周威力，冷彪，鄒偉，劉森磊

（一汽解放商用車(chē)開(kāi)發(fā)院，吉林 長(zhǎng)春 130011）

前言

近年來(lái)，新能源汽車(chē)在國(guó)家政策的引導(dǎo)下蓬勃發(fā)展。目前大多數(shù)的電動(dòng)商用車(chē)，如純電動(dòng)客車(chē)、純電動(dòng)物流車(chē)、純電動(dòng)洗掃車(chē)等都采用氣壓制動(dòng)系統(tǒng)及氣動(dòng)門(mén)控系統(tǒng)。電動(dòng)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)）為整車(chē)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)及其他輔助用氣系統(tǒng)提供氣源，是電動(dòng)商用車(chē)必不可少的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)，將直接關(guān)系到整車(chē)的安全性、舒適性、成本和能耗。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)整車(chē)需求匹配合適的電動(dòng)空壓機(jī)，并采取合理的控制策略。

1 匹配設(shè)計(jì)內(nèi)容

電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)包括電動(dòng)空壓機(jī)、電機(jī)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(dòng)空壓機(jī)又由電機(jī)和空壓機(jī)組成。本文以某純電動(dòng)物流車(chē)為例，介紹電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)。

1.1 電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)目標(biāo)

電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)目標(biāo)包括性能、舒適性和耐久性。

其中性能目標(biāo)包括排氣壓力和容積流量。根據(jù)整車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)及國(guó)標(biāo)GB 7258的要求，選擇排氣壓力為0.95MPa。根據(jù)GB 12676-2014中對(duì)整車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)充氣時(shí)間的要求以及貯氣筒總?cè)莘e，計(jì)算可得容積流量應(yīng)不小于150L/min。

舒適性目標(biāo)主要是指電動(dòng)空壓機(jī)的噪聲。由于電動(dòng)汽車(chē)目前沒(méi)有噪音限制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可參考，對(duì)標(biāo)市場(chǎng)上噪音比較小的電動(dòng)空壓機(jī)，如滑片式及螺桿式電動(dòng)空壓機(jī)，確定電動(dòng)空壓機(jī)按GB/T 4980要求的方法測(cè)試，噪聲應(yīng)不大于72dB。

耐久性目標(biāo)為按QC/T 29078 的要求進(jìn)行500小時(shí)耐久性試驗(yàn)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(jī)選型

根據(jù)空壓機(jī)泵頭型式的不同，電動(dòng)空壓機(jī)可分為滑片式、螺桿式、渦旋式、往復(fù)活塞式、搖擺活塞式等類型。不同型式的電動(dòng)空壓機(jī)優(yōu)勢(shì)各不相同，綜合考慮其性能、舒適性、可靠性、成本等，該純電動(dòng)物流車(chē)選用活塞式電動(dòng)空壓機(jī)，其具備排氣壓力高、成熟可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在噪聲較大的情況。

1.3 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)傳統(tǒng)汽車(chē)與電動(dòng)汽車(chē)空壓機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異，電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)初步總體設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。傳統(tǒng)汽車(chē)上，空壓機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)汽車(chē)上，空壓機(jī)由一部小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)。動(dòng)力電池為電機(jī)提供能量，電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照控制策略的規(guī)劃進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 總體設(shè)計(jì)原理圖

1.4 電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)

1.4.1 空壓機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)通用化原則，采用與現(xiàn)有傳統(tǒng)汽車(chē)用活塞式空壓機(jī)相同的缸徑及行程，即65×38(mm)。根據(jù)活塞式空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，為了獲得較好的動(dòng)力平衡性能，空壓機(jī)列數(shù)以等于或多于兩列為宜[1]，本文案例采用直列雙缸結(jié)構(gòu)型式。

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，當(dāng)活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)時(shí)，氣缸內(nèi)的壓縮空氣并不能完全排出，即存在余隙容積，取當(dāng)量余隙行程為3mm。

本文案例空壓機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

表1 空壓機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

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(shù)，考慮到余隙容積導(dǎo)致氣缸內(nèi)工作容積未被充分利用，可通過(guò)計(jì)算獲??；λP為壓力系數(shù)，考慮空氣動(dòng)力阻力，一般取 0.95-0.98；λT為溫度系數(shù)，一般可取0.90-0.98；λg為氣密系數(shù)，一般可取0.90-0.98；λφ為凝析系數(shù)，一般可取0.96-1.0。

式中α為相對(duì)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(guò)程指數(shù)，取1.4。

1.4.5 確定轉(zhuǎn)速

根據(jù)目標(biāo)容積流量 Vm為150L/min，及上述容積效率，由以下公式：

可得轉(zhuǎn)速n為1151 r/min ，為使電動(dòng)空壓機(jī)性能留有一定余量，取轉(zhuǎn)速為 1200r/min，此時(shí)計(jì)算容積流量為 156 L/min ，滿足制動(dòng)系統(tǒng)要求。

1.4.6 驅(qū)動(dòng)功率

指示功率Ni的計(jì)算[2]

h為多變指數(shù)，取1.337。實(shí)際吸氣壓力，取0.09MPa，為實(shí)際排氣壓力，取0.95MPa。

驅(qū)動(dòng)功率N計(jì)算公式[3]

ηm為空氣壓縮機(jī)的機(jī)械效率，取0.8。ηc為空氣壓縮機(jī)的傳動(dòng)效率，取0.96。

由此可得空氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)功率N為1.303kW。

1.4.7 電機(jī)匹配

電機(jī)的主要作用是驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)泵頭運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)空壓機(jī)性能計(jì)算的技術(shù)參數(shù)，匹配電機(jī)時(shí)主要考慮電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)。

根據(jù)空壓機(jī)性能計(jì)算參數(shù)，空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率為 1.303 kW，根據(jù)電機(jī)功率等級(jí)選擇1.5kW，轉(zhuǎn)速為1200r/min，峰值扭矩為40N·m。

電機(jī)的額定電壓需適配儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓平臺(tái)，一般有220V和380V 兩種規(guī)格。本文案例電池電壓平臺(tái)超過(guò)500V，故選用電機(jī)額定電壓為380V。同時(shí)為滿足《電動(dòng)客車(chē)安全技術(shù)條件》[4]，還需考慮電機(jī)的IP防護(hù)等級(jí)、絕緣等級(jí)等。本文最終選擇防護(hù)等級(jí)為IP67，絕緣等級(jí)為H級(jí)。

1.5 電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)降噪設(shè)計(jì)

純電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行時(shí)比較安靜，但活塞式電動(dòng)空壓機(jī)工作噪聲較大，一般活塞式空壓機(jī)工作噪聲可達(dá)到80～85dB，嚴(yán)重影響整車(chē)運(yùn)行時(shí)的舒適性，故在匹配時(shí)需進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)?；钊诫妱?dòng)空壓機(jī)噪聲主要分為進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲、機(jī)械振動(dòng)噪聲和電機(jī)噪聲[5]，其中以進(jìn)氣噪聲和排氣噪聲尤為突出。

1.5.1 進(jìn)氣噪聲

空壓機(jī)在工作過(guò)程中，由于吸氣閥不停地間歇開(kāi)閉，空氣也被間歇地吸入氣缸，因此，在進(jìn)氣管內(nèi)形成了壓力脈動(dòng)氣流，并以聲波的形式從進(jìn)氣口輻射出來(lái)，這就是進(jìn)氣噪聲。進(jìn)氣噪聲基頻f=2n/60，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f=40Hz，此外還有2f、3f……等高次諧波[6]，所以進(jìn)氣噪聲呈明顯的低頻特性。

本文案例中通過(guò)采用進(jìn)氣消聲器降低進(jìn)氣噪聲。針對(duì)進(jìn)氣噪聲的低頻特性，采用抗性擴(kuò)張式消聲器[7]。

1.5.2 排氣噪聲

當(dāng)壓縮氣體從空壓機(jī)排氣閥門(mén)間歇地排出時(shí)，氣體在排氣口周?chē)a(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生排氣噪聲。

圖2 亥姆霍茲共振腔示意圖

圖3 缸蓋結(jié)構(gòu)示意圖

本文案例通過(guò)在缸蓋排氣腔設(shè)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(gè)內(nèi)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(guò)狹窄通道進(jìn)入封閉體內(nèi)。孔頸空氣柱由于共振而激烈運(yùn)動(dòng)，消耗聲波能量。亥姆霍茲共振腔可消耗特定頻率范圍內(nèi)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(zhǎng)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(jī)缸蓋排氣腔內(nèi)設(shè)置共6個(gè)亥姆霍茲共振腔。共振腔體積根據(jù)缸蓋空間結(jié)構(gòu)確定。根據(jù)噪聲頻率范圍基本在700～800Hz，計(jì)算小孔直徑d為2～3mm。

1.6 電動(dòng)空壓機(jī)總成測(cè)試試驗(yàn)

電動(dòng)空壓機(jī)總成測(cè)試為在臺(tái)架上進(jìn)行排氣壓力、容積流量、噪聲、耐久性等進(jìn)行測(cè)試。電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)還需要進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試，如通信匹配、控制匹配、整體效率和能耗、振動(dòng)等。本文主要針對(duì)總成測(cè)試進(jìn)行介紹。

本文案例中電動(dòng)空壓機(jī)總成排氣壓力及容積流量測(cè)試按GB/T 3853 進(jìn)行，噪聲測(cè)試按GB/T 4980 進(jìn)行。主要結(jié)果如表2所示，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2

耐久性測(cè)試按QC/T 29078要求進(jìn)行500小時(shí)后，各性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)。

電動(dòng)空壓機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)還包括排氣溫度、容積效率、容積比能、密封性、隨氣排油量、潤(rùn)滑油消耗量、振動(dòng)烈度、低溫啟動(dòng)性能等試驗(yàn)項(xiàng)目，在此不再贅述。

2 電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)控制邏輯

電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)的控制策略需重點(diǎn)考慮到制動(dòng)安全及電動(dòng)空壓機(jī)安全，并盡量降低能耗。

傳統(tǒng)汽車(chē)空壓機(jī)大部分時(shí)間處于卸荷狀態(tài)，浪費(fèi)了大量能量。本文案例通過(guò)電動(dòng)空壓機(jī)的啟?？刂七_(dá)到降低能耗的目的。

圖4 電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)控制邏輯流程圖

當(dāng)車(chē)輛貯氣筒壓力達(dá)到制動(dòng)系統(tǒng)要求的壓力后，應(yīng)使電動(dòng)空壓機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)以節(jié)省整車(chē)電能。當(dāng)貯氣筒壓力低于制動(dòng)系統(tǒng)規(guī)定的壓力時(shí)，應(yīng)使電動(dòng)空壓機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)為延長(zhǎng)空氣處理單元的壽命，避免氣路積水，電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)的控制策略應(yīng)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(shí)說(shuō)明貯氣筒壓力過(guò)低，低電平時(shí)說(shuō)明貯氣筒壓力已達(dá)到制動(dòng)系統(tǒng)要求的壓力，并且空氣處理單元已完成反吹再生功能。

電動(dòng)空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需監(jiān)控其潤(rùn)滑油壓力。電動(dòng)空壓機(jī)啟動(dòng)后30秒內(nèi)，如果檢測(cè)不到油壓，應(yīng)向整車(chē)控制器報(bào)故障并停機(jī)。油壓信號(hào)通過(guò)電動(dòng)空壓機(jī)上的油壓傳感器反饋給整車(chē)控制器。相關(guān)的邏輯流程如圖4所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著電動(dòng)汽車(chē)的推廣和普及，電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)根據(jù)不同車(chē)型的需求充分考慮電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)的可靠性、舒適性、成本和能耗，理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證缺一不可。本文以某純電動(dòng)物流車(chē)為例，說(shuō)明了電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)工作的內(nèi)容及方法。

同時(shí)，目前汽車(chē)行業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的電動(dòng)空壓機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各空壓機(jī)廠家使用國(guó)標(biāo)、機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者傳統(tǒng)空壓機(jī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。導(dǎo)致不同廠家的產(chǎn)品對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，造成整車(chē)廠試驗(yàn)資源的浪費(fèi)。筆者認(rèn)為應(yīng)盡快出臺(tái)汽車(chē)行業(yè)電動(dòng)空壓機(jī)技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)。

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