1  前言

近年來，新能源汽車在國家政策的引導(dǎo)下蓬勃發(fā)展。目前大多數(shù)的電動商用車，如純電動客車、純電動物流車、純電動洗掃車等都采用氣壓制動系統(tǒng)及氣動門控系統(tǒng)。電動空氣壓縮機系統(tǒng)（簡稱電動空壓機系統(tǒng)）為整車氣壓制動系統(tǒng)及其他輔助用氣系統(tǒng)提供氣源，是電動商用車必不可少的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。電動空壓機系統(tǒng)的匹配設(shè)計，將直接關(guān)系到整車的安全性、舒適性、成本和能耗。因此，在設(shè)計時需根據(jù)整車需求匹配合適的電動空壓機，并采取合理的控制策略。

2  匹配設(shè)計內(nèi)容

電動空壓機系統(tǒng)包括電動空壓機、電機控制器以及空氣處理單元、傳輸管路、高低壓線路等。其中電動空壓機又由電機和空壓機組成。本文以某純電動物流車為例，介紹電動空壓機系統(tǒng)的匹配設(shè)計。

2.1電動空壓機系統(tǒng)匹配設(shè)計目標(biāo)
電動空壓機系統(tǒng)匹配設(shè)計目標(biāo)包括性能、舒適性和耐久性。
其中性能目標(biāo)包括排氣壓氣和容積流量。根據(jù)整車制動系統(tǒng)及國標(biāo)GB 7258的要求，排氣壓力應(yīng)不小于0.95MPa。根據(jù)GB12676-2014中對整車制動系統(tǒng)充氣時間的要求以及貯氣筒總?cè)莘e，計算可得容積流量應(yīng)不小于150L/min。
舒適性目標(biāo)主要是指電動空壓機的噪聲。由于電動汽車目前沒有噪音限制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可參考，對標(biāo)市場上噪音比較小的電動空壓機，如滑片式及螺桿式電動空壓機，確定電動空壓機按GB/T 4980要求的方法測試，噪聲應(yīng)不大于72dB。
耐久性目標(biāo)為按QC/T 29078 的要求進行500小時耐久性試驗后，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。

2.2空壓機選型
根據(jù)空壓機泵頭型式的不同，電動空壓機可分為滑片式、螺桿式、渦旋式、往復(fù)活塞式、搖擺活塞式等類型。不同型式的電動空壓機優(yōu)勢各不相同，綜合考慮其性能、舒適性、可靠性、成本等，該純電動物流車選用活塞式電動空壓機，其具備排氣壓力高、成熟可靠、成本低等優(yōu)點，但也存在噪聲較大的情況。

2.3總體設(shè)計
根據(jù)傳統(tǒng)汽車與電動汽車空壓機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異，電動空壓機系統(tǒng)初步總體設(shè)計原理圖如圖1所示。傳統(tǒng)汽車上，空壓機由發(fā)動機驅(qū)動。電動汽車上，空壓機由一部小型電機驅(qū)動。動力電池為電機提供能量，電機控制器驅(qū)動電機按照控制策略的規(guī)劃進行運轉(zhuǎn)。



2.4電動空壓機系統(tǒng)性能設(shè)計
2.4.1 空壓機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
根據(jù)通用化原則，采用與現(xiàn)有傳統(tǒng)汽車用活塞式空壓機相同的缸徑及行程，即65×38(mm)。根據(jù)活塞式空壓機的結(jié)構(gòu)特性，為了獲得較好的動力平衡性能，空壓機列數(shù)以等于或多余兩列為宜，本文案例采用直列雙缸結(jié)構(gòu)型式。
由于結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，當(dāng)活塞運行到上止點時，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。
本文案例空壓機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。






2.4.7 電機匹配
電機的主要作用是驅(qū)動空壓機泵頭運轉(zhuǎn)，根據(jù)空壓機性能計算的技術(shù)參數(shù)，匹配電機時主要考慮電機的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)。
根據(jù)空壓機性能計算參數(shù)，空壓機的驅(qū)動功率為1.303kW，根據(jù)電機功率等級選擇1.5kW，轉(zhuǎn)速為1200r/min，峰值扭矩為40N·m。
電機的額定電壓需適配儲能系統(tǒng)的電壓平臺，一般有220V和380V兩種規(guī)格。本文案例電池電壓平臺超過500V，故選用電機額定電壓為380V 。同時為滿足《電動客車安全技術(shù)條件》，還需考慮電機的IP防護等級、絕緣等級等。本文最終選擇防護等級為IP67，絕緣等級為H級。

2.5電動空壓機系統(tǒng)降噪設(shè)計
純電動汽車運行時比較安靜，但活塞式電動空壓機工作噪聲較大，一般活塞式空壓機工作噪聲可達到80~85dB，嚴(yán)重影響整車運行時的舒適性，故在匹配時需進行降噪設(shè)計。活塞式電動空壓機噪聲主要分為進氣噪聲、排氣噪聲、機械振動噪聲和電機噪聲，其中以進氣噪聲和排氣噪聲尤為突出。

2.5.1進氣噪聲
空壓機在工作過程中，由于吸氣閥不停地間歇開閉，空氣也被間歇地吸入氣缸，因此，在進氣管內(nèi)形成了壓力脈動氣流，并以聲波的形式從進氣口輻射出來，這就是進氣噪聲。進氣噪聲基頻f=2n/60，n為電機轉(zhuǎn)速，f=40Hz，此外還有2f、3f……等高次諧波，所以進氣噪聲呈明顯的低頻特性。
本文案例中通過采用進氣消聲器降低進氣噪聲。針對進氣噪聲的低頻特性，采用抗性擴張式消聲器。

2.5.2 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。



本文案例通過在缸蓋排氣腔設(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，以便聲波通過狹窄通道進入封閉體內(nèi)。孔頸空氣柱由于共振而激烈運動，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。消耗聲波的頻率由共振腔體積V、孔頸直徑d、孔頸長度l以及聲速c決定。

如圖3所示，在空壓機缸蓋排氣腔內(nèi)設(shè)置共6個亥姆霍茲共振腔。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，計算小孔直徑d為2~3mm。

2.6電動空壓機總成測試試驗
電動空壓機總成測試為在臺架上進行排氣壓力、容積流量、噪聲、耐久性等進行測試。電動空壓機系統(tǒng)還需要進行實車測試，如通信匹配、控制匹配、整體效率和能耗、振動等。本文主要針對總成測試進行介紹。
本文案例中電動空壓機總成排氣壓力及容積流量測試按GB/T 3853 進行，噪聲測試按GB/T 4980 進行。主要結(jié)果如表2所示，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。



耐久性測試按QC/T 29078要求進行500小時后，各性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，達成設(shè)計目標(biāo)。
電動空壓機臺架試驗還包括排氣溫度、容積效率、容積比能、密封性、隨氣排油量、潤滑油消耗量、振動烈度、低溫啟動性能等試驗項目，在此不再贅述。

3 電動空壓機系統(tǒng)控制邏輯

電動空壓機系統(tǒng)的控制策略需重點考慮到制動安全及電動空壓機安全，并盡量降低能耗。
傳統(tǒng)汽車空壓機大部分時間處于卸荷狀態(tài)，浪費了大量能量。本文案例通過電動空壓機的啟停控制達到降低能耗的目的。
當(dāng)車輛貯氣筒壓力達到制動系統(tǒng)要求的壓力后，應(yīng)使電動空壓機停止運轉(zhuǎn)以節(jié)省整車電能。當(dāng)貯氣筒壓力低于制動系統(tǒng)規(guī)定的壓力時，應(yīng)使電動空壓機開始運轉(zhuǎn)。同時為延長空氣處理單元的壽命，避免氣路積水，電動空壓機系統(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說明貯氣筒壓力過低，低電平時說明貯氣筒壓力已達到制動系統(tǒng)要求的壓力，并且空氣處理單元已完成反吹再生功能。
電動空壓機運轉(zhuǎn)時需監(jiān)控其潤滑油壓力。電動空壓機啟動后30秒內(nèi)，如果檢測不到油壓，應(yīng)向整車控制器報故障并停機。油壓信號通過電動空壓機上的油壓傳感器反饋給整車控制器。相關(guān)的邏輯流程如圖4所示。

4  結(jié)束語

隨著電動汽車的推廣和普及，電動空壓機系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛。在實際設(shè)計工作中，應(yīng)根據(jù)不同車型的需求充分考慮電動空壓機系統(tǒng)的可靠性、舒適性、成本和能耗，理論計算和試驗驗證缺一不可。本文以某純電動物流車為例，說明了電動空壓機系統(tǒng)匹配設(shè)計工作的內(nèi)容及方法。
同時，目前汽車行業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的電動空壓機技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各空壓機廠家使用國標(biāo)、機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者傳統(tǒng)空壓機標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計和試驗。導(dǎo)致不同廠家的產(chǎn)品對比標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，造成整車廠試驗資源的浪費。筆者認(rèn)為應(yīng)盡快出臺汽車行業(yè)電動空壓機技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)。