汽車電子真空泵控制邏輯及驗(yàn)證方法

劉瑞庭

（上海海拉電子有限公司，上海 201201）

電子真空泵是一款用于給汽車傳統(tǒng)液壓剎車系統(tǒng)提供真空助力的產(chǎn)品[1-2]。由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)真空泵腔室內(nèi)轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動(dòng)提供及時(shí)高效的抽真空性能外，具有長(zhǎng)壽命、免維護(hù)及高適配性的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)比由發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸提供動(dòng)力的傳統(tǒng)機(jī)械泵，因其無(wú)需給發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力以達(dá)到降低二氧化碳排放的目的，使其廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)汽/柴油車、混動(dòng)及純電動(dòng)車。考慮到電子真空泵為純電動(dòng)車以及將其作為唯一真空來(lái)源的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車提供剎車助力的唯一執(zhí)行器。為確保其能在壽命內(nèi)提供所需的真空度應(yīng)盡可能避免電子真空泵失效， 除產(chǎn)品本身可靠性之外，整車剎車系統(tǒng)根據(jù)電子真空泵產(chǎn)品特點(diǎn)的應(yīng)用匹配尤為重要。部分研究也闡述了相關(guān)設(shè)置[3-4]。

本文將從電子真空泵角度分析避免其在整車控制邏輯方法和運(yùn)行占空比選擇上造成連續(xù)工作，以及電子真空泵過(guò)熱失效方面介紹相關(guān)注意點(diǎn)和建議。

1 常用壓力控制邏輯方法

電子真空泵在整車上是通過(guò)控制繼電器的開(kāi)合實(shí)現(xiàn)通斷，而電子真空泵的開(kāi)啟和關(guān)閉取決于所需剎車助力器的真空度大小，助力器真空度由電子真空泵運(yùn)行時(shí)建立（增大），在完成剎車動(dòng)作后消耗（減小）。剎車助力器的真空度大小是由助力器端的壓力傳感器探測(cè)并控制，也就是說(shuō)控制器在接收到壓力傳感器給的真空度或壓力信號(hào)后輸出指令控制繼電器開(kāi)合從而控制電子真空泵的運(yùn)行和停止。

常用控制真空度或壓力的方法，如圖1所示。其中，包括絕對(duì)壓力值、壓力百分比、壓力梯度斜率和壓力差，其相關(guān)的參數(shù)為絕對(duì)壓力、壓力差、真空泵開(kāi)啟壓力值代表助力器內(nèi)壓力上線、真空泵關(guān)閉壓力值代表助力器內(nèi)壓力下線。

圖1 壓力控制示意圖

剎車踏板動(dòng)作和助力器內(nèi)壓力變化以及對(duì)應(yīng)真空泵啟停的關(guān)系如圖2所示。

圖2 剎車踏板壓力與真空變化和真空泵工作圖

1.1 壓力百分比控制標(biāo)

壓力百分比控制是助力器內(nèi)的真空度或壓力按周圍環(huán)境大氣壓的百分比來(lái)控制真空泵的開(kāi)啟和關(guān)閉，周圍環(huán)境大氣壓由整車上的絕對(duì)環(huán)境壓力傳感器測(cè)得。例如周圍環(huán)境大氣壓是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 大氣壓1000 mbar，那它100%的壓力為1000 mbar，如果把真空泵開(kāi)啟和關(guān)閉的閥值設(shè)定為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境大氣壓的50%和70%，就意味著真空泵可以提供的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境大氣壓50%和70%真空度，那對(duì)應(yīng)的助力器內(nèi)的壓力為500 mbar和300 mbar。在不同環(huán)境大氣壓和相同真空泵開(kāi)啟/關(guān)閉百分比下的助力器內(nèi)的壓力值變化，如圖3、圖4所示。

圖3 環(huán)境1000 mbar真空百分比50%示意圖

圖4 環(huán)境600 mbar真空百分比50%示意圖

壓力百分比控制顯示電子真空泵工作時(shí)間為

其并不受外部外鏡氣壓變化（不同海拔）影響，但是助力器內(nèi)的壓力閥值差ΔP（開(kāi)啟閥值?關(guān)閉閥值）變小，相應(yīng)的真空助力FB也會(huì)減小，如圖5所示。故為了在高海拔情況下使剎車腳感不受太大影響，可以在電子真空泵能力范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整關(guān)閉壓力百分比例，如由70% 調(diào)整至 75%。

圖5 壓力與海拔高度關(guān)系1

壓力百分比控制的優(yōu)點(diǎn)是讓助力器內(nèi)的真空度隨著外鏡氣壓的變化而變化，能更好地控制在不同海拔高度下真空助力的變化。

1.2 壓力梯度斜率控制

壓力梯度斜率控制相較于壓力百分比控制方法，如圖6所示，有以下優(yōu)勢(shì)：

圖6 壓力梯度斜率示意圖

1）更精確識(shí)別壓力隨時(shí)間的變化；2）更早識(shí)別到系統(tǒng)異常；3）更好識(shí)別和利用真空泵的抽氣效率，可以早于關(guān)閉閥值停止真空泵；4）能完全避免真空泵連續(xù)工作造成損壞；5）能更好地控制真空泵工作的占空比。

壓力梯度斜率控制可以結(jié)合壓力閥值一起控制，監(jiān)控壓力閥值間的壓力變化，斜率能更好識(shí)別系統(tǒng)異常，例如小的系統(tǒng)漏氣等。

1.3 絕對(duì)壓力值控制

絕對(duì)壓力值控制是通過(guò)助力器內(nèi)的絕對(duì)壓力固定值（常量）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)真空泵啟停的控制，助力器內(nèi)需要有一個(gè)絕對(duì)壓力傳感器來(lái)控制真空泵的開(kāi)啟和關(guān)閉。其不足點(diǎn)為助力器內(nèi)壓力與外鏡壓力的差值ΔP，會(huì)隨著海拔高的增加明顯減小，從而相應(yīng)的真空助力FB也會(huì)減小，如圖7所示。故剎車需要用更大的腳力影響剎車腳感。

圖7 壓力與海拔高度關(guān)系2

1.4 壓力差控制

壓力差控制是通過(guò)壓力開(kāi)關(guān)控制真空泵的開(kāi)啟和關(guān)閉。真空泵的關(guān)閉壓力值是通過(guò)壓力開(kāi)關(guān)控制的相對(duì)于環(huán)境絕對(duì)壓力的一個(gè)固定值ΔP，真空泵的開(kāi)啟壓力值是由壓力開(kāi)關(guān)設(shè)定決定的一個(gè)固有常量。

壓力差控制的優(yōu)勢(shì)是因助力器內(nèi)的壓力相對(duì)環(huán)境絕對(duì)壓力的壓力差ΔP是一個(gè)常數(shù)而保持不變，故可以保持真空助力FB不變，從而不影響剎車腳感以及腳力。它的缺點(diǎn)是在高海拔的情況下有使真空泵長(zhǎng)轉(zhuǎn)導(dǎo)致失效的風(fēng)險(xiǎn)，如圖8所示，故壓力差ΔP的定義需要考慮高海拔條件。

圖8 高海拔與壓力關(guān)系3

另外，壓力開(kāi)關(guān)的精度也會(huì)影響實(shí)際的真空泵關(guān)閉壓力值，從而造成真空泵長(zhǎng)轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，如圖9所示，故在定義壓力差ΔP時(shí)，需要考慮壓力開(kāi)關(guān)自身的壓力控制精度。

圖9 高海拔與壓力開(kāi)關(guān)精度下的壓差ΔP

各控制方法的優(yōu)劣點(diǎn)如表1所示。

表1 各控制方法的優(yōu)劣點(diǎn)

2 電子真空泵運(yùn)行占空比選擇

真空泵運(yùn)行占空比是真空泵的工作運(yùn)行時(shí)間與一個(gè)真空泵啟停周期總時(shí)間的比值。占空比越高代表真空泵運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)且頻繁，因此，容易造成真空泵過(guò)熱影響使用壽命甚至燒壞，即由電機(jī)開(kāi)路或者卡死導(dǎo)致無(wú)功能。故占空比的選擇主要取決于真空泵自身的溫度高低，而真空泵的溫度主要是受以下幾個(gè)因素影響。

2.1 真空泵工作電壓

真空泵工作電壓影響真空泵旋轉(zhuǎn)的快慢，工作電壓越高，轉(zhuǎn)速就越快，真空泵發(fā)熱就越快。

通常真空泵額定工作電壓在開(kāi)發(fā)階段就基本對(duì)標(biāo)整車電壓，一般電壓范圍為（13 ±1）V。

2.2 控制真空泵啟停的壓力差ΔP和關(guān)閉壓力值（真空度）

真空泵啟停的壓力差ΔP和關(guān)閉壓力值（真空度）影響真空泵運(yùn)行時(shí)間和氣流散熱，壓力差越大真空泵工作時(shí)間越長(zhǎng)；關(guān)閉壓力值越低，即真空度越高，真空泵工作時(shí)間越長(zhǎng)且從助力器端進(jìn)氣的氣流越少，真空泵發(fā)熱越快，對(duì)真空泵散熱越差。

一般情況下電子真空泵在開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)階段，需和整車廠討論確定常用的開(kāi)啟和關(guān)閉壓力值，一般常用的控制真空泵啟停壓力值以環(huán)境絕對(duì)氣壓的50%作為開(kāi)啟壓力值；環(huán)境絕對(duì)氣壓的70%或者75%作為關(guān)閉壓力值，即真空泵工作時(shí)的壓力范圍是環(huán)境絕對(duì)氣壓的50%～70%或50%～75%，這兩種典型的壓力閥值。

2.3 真空泵周圍環(huán)境溫度和散熱條件（空氣對(duì)流）

環(huán)境溫度越高、空氣對(duì)流越差，真空泵發(fā)熱越快，影響真空泵散熱。

考慮到電子真空泵可靠性的重要， 通常電子真空泵在開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)階段被要求在-40～120 °C和無(wú)空氣對(duì)流條件下進(jìn)行耐久驗(yàn)證，故此條件嚴(yán)于整車實(shí)際應(yīng)用環(huán)境條件。

基于以上條件，測(cè)得電子真空泵按一定占空比范圍一般為5%～40%（不同溫度下有不同占空比），其最高溫度點(diǎn)的溫度范圍為130～140 °C，最高溫度位置如圖10所示。

圖10 真空泵實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度探測(cè)點(diǎn)位置

因整車實(shí)際需要，會(huì)對(duì)控制真空泵的啟停壓力值和運(yùn)行占空比進(jìn)行調(diào)整，尤其在出現(xiàn)剎車系統(tǒng)泄露的情況下提高真空泵的運(yùn)行占空比，即提高真空泵的運(yùn)行時(shí)間和頻率。這時(shí)就需要在整車系統(tǒng)參數(shù)驗(yàn)證時(shí)，監(jiān)控真空泵頂端中心在工作時(shí)的最高溫度，應(yīng)考慮其不高于電子真空泵在其臺(tái)架耐久實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得的溫度，從而避免因占空比過(guò)高導(dǎo)致真空泵過(guò)熱失效。

3 電子真空泵整車系統(tǒng)驗(yàn)證和分析方法

在對(duì)電子真空泵進(jìn)行剎車系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)，為了對(duì)比真空泵在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和整車系統(tǒng)條件驗(yàn)證下，各性能參數(shù)表現(xiàn)，識(shí)別真空泵潛在失效風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)真空泵在整車系統(tǒng)驗(yàn)證條件下進(jìn)行抽氣效率、工作電流及溫度監(jiān)控十分必要。

圖11為電子真空泵-助力器-進(jìn)氣歧管連接簡(jiǎn)圖，剎車系統(tǒng)中與電子真空泵相關(guān)的主要零件為1）進(jìn)氣歧管：針對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)進(jìn)氣歧管提供真空，電子真空泵作為輔助提供真空，純電動(dòng)汽車不適用；2）電子真空泵：提供真空?qǐng)?zhí)行器；3）助力器：通過(guò)內(nèi)外壓力差實(shí)現(xiàn)剎車助力；4）P：壓力傳感器；5）QC：用于管路連接的快插接頭或其它連接方式；6）CV：?jiǎn)蜗蜷y；7）EC3：控制單元。

圖11 電子真空泵-助力器-進(jìn)氣歧管連接簡(jiǎn)圖

另外，真空泵的工作電流可以先在真空泵的正極線束上串聯(lián)一個(gè)0.1 ?的電阻，并通過(guò)這個(gè)電阻兩端的電壓算出電流值。而真空泵的工作溫度則由加在真空泵頂端中心的溫度傳感器提供。

通過(guò)以上試驗(yàn)方法可以獲得如下相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)信息：

1）助力器內(nèi)能達(dá)到的最大真空度：通過(guò)P2獲得（P4僅用于故障分析時(shí)對(duì)P2的確認(rèn)），也能對(duì)比P2和P6得出真空泵最大抽真空能力和系統(tǒng)最 大抽真空能力的差值，即P6-P2；

2）系統(tǒng)對(duì)真空泵抽氣效率的影響即抽氣時(shí)間：通過(guò)P2和P6測(cè)得達(dá)到相同真空度時(shí)所需的時(shí)間差；

3）單向閥對(duì)抽氣性能的影響：可以通過(guò)P和P1、P2、P6的對(duì)比測(cè)得各個(gè)單向閥對(duì)抽氣時(shí)間的影響，尤其在低溫、高真空度、冷啟動(dòng)情況下膜片式單向閥打開(kāi)延遲的風(fēng)險(xiǎn)；

4）真空泵工作電流：可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)真空泵是否存在異常；

5）真空泵工作溫度：可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)真空泵是否有過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)以及占空比設(shè)置的是否合適。

通過(guò)系統(tǒng)在各種使用工況、不同環(huán)境條件以及真空泵性能衰減下測(cè)得的數(shù)據(jù)來(lái)最終定義出合適的控制真空泵的邏輯，從而最大程度避免真空泵的失效。舉例說(shuō)明在已知真空泵相關(guān)性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)比剎車系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件下相對(duì)應(yīng)的性能參數(shù)“Y”值可知系統(tǒng)對(duì)真空泵抽氣效率的影響，從而可以優(yōu)化整車剎車系統(tǒng)，如表2所示。

表2 真空泵參數(shù)對(duì)比剎車系統(tǒng)參數(shù)

另外，以上方法也適用對(duì)系統(tǒng)故障的排查，如：真空泵、壓力傳感器及單向閥故障；管路及接口和助力器泄露的情況。

4 總結(jié)

1）建議并優(yōu)先考慮壓力百分比的方法作為控制真空泵啟停的壓力閥值。在真空泵工作占空比的選擇尤其在系統(tǒng)需要高占空比工作的情況下，需注意真空泵因過(guò)熱導(dǎo)致的失效，建議整車進(jìn)行模擬測(cè)試并監(jiān)控系統(tǒng)性能參數(shù)和真空泵工作溫度。

2）系統(tǒng)性能參數(shù)的設(shè)定如：控制壓力閥值、抽真空效率及最大抽真空能力在參考真空泵自身性能參數(shù)外，還需考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如管路設(shè)計(jì)包括 連接方式、單向閥結(jié)構(gòu)和數(shù)量對(duì)系統(tǒng)性能參數(shù)的影響，建議整車進(jìn)行模擬測(cè)試并監(jiān)控系統(tǒng)性能參數(shù)和真空泵工作性能參數(shù)。