田韶鵬，李　庚，雷　蕾

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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純電動汽車空壓機控制方案設(shè)計

田韶鵬，李庚，雷蕾

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

摘要：針對汽車空壓機卸荷狀態(tài)下能量消耗大的問題，結(jié)合傳統(tǒng)汽車空壓機控制方式，提出了純電動汽車空壓機的控制方案，延長了空壓機的使用壽命，降低了空壓機的能量消耗；并針對純電動汽車安靜的特點，為純電動汽車的空壓機設(shè)計了降噪裝置，保證了純電動汽車噪聲小的優(yōu)點，使純電動汽車的經(jīng)濟性和舒適性得到了提高。

關(guān)鍵詞：純電動汽車；空壓機；控制方案

傳統(tǒng)汽車中帶有氣壓制動系統(tǒng)的車輛大多采用小型往復(fù)活塞式空氣壓縮機[1]，發(fā)動機運轉(zhuǎn)帶動空壓機壓縮空氣，空壓機工作時的噪聲可達(dá)90 dB?；钊娇諌簷C技術(shù)成熟且造價低，但活塞式空壓機被安裝在純電動汽車中時，需考慮空壓機工作中產(chǎn)生的噪聲對人體舒適度的影響。

目前國內(nèi)外純電動汽車的制動系統(tǒng)中，小型轎車大多采用真空助力伺服裝置，8 t以上的車輛主要采用以空壓機產(chǎn)生的壓縮氣體為動力的氣壓制動系統(tǒng)。選用的空壓機多選用滑片式壓縮機，工作噪聲低，但費用高?？諌簷C的控制方式為機械式控制，而機械式氣壓開關(guān)受疲勞強度的限制，一旦出現(xiàn)故障，則會導(dǎo)致制動力不足。

汽車行駛過程中，空壓機產(chǎn)生的壓縮氣體主要用于制動，車輛在平路上制動頻率約為0.2～0.5次/分，車輛在山間或擁堵市區(qū)制動頻率約為0.8～1.4次/分。出于安全考慮，在計算車輛用氣量時，需選用車輛最頻繁制動次數(shù)來設(shè)計，并留有適當(dāng)余量。據(jù)統(tǒng)計，在我國具有代表性的丘陵地帶駕車試驗，所需要空壓機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生壓縮空氣的時間約為整個行車時間的三分之一，從而車輛在平原地區(qū)行駛時，所需空壓機運轉(zhuǎn)壓縮空氣的時間會更短。因此，傳統(tǒng)汽車空壓機大部分時間處于卸荷狀態(tài)，而此時消耗的能量浪費掉了。為此，筆者設(shè)計了純電動汽車空壓機控制方案，使處于卸荷狀態(tài)的空壓機不工作，以實現(xiàn)節(jié)約能量的目的[2]。

1傳統(tǒng)布置方案

目前傳統(tǒng)汽車中空壓機的活塞做往復(fù)運動壓縮空氣，當(dāng)儲氣罐中的氣壓達(dá)到設(shè)定的壓力安全值(0.8 MPa左右)時，必須進行卸荷處理?？傮w來說，裝配了空壓機的傳統(tǒng)汽車有兩種卸荷方式。①放空卸荷方式?？諌簷C隨發(fā)動機運轉(zhuǎn)壓縮空氣，當(dāng)儲氣罐中氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)上限值時，空壓機繼續(xù)壓縮空氣，但此時儲氣罐中的安全閥開啟，罐中壓縮氣體排出，實現(xiàn)放空卸荷；當(dāng)儲氣罐壓力低于預(yù)設(shè)下限值時，罐中安全閥關(guān)閉，壓縮氣體不再排放。這種方法最為簡單，但不經(jīng)濟，浪費了大量能量，一般不采用。②壓力調(diào)節(jié)器方式。當(dāng)罐中氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)上限值時，借助壓力調(diào)節(jié)器使空壓機的排氣壓力等于進氣壓力，此時空壓機的功率消耗為額定功率的20%～30%，這種方式較為經(jīng)濟，應(yīng)用于大多數(shù)傳統(tǒng)汽車。

圖1　傳統(tǒng)汽車中空壓機控制方案

壓力調(diào)節(jié)器方式廣泛采用如圖1所示的控制方案。發(fā)動機運轉(zhuǎn)帶動空壓機壓縮空氣，壓縮氣體經(jīng)排氣管A進入儲氣罐B，儲氣罐B與壓力調(diào)節(jié)器C相通，當(dāng)罐中氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值(0.8 MPa左右)時，壓力調(diào)節(jié)器打開，使壓縮空氣推動活塞，從而將吸氣閥頂開。這時空壓機雖然工作，但是氣體沒有被壓縮，吸入氣缸中的氣體，通過吸氣閥倒流出去。當(dāng)罐中的氣壓低于預(yù)設(shè)的下限值(0.6 MPa左右)時，壓力調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，從而使閥桿通過復(fù)位彈簧將吸氣閥關(guān)閉，空壓機恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)，繼續(xù)給儲氣罐打氣，如此不斷循環(huán)[3]。

2設(shè)計思路

傳統(tǒng)汽車活塞空壓機的控制方式結(jié)構(gòu)簡單、成本費用低廉、技術(shù)成熟，但是空壓機在汽車行駛時大部分時間處于卸荷狀態(tài)，浪費了能源。對于以節(jié)能減排為目的的純電動汽車，將傳統(tǒng)汽車上的空壓機控制方式應(yīng)用于純電動車不是很適合。針對以上缺點，筆者提出一個關(guān)于純電動汽車的空壓機控制設(shè)想，控制原理如圖2所示。

圖2　控制原理

純電動汽車行駛帶動空壓機給儲氣罐打氣，當(dāng)儲氣罐氣壓達(dá)到設(shè)定上限值時，空壓機停止運轉(zhuǎn)，不再壓縮氣體。隨著制動等氣壓裝置的使用，儲氣罐中壓縮空氣不斷被消耗，當(dāng)罐中壓力達(dá)到設(shè)定的下限值時，空壓機恢復(fù)運轉(zhuǎn)，繼續(xù)向儲氣罐中打氣。

3設(shè)計方案

對于上述設(shè)計原理，參考傳統(tǒng)汽車中空壓機的控制方案，設(shè)計了兩套純電動汽車空壓機的控制方案。兩套方案都實現(xiàn)了空壓機的電子控制，減少了空壓機對電量的損耗，同時降低了成本。

3.1方案一

圖3　方案一的控制流程

如圖3所示為方案一的控制流程，與傳統(tǒng)汽車中空壓機的控制方案相比，純電動汽車采用驅(qū)動電機給車輛提供動力，去掉了壓力調(diào)節(jié)器，驅(qū)動電機一端把動力傳遞給變速器，驅(qū)動車輛行駛，另一端通過皮帶輪與皮帶連接空壓機，帶動空壓機運轉(zhuǎn)[4-6]。在驅(qū)動電機與空壓機之間增設(shè)一個電磁離合器，并且在儲氣罐中安裝了壓力傳感器。

電磁離合器的作用是結(jié)合或斷開驅(qū)動主電機與空壓機之間的動力傳遞，從而實現(xiàn)控制空壓機是否運轉(zhuǎn)的目標(biāo)；壓力傳感器用于監(jiān)測儲氣罐中氣體的壓力，并將測得的氣壓信號輸入給ECU，由ECU分析判斷并控制電磁離合器的分離與結(jié)合。

方案一的工作原理為：純電動汽車在路面行駛時，驅(qū)動電機帶動空壓機壓縮空氣給儲氣罐打氣，安裝在罐上的壓力傳感器檢測到罐中的氣壓P，并將壓力信號傳給ECU，ECU將P與存儲在ECU中最低下限設(shè)定壓力P0(0.6 MPa左右)、最高上限設(shè)定壓力P1(0.8 MPa左右)進行對比。若P小于P0，則ECU發(fā)出指令控制電磁離合器接合，空壓機隨驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)壓縮空氣，向儲氣罐中供氣；若P大于P1，則ECU發(fā)出指令控制電磁離合器斷開，驅(qū)動電機與空壓機之間中斷動力傳遞，空壓機不運轉(zhuǎn)，停止向儲氣罐提供壓縮空氣?？諌簷C如此不斷循環(huán)工作給儲氣罐充氣。

3.2方案二

如圖4所示為方案二的控制流程，相比于方案一，其取消了電磁離合器，去掉了皮帶與皮帶輪，專門增設(shè)一臺小型電機直接驅(qū)動空壓機運轉(zhuǎn)，給儲氣罐充氣，通過ECU控制小型電機運轉(zhuǎn)來實現(xiàn)空壓機的控制。

圖4　方案二的控制流程

方案二的控制原理為：純電動汽車正常行駛時，安裝在儲氣罐中的壓力傳感器檢測到罐中的氣壓P，接著將氣壓信號輸入給ECU，ECU將P與存儲罐氣壓閾值進行比較，其最低下限壓力設(shè)定為P0，最高上限壓力設(shè)定為P1。若罐中氣壓P小于P0，則ECU發(fā)出命令控制增設(shè)的小型電動機開始工作，從而帶動空壓機運轉(zhuǎn)壓縮空氣，向儲氣罐中充氣；若P大于P1，則ECU發(fā)出命令使小型電動機停止運轉(zhuǎn)，從而使空壓機不再壓縮空氣，停止向儲氣罐中打氣。如此不斷循環(huán)，儲氣罐中氣壓不足時，空壓機工作，儲氣罐充滿時，空壓機停止運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)空壓機的可控控制。

3.3對比分析

與傳統(tǒng)汽車中的空壓機控制方案相比，方案一與方案二都是通過ECU間接對空壓機實施電子控制，既保證了車輛制動系統(tǒng)所需的氣壓要求，又能保證滿足儲氣罐中氣壓需求的前提下實現(xiàn)空壓機停止工作。兩種方案通過對空壓機的精準(zhǔn)控制，減少了電量的耗損，提高了純電動汽車的經(jīng)濟性，同時也相對延長了空壓機的使用壽命。

方案一通過采用皮帶和皮帶輪連接主驅(qū)動電機與空壓機，其結(jié)構(gòu)簡單，傳遞效率低，維修方便，傳動較平穩(wěn)，能夠緩沖吸振，起到一定的安全保護作用。但主驅(qū)動電機與空壓機之間皮帶輪的傳動比固定，而主驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速會隨道路情況時刻變化，使空壓機工作的轉(zhuǎn)速時快時慢，不能在理想的額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，主驅(qū)動電機在低速運行時，空壓機的充氣效率低，而在高速時，空壓機的運動部件容易發(fā)生疲勞破壞，影響空壓機使用壽命。

方案二中直接采用一臺小型電機直接驅(qū)動空壓機的運轉(zhuǎn)，通過控制電機工作來實現(xiàn)空壓機的啟停，從而可以使選擇的小型電機額定轉(zhuǎn)速與空壓機的額定轉(zhuǎn)速相同，當(dāng)儲氣罐中氣壓不足時，空壓機能夠迅速滿負(fù)荷工作，實現(xiàn)快速充氣。這種控制方式最為理想，保證了空壓機處于最佳工作狀態(tài)。相對于方案一，方案二中的空壓機工作狀態(tài)更優(yōu)，使其能更快速地給儲氣罐充氣，從而使空壓機需要的工作時間縮小，也相對增加了空壓機的使用壽命。但需要考慮增設(shè)的電機也會消耗少量電能，且增加了安裝空間及安裝成本。

3.4節(jié)省電量的計算

兩種方案都取消了傳統(tǒng)汽車中空壓機的卸荷運轉(zhuǎn)情況。假定選取EQ140-3型空壓機安裝于純電動汽車并計算其消耗的能量，額定功率P=1.5 kW，卸荷功率P1約為額定功率的25%，設(shè)定純電動汽車的平均行駛速度為40 km/h，則純電動汽車行駛百公里，采用方案一或方案二空壓機消耗的電量Q1和相比于傳統(tǒng)控制方案節(jié)省的電量Q2分別為：

式中：t為純電動汽車以40 km/h的平均速度行駛百公里的時間;1/3為所需空壓機工作時長占車輛行駛時長的比例。

車輛在實際道路上行駛時，所需的空壓機工作時間更短，即新方案可節(jié)省的電量Q2會更大。在一定條件下，純電動汽車空壓機的可節(jié)省電量Q2最高可達(dá)約1 kW·h[7-8]。

4降噪處理

純電動汽車采用電動機替代了發(fā)動機驅(qū)動車輛，故工作噪聲小。但活塞式空壓機工作噪聲較大，在純電動汽車上安裝活塞式空壓機時，需要考慮空壓機工作噪聲對人體舒適度的影響?；钊娇諌簷C的噪聲主要由進氣噪聲、排氣噪聲和機械噪聲組成。①進氣噪聲。空壓機的進氣閥門斷續(xù)開啟, 空氣間歇地被吸入空壓機的氣缸中，從而在進氣口閥門周圍產(chǎn)生壓力波動，并以聲波的形式從進氣口閥門處輻射出來，形成進氣噪聲。進氣噪聲處于低頻段，并且比其他部件的噪聲略高，是空壓機噪聲的主要來源之一。②排氣噪聲。當(dāng)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(chǎn)生振動, 從而產(chǎn)生排氣噪聲。③機械噪聲。空壓機中的彈性結(jié)構(gòu)，如機體、活塞、連桿、曲軸等部件，在慣性矩和氣體壓力等作用下產(chǎn)生多種形式的彈性振動，形成了機械噪聲。機械噪聲中高頻成份居多，隨著空壓機使用時間的增加，各零件的使用性能降低，空壓機的機械噪聲也逐漸增大，機械噪聲是空壓機噪聲主要來源之一。

(1)進排氣噪聲處理：在空壓機的進排氣道中安裝消音器[9]。消音器分為抗性消音器和阻性消音器。阻性消音器一般采用由酯、棉材料組成的多孔吸聲材料來降低噪聲，使用一段時間后消音材料容易老化，從而影響空壓機的進排氣性能，并且阻性消音器主要適用于高頻噪聲處理，而不是低頻噪聲，故不適合空壓機的進排氣噪聲處理?？剐韵羝饔赏蛔兘缑娴墓芎褪蚁嗷ソM合構(gòu)成，通過過濾掉一些低頻率的噪聲達(dá)到降低噪聲的目的，并且在抗潮濕性能、耐高溫性能、氣體流速、潔凈度等方面都比阻性消音器效果好?？剐韵羝靼ü舱袷较羝骱蛿U張式消音器。共振式消音器是由小孔板和共振腔組成，通過利用共振結(jié)構(gòu)的阻抗引起聲波的反射從而進行消聲，其降噪成本較高。擴張式消音器由各個擴張室與連管組成，利用橫斷面積的擴張、收縮引起聲波的反射與干涉來達(dá)到消聲的目的，降噪成本低。因此，筆者采用擴展式消音器。

(2)機械噪聲處理：通過設(shè)置專門的隔聲罩，對空壓機的機械噪聲進行消音。隔聲罩的外殼由具有一定重量和剛性的不透氣金屬材料組成，一般用約為2 mm厚的鋼板，罩的中間為阻尼層，罩的內(nèi)層裝有吸聲材料[10-12]。隔聲罩通過把噪聲較大的空壓機封閉起來，可以阻隔空壓機機械噪聲的外傳和擴散，從而減少機械噪聲對周圍環(huán)境的影響，是一種簡單而有效的方法。如圖5所示為機械噪聲的降噪處理設(shè)計，通過把活塞式空壓機密封起來以達(dá)到降噪的目的。

圖5　降噪處理設(shè)計

5結(jié)論

筆者根據(jù)傳統(tǒng)汽車空壓機的布置形式，提出純電動汽車空壓機的控制方案，實現(xiàn)了空壓機的電子控制，既保證了純電動汽車制動時所需要的氣壓，又去掉了空壓機卸荷工作狀態(tài)，降低了空壓機的能量需求，提高了純電動汽車的經(jīng)濟性，相對增加了空壓機的工作壽命；并針對純電動汽車安靜的特點，設(shè)計了純電動汽車空壓機降噪裝置，保證了純電動汽車噪聲小的優(yōu)點。

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TIAN Shaopeng:Prof.; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

文章編號：2095-3852(2016)03-0382-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2016-01-10.

作者簡介：田韶鵬(1974-)，男，河南南陽人，武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院教授；博士.

中圖分類號：U469.72

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.03.026

The Control Scheme of Compressor for Pure Electric Vehicles

TIANShaopeng,LIGeng,LEILei

Abstract：For the problem of energy consumption for automobile air compressor unloading state, combined with the traditional car air compressor control, this paper presents the control scheme of pure electric car air compressor. It features quiet for pure electric vehicles to design of the corresponding noise reduction device on the air compressor, to extend the life of the air compressor, so pure electric vehicle economy and comfort has been improved.

Key words：pure electric vehicles; air compressor; control scheme