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]。由直流電機驅(qū)動真空泵腔室內(nèi)轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動提供及時高效的抽真空性能外，具有長壽命、免維護及高適配性的特點，同時對比由發(fā)動機凸輪軸提供動力的傳統(tǒng)機械泵，因其無需給發(fā)動機提供動力以達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、混動及純電動車?？紤]到電子真空泵為純電動車以及將其作為唯一真空來源的傳統(tǒng)內(nèi)燃機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行占空比選擇上造成連續(xù)工作，以及電子真空泵過熱失效方面介紹相關(guān)注意點和建議。

1 常用壓力控制邏輯方法

電子真空泵在整車上是通過控制繼電器的開合實現(xiàn)通斷，而電子真空泵的開啟和關(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行時建立（增大），在完成剎車動作后消耗（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并控制，也就是說控制器在接收到壓力傳感器給的真空度或壓力信號后輸出指令控制繼電器開合從而控制電子真空泵的運行和停止。

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)為絕對壓力、壓力差、真空泵開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

剎車踏板動作和助力器內(nèi)壓力變化以及對應(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

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控制真空泵的開啟和關(guān)閉，周圍環(huán)境大氣壓由整車上的絕對環(huán)境壓力傳感器測得。例如周圍環(huán)境大氣壓是一個標準 大氣壓1000 mbar，那它100%的壓力為1000 mbar，如果把真空泵開啟和關(guān)閉的閥值設(shè)定為一個標準環(huán)境大氣壓的50%和70%，就意味著真空泵可以提供的一個標準環(huán)境大氣壓50%和70%真空度，那對應(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（開啟閥值?關(guān)閉閥值）變小，相應(yīng)的真空助力FB也會減小，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：

圖6 壓力梯度斜率示意圖

1）更精確識別壓力隨時間的變化；2）更早識別到系統(tǒng)異常；3）更好識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，斜率能更好識別系統(tǒng)異常，例如小的系統(tǒng)漏氣等。

1.3 絕對壓力值控制

絕對壓力值控制是通過助力器內(nèi)的絕對壓力固定值（常量）來實現(xiàn)對真空泵啟停的控制，助力器內(nèi)需要有一個絕對壓力傳感器來控制真空泵的開啟和關(guān)閉。其不足點為助力器內(nèi)壓力與外鏡壓力的差值ΔP，會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

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

壓力差控制的優(yōu)勢是因助力器內(nèi)的壓力相對環(huán)境絕對壓力的壓力差ΔP是一個常數(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。它的缺點是在高海拔的情況下有使真空泵長轉(zhuǎn)導(dǎo)致失效的風(fēng)險，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，壓力開關(guān)的精度也會影響實際的真空泵關(guān)閉壓力值，從而造成真空泵長轉(zhuǎn)的風(fēng)險，如圖9所示，故在定義壓力差ΔP時，需要考慮壓力開關(guān)自身的壓力控制精度。

圖9 高海拔與壓力開關(guān)精度下的壓差ΔP

各控制方法的優(yōu)劣點如表1所示。

表1 各控制方法的優(yōu)劣點

2 電子真空泵運行占空比選擇

真空泵運行占空比是真空泵的工作運行時間與一個真空泵啟停周期總時間的比值。占空比越高代表真空泵運行時間長且頻繁，因此，容易造成真空泵過熱影響使用壽命甚至燒壞，即由電機開路或者卡死導(dǎo)致無功能。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發(fā)階段就基本對標整車電壓，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）影響真空泵運行時間和氣流散熱，壓力差越大真空泵工作時間越長；關(guān)閉壓力值越低，即真空度越高，真空泵工作時間越長且從助力器端進氣的氣流越少，真空泵發(fā)熱越快，對真空泵散熱越差。

一般情況下電子真空泵在開發(fā)實驗階段，需和整車廠討論確定常用的開啟和關(guān)閉壓力值，一般常用的控制真空泵啟停壓力值以環(huán)境絕對氣壓的50%作為開啟壓力值；環(huán)境絕對氣壓的70%或者75%作為關(guān)閉壓力值，即真空泵工作時的壓力范圍是環(huán)境絕對氣壓的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（空氣對流）

環(huán)境溫度越高、空氣對流越差，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發(fā)實驗階段被要求在-40～120 °C和無空氣對流條件下進行耐久驗證，故此條件嚴于整車實際應(yīng)用環(huán)境條件。

基于以上條件，測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 真空泵實驗時溫度探測點位置

因整車實際需要，會對控制真空泵的啟停壓力值和運行占空比進行調(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行占空比，即提高真空泵的運行時間和頻率。這時就需要在整車系統(tǒng)參數(shù)驗證時，監(jiān)控真空泵頂端中心在工作時的最高溫度，應(yīng)考慮其不高于電子真空泵在其臺架耐久實驗時測得的溫度，從而避免因占空比過高導(dǎo)致真空泵過熱失效。

3 電子真空泵整車系統(tǒng)驗證和分析方法

在對電子真空泵進行剎車系統(tǒng)標定時，為了對比真空泵在臺架實驗和整車系統(tǒng)條件驗證下，各性能參數(shù)表現(xiàn)，識別真空泵潛在失效風(fēng)險，對真空泵在整車系統(tǒng)驗證條件下進行抽氣效率、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-進氣歧管連接簡圖，剎車系統(tǒng)中與電子真空泵相關(guān)的主要零件為1）進氣歧管：針對傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車由發(fā)動機通過進氣歧管提供真空，電子真空泵作為輔助提供真空，純電動汽車不適用；2）電子真空泵：提供真空執(zhí)行器；3）助力器：通過內(nèi)外壓力差實現(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：單向閥；7）EC3：控制單元。

圖11 電子真空泵-助力器-進氣歧管連接簡圖

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0.1 ?的電阻，并通過這個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。

通過以上試驗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)能達到的最大真空度：通過P2獲得（P4僅用于故障分析時對P2的確認），也能對比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)對真空泵抽氣效率的影響即抽氣時間：通過P2和P6測得達到相同真空度時所需的時間差；

3）單向閥對抽氣性能的影響：可以通過P和P1、P2、P6的對比測得各個單向閥對抽氣時間的影響，尤其在低溫、高真空度、冷啟動情況下膜片式單向閥打開延遲的風(fēng)險；

4）真空泵工作電流：可以及時發(fā)現(xiàn)真空泵是否存在異常；

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

通過系統(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得的數(shù)據(jù)來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。舉例說明在已知真空泵相關(guān)性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，對比剎車系統(tǒng)實驗條件下相對應(yīng)的性能參數(shù)“Y”值可知系統(tǒng)對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)對比剎車系統(tǒng)參數(shù)

另外，以上方法也適用對系統(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，需注意真空泵因過熱導(dǎo)致的失效，建議整車進行模擬測試并監(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)計包括 連接方式、單向閥結(jié)構(gòu)和數(shù)量對系統(tǒng)性能參數(shù)的影響，建議整車進行模擬測試并監(jiān)控系統(tǒng)性能參數(shù)和真空泵工作性能參數(shù)。