時間控制不當或者駕駛員頻繁踩踏板導致真空泵持續工作，熱負荷與機械負荷同時作用電子真空泵，就會導致電流持續上升，直至燒壞保險絲，使電子真空泵無法工作。同時溫度過高，使內部的PCB板、線束和周邊的真空軟管受高溫融化變形，使電子真空泵性能、壽命降低，電子真空泵是純電動汽車的唯一真空源，如果電子真空泵不工作，則無法實現剎車制動，影響乘客和行人安全。本文以電子真空泵持續工作控制為例，對電子真空泵的持續工作控制進行測試，在滿足制動需求的前提下，對電子真空泵的溫度-電流-運行時間關系進行了測試、分析，提出了電子真空泵的持續工作控制方法，為平臺車型的開發提供了技術支持！

關鍵詞：電子真空泵 持續工作控制 測試研究

Study On Continuous Operation Control Test of Electronic Vacuum Pump

Li Hang Xin Qingfeng Wu Haijun Gao Xiaocheng Zhang Jingyu Jin Yuanli

Abstract：When the electronic vacuum pump works， there are two parts to generate heat， one is generated by the power consumption of the motor， the other is generated by the friction between the rotor and the stator of the pump body. The heat generated will spread to other peripheral parts， and the temperature is feasible within the design allowable range. However， when the operation time of the electronic vacuum pump is not controlled properly or the driver frequently steps on the pedal， the vacuum pump will continue to work， and the thermal load and mechanical load act on the electronic vacuum pump at the same time. The current will continue to rise， until the fuse is burned out， so that the electronic vacuum pump cannot work. At the same time， the high temperature will melt and deform the internal PCB board， wiring harness and surrounding vacuum hose， and reduce the performance and service life of the electronic vacuum pump. The electronic vacuum pump is the only vacuum source of pure electric vehicles. If the electronic vacuum pump does not work， it will not be able to achieve braking， affecting the safety of passengers and pedestrians. Taking the continuous working control of electronic vacuum pump as an example， this paper tests the continuous working control of electronic vacuum pump， tests and analyzes the temperature current running time relationship of electronic vacuum pump on the premise of meeting the braking demand， and puts forward the continuous working control method of electronic vacuum pump， which provides technical support for the development of platform vehicle.

Key words：electric vehicle， continuous work control， matching test

1 前言

隨著國家對新能源汽車的支持，電動車市場呈現了爆發式的增長，但快速增長的背后存在諸多問題，如制動系統領域，某車型出現了電子真空泵壽命不足、真空泵與控制器不匹配等質量問題導致的召回事故。與傳統燃油車不同，電子真空泵作為純電動汽車制動系統唯一真空源，電子真空泵無法正常運行，真空助力器的助力效果失效，制動功能實現能力降低，嚴重影響行人安全，所以電動真空泵的控制至關重要。

純電動車運行于城市道路，路況相對復雜，連續紅綠燈、堵車路況交替，真空系統漏氣等工況，會出現電子真空泵也持續工作的工況。葉片式電子真空泵工作時石墨定子與轉子摩擦生熱，長時間運行溫升較大，到達一定值時就需進行過持續工作控制，以免導致電子真空泵等部件過熱故障。本文對電子真空泵工作時的電流-熱量-運行時間三者的關系進行了測試，研究在持續工作環境下電子真空泵的保護控制，對保護行人安全，降低安全風險提供了幫助。

2 電子真空泵的結構和發熱原理

2.1 電子真空泵結構與熱量的關系

電子真空泵分葉片式和膜片式兩種結構，本文主要探討葉片式電子真空泵，部件中產生熱量的零件包括泵體葉片3、旋轉器4、泵環5和電機8，工作時泵體中的泵體葉片3以旋轉器4的中心軸線旋轉，葉片轉子因離心力的作用，葉片外端緊貼定子內壁，與泵環5內壁摩擦，產生熱量;直流電流通過碳刷將電源的正負極接通到換相器上，換相器則連通了轉子的三個線圈，線圈極性源源不斷的與外殼固定點磁線交替形成了方向一致的作用力而轉動起來，因電機轉動時與碳刷與定子固連在一起，工作時碳刷與換相器一直摩擦，產生熱量。同時對溫度較敏感的零件有消音蓋1、橡膠墊6、電纜7和電機中的PCB板， 溫度超出其材料許用值，會造成其性能降低影響電子真空泵抽氣效率、壽命等問題。電子真空泵主要部件結構示意見圖1，泵體葉片工作狀態示意見圖2。

2.2 電子真空泵工作狀態與熱量的關系

電子真空泵工作時將真空助力器中真空腔的空氣排出真空系統，使其獲得真空，隨著負壓的升高，空氣變得稀薄，電機負載功率也隨之增加，根據焦耳定律Q=UIt（Q指熱量，U指電壓，I指電流，t指時間）熱量與電流和工作時間成正比，負載增加，電流值上升，熱量也增加，當電流上升至限定值時，會熔斷保險絲，此時電子真空泵已無法工作，故電子真空泵的持續工作控制著重在電流、溫度與運行時間關系上做測試研究。

3 電子真空泵溫度-電流-運行時間關系測試

3.1 電子真空泵溫度-電流-運行時間關系測試位置

溫度的測試采用溫度傳感器，在特定位置進行測量，電子真空泵的泵體和電機是兩個發熱源，而對對溫度敏感度較高的部件有消音蓋①、泵環②、電機上蓋③、電機下蓋（PCB板部位）④，本文著重對該四個位置進行測試，位置示意見圖3：

3.2 電子真空泵溫度-電流-運行時間關系測試條件

電子真空泵在正常的啟停真空度條件下的工作時間為3-6s，時間很短，真空泵的溫升不大，一般為40℃左右，汽車在連續制動和真空泄露的工況下，電子真空泵會持續運轉，且時間較長，但實際路況比較復雜，比較難定性各工況下電子真空泵實際運行情況，上文提到的電子真空泵抽真空時，隨著空氣的抽出，真空泵負載上升，電流與溫度會持續升高，故本實驗的方法是：

1）模擬真空系統封閉環境，電子真空泵在極限負載下持續運行至極限壽命狀態;

2）共取兩種不同結構葉片式真空泵進行測試，對比產品在上述三者關系上的異同;

3）共測試電子真空泵4個不同位置的溫度值和一組電流值，均隨時間變化動態監測，記錄;

4）實時監測各位置溫度、電機電流的變化;

5）數據分析系統搜集電流-溫度-運行時間三者關系的數據，圖表分析溫度-電流-時間三者的關系，判斷電子真空泵最佳控制方法。

6）測試環境：初始溫度：室溫23℃，真空罐容積：5L，測試電壓：12V，額定電流：50A。

3.3 測試設備及部件

1.測試部件：電子真空泵

2.電源：KIKUSUI 1KW;

3.數據處理系統：Graphtec GL820;

4.真空度傳感器：分辨率：0.001;

5.電流傳感器：ISO Block Current Type;

6.溫度傳感器：精度±1.5℃。

3.4 電子真空泵工作溫度-電流-運行時間關系測試

將電子真空泵、溫度傳感器、電流傳感器裝配于試驗臺，設置電子真空泵的啟動、停止值（停止值高于其抽真空能力值，使電子真空泵可持續工作），接入電源，按上述提供的方法進行試驗，采用數據采集系統搜集電流、溫度隨時間的變化情況，試驗進行至電子真空泵失效無法工作時結束。過程數據整理成關系曲線。具體見圖5、圖6、圖7和圖8。

4 試驗結果分析

試驗結果分析及控制方法

1.從溫度控制角度分析：在電子真空泵整個測試過程中，溫度一直在上升，不同部位的溫度差異大，最高可達262.5℃。一般零部件在-40～120℃環境下能保持良好工作狀態，從圖5中可以看出，電子真空泵連續工作約10min時，4個位置的溫度達到了120℃，可初步判定電子真空泵極限工作10min后需做控制;

2.從電流控制角度分析：兩真空泵電流隨時間緩慢上升，但達到真空泵失效臨界點時，電流值急劇上升，此時時間約為35min，溫度約為220℃。從以上兩者的分析來看，控制溫度比控制電流更能對真空泵有效保護控制。

3.從真空系統匹配角度分析：根據測試，連續3次制動，電子真空泵持續運行時間約為9.7s，再考慮真空泄露情況，真空泵連續工作時間約為120s;

根據以上信息真空泵設定連續工作10min后進行持續工作控制，但實際真空泵在連續制動和真空泄露的極限情況下，真空泵連續工作約為120s，最高溫度約為80℃，可確定在真空泵連續工作120s的時候進行持續工作控制，控制方法確定后再進行實際路試各工況下真空泵的運行情況，進行修正。

5 結束語

基于對電子真空泵工作溫度-電流-運行時間三者關系的測試分析，證明了時間變量相同的情況下，溫度變化的影響高于電流變化對真空泵的影響，故電子真空泵的持續工作首先控制溫度與時間的關系，設定在電子真空泵連續工作120s時進行了持續工作控制，防止電子真空泵因持續工作影響其壽命和性能。同時兩種結構的真空泵工作的平均電流約為18A，一般其控制的繼電器熔斷電流值為25A也從側面證明了該電流熔斷值的合理性。

參考文獻：

[1]夏青松，楊華，徐達，等.電動真空助力制動系統設計. 上海汽車，2007，11.

[2]方泳龍.汽車制動理論與設計.北京： 國防工業出版社，2005.

[3]余志生.汽車理論.北京： 機械工業出版社，1989.

[4]劉惟信.汽車制動系的結構分析與設計計算.北京： 清華大學出版社，2004.

[5]汽車工程手冊編委會.汽車工程手冊.北京： 人民交通出版社，2001.

作者簡介

李航：（1986—），男，湖南邵陽人，學士，主要從事制動方面的研究。