霍新強(qiáng)

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海200438）

純電動(dòng)汽車電動(dòng)空壓機(jī)控制方案設(shè)計(jì)

霍新強(qiáng)

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海200438）

電動(dòng)空壓機(jī)是電動(dòng)汽車的主要?dú)庠?，針?duì)其連續(xù)工作壽命短、在卸荷狀態(tài)下能量消耗大的問題，本文提出了純電動(dòng)汽車電動(dòng)空壓機(jī)的控制方案，延長(zhǎng)了電動(dòng)空壓機(jī)的使用壽命，降低了純電動(dòng)汽車的電耗。

純電動(dòng)汽車；電動(dòng)空壓機(jī)；控制方案

近年來(lái)，電動(dòng)汽車在國(guó)家政策的引導(dǎo)下如雨后春筍般蓬勃發(fā)展。大部分電動(dòng)商用車，如電動(dòng)大中型客車、物流車等通常采用氣制動(dòng)系統(tǒng)、空氣懸架系統(tǒng)和氣動(dòng)門泵，這些都需要?dú)庠础ｋ妱?dòng)空壓機(jī)是這些電動(dòng)車輛的主要?dú)庠?，目前電?dòng)汽車用的電動(dòng)空壓機(jī)種類比較多，使用壽命是電動(dòng)空壓機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)，節(jié)能也是電動(dòng)空壓機(jī)選型要考慮的因素。

1 設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)商用車一般使用活塞式空壓機(jī)，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用壓力調(diào)節(jié)閥控制壓力，當(dāng)儲(chǔ)氣筒中氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值時(shí)，打開壓力調(diào)節(jié)閥放氣；當(dāng)壓力低于預(yù)設(shè)的下限值時(shí)，關(guān)閉壓力調(diào)節(jié)閥。壓力調(diào)節(jié)閥開關(guān)動(dòng)作比較頻繁，但空壓機(jī)隨發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。一般使用2～3年需要更換活塞環(huán)（大修），以便延長(zhǎng)空壓機(jī)壽命。而電動(dòng)汽車上所用的電動(dòng)空壓機(jī)如果像傳統(tǒng)空壓機(jī)那樣連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)不停機(jī)，不但電動(dòng)空壓機(jī)壽命短，而且發(fā)熱多、耗能大，發(fā)出的熱量還影響其他部件的工作。所以對(duì)電動(dòng)空壓機(jī)進(jìn)行起?？刂坪苡斜匾?，只要能使儲(chǔ)氣筒中的氣壓保持在一定的范圍內(nèi)，即可滿足車輛的用氣要求。

一般儲(chǔ)氣筒的氣壓下限應(yīng)高于車橋制動(dòng)氣室抱死壓力0.1 MPa以上，上限應(yīng)不低于GB 7258-2012[1]的要求，而且電動(dòng)空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮空氣的實(shí)際時(shí)間約為整個(gè)行車時(shí)間的1/3或1/4[2]。

針對(duì)目前電動(dòng)汽車使用的電動(dòng)空壓機(jī)，為提高其使用壽命和節(jié)能，筆者提出一個(gè)關(guān)于電動(dòng)汽車的電動(dòng)空壓機(jī)控制方案，控制原理如圖1所示。

電動(dòng)空壓機(jī)的控制主要是按照儲(chǔ)氣筒中的氣壓P對(duì)電動(dòng)空壓機(jī)進(jìn)行起停控制，保證儲(chǔ)氣筒中的氣壓P在設(shè)置的上下限值之間；但電動(dòng)空壓機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還必須保證其潤(rùn)滑等輔助系統(tǒng)能夠可靠地工作。有些電動(dòng)空壓機(jī)，比如活塞式、滑片式、螺桿式等，使用機(jī)油潤(rùn)滑，電動(dòng)空壓機(jī)自帶機(jī)油潤(rùn)滑系統(tǒng)，這些統(tǒng)稱有油電動(dòng)空壓機(jī)；為了保證潤(rùn)滑，預(yù)防機(jī)油乳化，需要對(duì)機(jī)油的油壓、油溫[3]等進(jìn)行檢測(cè)、控制，這些需要監(jiān)測(cè)的油壓、油溫等輔助性信號(hào)，統(tǒng)稱為電動(dòng)空壓機(jī)的輔助信號(hào)。還有一些電動(dòng)空壓機(jī)，不使用機(jī)油潤(rùn)滑，比如渦旋式電動(dòng)空壓機(jī)、活塞式無(wú)油電動(dòng)空壓機(jī)等，統(tǒng)稱無(wú)油電動(dòng)空壓機(jī)[4]。所以電動(dòng)空壓機(jī)的控制包括輔助信號(hào)的控制和氣壓的控制。

如圖1所示，電動(dòng)空壓機(jī)起動(dòng)前，首先監(jiān)測(cè)其油溫、油壓等輔助信號(hào)，如果輔助信號(hào)不滿足要求，比如起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)前，油泵沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)法建立油壓，油溫也可能較低。在這種情況下可先起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并開始計(jì)時(shí)t，如果在設(shè)定的時(shí)限t0內(nèi)，輔助信號(hào)達(dá)到要求則將計(jì)時(shí)t清零，開始監(jiān)控儲(chǔ)氣筒氣壓P；如果達(dá)到設(shè)定的時(shí)限t0，輔助信號(hào)仍無(wú)法達(dá)到要求，則將計(jì)時(shí)t清零，停機(jī)報(bào)警。有些電動(dòng)空壓機(jī)，如無(wú)油電動(dòng)空壓機(jī)，沒有以上輔助信號(hào)，則略去以上輔助信號(hào)的控制，直接監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣筒氣壓P進(jìn)入氣壓控制循環(huán)。

如圖1所示，控制系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣筒中的氣壓P，當(dāng)儲(chǔ)氣筒中氣壓達(dá)到設(shè)定的上限值時(shí)，電動(dòng)空壓機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，不再壓縮空氣。隨著制動(dòng)系統(tǒng)、空氣懸架系統(tǒng)、門泵等氣壓裝置的使用，儲(chǔ)氣筒中的壓縮空氣不斷被消耗，氣壓下降，當(dāng)氣壓達(dá)到設(shè)定的下限值時(shí)，電動(dòng)空壓機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，繼續(xù)向儲(chǔ)氣筒中充氣。電動(dòng)空壓機(jī)的起?？梢酝ㄟ^控制系統(tǒng)發(fā)出起停信號(hào)，電動(dòng)空壓機(jī)的電源（逆變器）根據(jù)這個(gè)起停信號(hào)，通過接通或切斷電源來(lái)實(shí)現(xiàn)起停功能[5]。

2 設(shè)計(jì)方案

對(duì)于上述設(shè)計(jì)思路，參照工作實(shí)踐，設(shè)計(jì)了4種電動(dòng)汽車電動(dòng)空壓機(jī)的控制方案。這些方案均可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)空壓機(jī)的起?？刂?，以減少電動(dòng)空壓機(jī)對(duì)電量的消耗，延長(zhǎng)了電動(dòng)空壓機(jī)的使用壽命，同時(shí)降低了成本。

空氣經(jīng)過壓縮后，水氣會(huì)凝結(jié)成液態(tài)水，這些水一旦遇冷結(jié)冰，氣管路將無(wú)法正常工作。每次電動(dòng)空壓機(jī)停機(jī)后，干燥器必須立即排氣排水，保證盡量少的水進(jìn)入儲(chǔ)氣筒[6-10]。

為了保證電動(dòng)空壓機(jī)順利起動(dòng)運(yùn)行，每次停機(jī)后，必須排出電動(dòng)空壓機(jī)到干燥器之間管路中的高壓氣體，以防電動(dòng)空壓機(jī)下次帶載起動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)過載。

所以，電動(dòng)空壓機(jī)的控制器系統(tǒng)除了輔助信號(hào)和氣壓信號(hào)P的控制外，還要考慮電動(dòng)空壓機(jī)停機(jī)后干燥器的排氣、排水控制和電動(dòng)空壓機(jī)到干燥器之間管路的排氣控制。

2.1 控制方案一

對(duì)于有輔助信號(hào)需要控制的電動(dòng)空壓機(jī)，可以采用電控干燥器和ECU來(lái)控制，如圖2所示。

電控干燥器除了具有一般干燥器的功能外，還帶有壓力傳感器，可以輸出氣壓信號(hào)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的下限值時(shí)輸出高電平（24 V）；氣壓上升，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值時(shí)轉(zhuǎn)換成低電平（0 V）。氣壓信號(hào)由高電平轉(zhuǎn)換成低電平時(shí)，電控干燥器自動(dòng)控制反吹一次，從排氣口3排氣、排水一次；在反吹排氣、排水的同時(shí)，將電動(dòng)空壓機(jī)到干燥器的管路中的高壓空氣排出，防止帶載起動(dòng)。

如圖2所示，空氣從電動(dòng)空壓機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)入電動(dòng)空壓機(jī)壓縮后，經(jīng)管路從電控干燥器的進(jìn)氣口1進(jìn)入干燥器，干燥后從出氣口21排出經(jīng)管路進(jìn)入儲(chǔ)氣筒。

輔助信號(hào)從電動(dòng)空壓機(jī)上采集，為開關(guān)信號(hào)，輸入ECU，滿足要求時(shí)為高電平，不滿足要求時(shí)為低電平；氣壓信號(hào)由電控干燥器發(fā)出，也為開關(guān)信號(hào)，輸入ECU，氣壓低于設(shè)置的下限時(shí)為高電平；當(dāng)氣壓升到設(shè)置的上限時(shí)，轉(zhuǎn)為低電平；當(dāng)氣壓降到設(shè)置的下限時(shí)，再轉(zhuǎn)為高電平。

ECU按照?qǐng)D1控制原理所示的流程進(jìn)行控制，輸出起停信號(hào)。在剛起動(dòng)時(shí)，輸入ECU的輔助信號(hào)可能不滿足要求，為低電平，如果氣壓信號(hào)為高電平，則電動(dòng)空壓機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；如果在設(shè)定的時(shí)限t0內(nèi)，輔助信號(hào)滿足要求，則按照流程，繼續(xù)監(jiān)測(cè)氣壓；反之如果在設(shè)定的時(shí)限t0內(nèi)，輔助信號(hào)不能滿足要求則停機(jī)報(bào)警；如果輔助信號(hào)為滿足要求的高電平，氣壓信號(hào)也為高電平，則ECU輸出起停信號(hào)為高電平，逆變器輸出高壓電到電動(dòng)空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電動(dòng)空壓機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；如果輔助信號(hào)為高電平，氣壓信號(hào)為低電平，則ECU輸出起停信號(hào)為低電平，逆變器停止輸出高壓電到電動(dòng)空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電動(dòng)空壓機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 控制方案二

對(duì)于沒有輔助信號(hào)需要控制的電動(dòng)空壓機(jī)，也可以取消ECU，只采用電控干燥器直接控制[11]。

電動(dòng)空壓機(jī)的起?；就刂品桨敢唬c方案一不同的是，該方案只有電控干燥器采集氣壓信號(hào)，該氣壓信號(hào)就是起?？刂菩盘?hào)。當(dāng)電控干燥器監(jiān)測(cè)到儲(chǔ)氣筒和氣管路中的氣壓低于預(yù)設(shè)的下限值時(shí)，電控干燥器輸出的氣壓信號(hào)為高電平，即起停信號(hào)為高電平；當(dāng)電控干燥器監(jiān)測(cè)到儲(chǔ)氣筒和氣管路中的氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值時(shí)，電控干燥器輸出的氣壓信號(hào)轉(zhuǎn)為低電平，即起停信號(hào)為低電平。

干燥器的反吹排氣、排水和電動(dòng)空壓機(jī)到干燥器的管路中的高壓空氣的卸壓同控制方案一，由電控干燥器自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

2.3 控制方案三

對(duì)于有輔助信號(hào)需要控制的電動(dòng)空壓機(jī)，如果整車使用普通干燥器，也可以采用壓力開關(guān)和ECU來(lái)控制，但需要增加干燥器排氣排水的控制系統(tǒng)，如圖3所示。

壓力開關(guān)負(fù)責(zé)采集壓力信號(hào)，壓力開關(guān)的①為低壓電源輸入端，壓力開關(guān)輸出端根據(jù)輸入的氣壓大小在②和③之間切換，當(dāng)輸入的氣壓低于預(yù)設(shè)的下限值時(shí)切換到輸出端③，高電平信號(hào)進(jìn)入ECU；當(dāng)輸入的氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值時(shí)切換到輸出端②，驅(qū)動(dòng)二位三通電磁閥切換。

如圖3所示，空氣從電動(dòng)空壓機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)入電動(dòng)空壓機(jī)壓縮后，經(jīng)管路從干燥器的進(jìn)氣口1進(jìn)入干燥器，干燥后從出氣口21和22排出經(jīng)管路分別進(jìn)入儲(chǔ)氣筒和再生筒（一般5 L左右）。從儲(chǔ)氣筒上接出一路壓縮空氣，經(jīng)過三通分別進(jìn)入壓力開關(guān)和二位三通電磁閥，進(jìn)入壓力開關(guān)的壓縮空氣用于監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣筒壓力，產(chǎn)生氣壓信號(hào)；進(jìn)入二位三通電磁閥的壓縮空氣由該電磁閥控制經(jīng)過管路從干燥器的控制口4進(jìn)入干燥器。

輔助信號(hào)從電動(dòng)空壓機(jī)上采集，為開關(guān)信號(hào)，輸入ECU，滿足要求時(shí)為高電平，不滿足要求時(shí)為低電平；氣壓信號(hào)由壓力開關(guān)采集，也為開關(guān)信號(hào)，氣壓低于設(shè)置的下限時(shí)，壓力開關(guān)輸出端切換到③，輸入ECU的信號(hào)為高電平；當(dāng)氣壓達(dá)到設(shè)置的上限時(shí)，壓力開關(guān)輸出端切換到②，輸出端③輸入ECU的信號(hào)轉(zhuǎn)為低電平。

ECU按照?qǐng)D1控制原理所示的流程進(jìn)行控制，輸出起停信號(hào)，控制策略同控制方案一。

干燥器的反吹排氣、排水和電動(dòng)空壓機(jī)到干燥器的管路中的高壓空氣卸壓由壓力開關(guān)、二位三通電磁閥和再生筒等零部件配合完成。當(dāng)儲(chǔ)氣筒氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值時(shí)，壓力開關(guān)輸出端切換到②，驅(qū)動(dòng)二位三通電磁閥切換到圖示左側(cè)位置（通電前處于右側(cè)位置，儲(chǔ)氣筒來(lái)的管路處于關(guān)閉狀態(tài)，干燥器控制口4與大氣接通），與儲(chǔ)氣筒連接的管路中的壓縮空氣進(jìn)入干燥器的控制口4，干燥器接到控制信號(hào)，打開22口，再生筒中壓縮空氣從22口進(jìn)入干燥器，反吹一次，從排氣口3排氣、排水一次；在反吹排氣、排水的同時(shí)，將電動(dòng)空壓機(jī)到干燥器的管路中的高壓空氣排出，防止帶載起動(dòng)。

2.4 控制方案四

對(duì)于沒有輔助信號(hào)需要控制的電動(dòng)空壓機(jī)，如果整車使用普通干燥器，也可以取消ECU，只采用壓力開關(guān)直接控制。

電動(dòng)空壓機(jī)的起停基本同控制方案三，與方案三不同的是，該方案只有壓力開關(guān)采集氣壓信號(hào)，該氣壓信號(hào)就是起?？刂菩盘?hào)。當(dāng)輸入壓力開關(guān)的氣壓低于預(yù)設(shè)的下限值時(shí)，輸出端③輸出高電平，即起停信號(hào)為高電平；當(dāng)輸入的氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值時(shí)，輸出端③輸出轉(zhuǎn)為低電平，即起停信號(hào)為低電平，這時(shí)輸出端②為高電平，驅(qū)動(dòng)二位三通電磁閥切換。

干燥器的反吹排氣、排水和電動(dòng)空壓機(jī)到干燥器管路中的高壓空氣卸壓控制，與控制方案三相同。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的4種電動(dòng)空壓機(jī)的控制方案均經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，可以滿足不同的電動(dòng)空壓機(jī)的控制。試驗(yàn)表明，電動(dòng)汽車用電動(dòng)空壓機(jī)如果不使用起?？刂?，壽命大約為2～3年；而使用了起停控制，由于電動(dòng)空壓機(jī)的工作時(shí)間減小為原來(lái)的1/3或1/4，壽命可以增加至與整車一樣的8年；電機(jī)空壓機(jī)消耗的能量相應(yīng)地減少為原來(lái)的1/3或1/4。一般商用車空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)消耗的功率占發(fā)動(dòng)機(jī)總功率的2%左右，其中很大一部分能量轉(zhuǎn)化成熱量損失掉了[2]；電動(dòng)汽車如果使用帶起停控制的電動(dòng)空壓機(jī)，可以節(jié)能66%～75%，從而增加續(xù)駛里程，減輕電動(dòng)汽車的“里程焦慮癥”。電動(dòng)空壓機(jī)發(fā)出的熱量同樣減少，如果再采用隔板將電動(dòng)空壓機(jī)艙與其他艙體分開，阻擋熱量的傳遞，可以有效地減小電動(dòng)空壓機(jī)對(duì)其他部件的影響。

[1]公安部道路交通管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件：GB7258-2012[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012：5.

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[8]全國(guó)壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).壓縮空氣干燥器第1部分：規(guī)范與試驗(yàn)：GB/T10893.1-2012[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

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[11]楊國(guó)華，韋書達(dá)，招思安.電動(dòng)客車空氣管路氣壓控制的另一途徑[J].客車技術(shù)與研究，2012，34（2）：32-34.

修改稿日期：2016-11-22

Control Scheme Design of Electric Air-compressor for Pure Electric Vehicles

HuoXinqiang
（Commercial Vehicle Technical Center ofSAICMotor Co.,Ltd,Shanghai 200438,China）

The electric air-compressor is the main air source of an electric vehicle,but it has two problems that are short service life under continuous working and high energy consumption under unloading.The author puts forward the control scheme of the electric air-compressor for the pure electric vehicle to extend the service life of the air compressor and reduce the electric prower consumption.

pure electric vehicle;electric air-compressor;control scheme

U469.72；U463.5

B

1006-3331（2017）02-0022-04

霍新強(qiáng)（1976-），男，工程師；主要從事新能源動(dòng)力系統(tǒng)的集成工作。