純電動城市客車電動空壓機與儲氣筒容積匹配分析

唐瑜亮， 楊曉云

（廣西汽車集團有限公司， 桂林客車發展有限責任公司， 廣西 桂林 541805）

從國際汽車發展趨勢來看，發展電動汽車是提高汽車產業競爭力、保障能源安全和發展低碳經濟的重要途徑，也是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路。

汽車制動系統結構和性能直接關系到車輛、人員的安全，是汽車的重要安全件。電動空壓機及儲氣筒作為制動系統的供能及儲能裝置，其匹配的準確性是決定純電動城市客車制動性能的關鍵要素。

未來純電動城市客車會進入無補貼時代，客戶選車補貼引導因素將減弱，根據真實需求選擇車型大小，對6米純電動城市客車車型需求會增加。因此本文以一款6米純電動城市客車為例，對電動空氣壓縮機（簡稱電動空壓機） 與制動系統儲氣筒容積匹配性進行設計、計算及分析。

1 氣壓制動系統的基本組成及布置原理圖

1.1 氣壓制動系統的基本組成

氣壓制動系統由供能裝置、控制裝置、傳動裝置、制動器4部分組成。

1） 供能裝置包括產生氣壓能的電動空壓機、積儲氣壓能的儲氣筒、將氣壓限制在安全范圍內的調壓閥及安全閥；改善傳能介質（空氣） 狀態的進氣濾清器、排氣濾清器、管道濾清器、油水分離器、空氣干燥器、防凍器等；在一個回路失效時用以保護其余回路，使其中氣壓能不受損失的多回路壓力保護閥等。

2） 控制裝置包括制動踏板、拉桿、雙腔控制閥、快放閥、繼動閥等。

3） 傳動裝置主要包括各部分管路。

4） 制動器包括各車輪上的鼓式或盤式制動器。

1.2 氣壓制動系統布置圖

典型的氣壓制動系統如圖1所示。駐車功能集成于后制動器，彈簧儲能，駐車制動閥控制。

2 儲氣筒容積及制動次數的計算、校核

整車儲氣筒容積大小應適當，過大充氣時間過長，延長電動空壓機工作時間，造成電能的浪費，導致整車續航里程下降；過小每次制動后儲氣筒中壓力降落太大，因而電動空壓機停止工作時可能導致的有效制動次數太少。因此儲氣筒的容積與空氣壓縮機的匹配很重要。

儲氣筒應有較大的容積儲備，足夠儲氣筒容積是保證制動效能穩定性的重要因素之一。儲氣筒容積的計算包括前儲氣筒、后儲氣筒、手制動儲氣筒及輔助儲氣筒。

2.1 制動標準要求

根據文獻［1］的相關要求：儲氣筒的容量應保證在額定工作氣壓且不繼續充氣的情況下，機動車在連續5次踩到底的全行程制動后，氣壓不低于起步氣壓。

根據文獻［2］的相關要求：機動車輛的儲能裝置 （儲氣筒） 應確保對行車制動系統控制裝置進行8次全行程促動后，儲能裝置中剩余的壓力不應低于規定的應急制動性能所需的壓力。

對機動車輛，在彈簧壓縮腔的初始壓力等于最大設計壓力的情況下，彈簧制動系統的設計應保證至少能夠進行3次“制動-解除制動”操作。

圖1 氣壓制動系統布置圖

2.2 儲氣筒容積、壓力參數

6米純電動城市客車儲氣筒容積、壓力參數見表1。

表1 儲氣筒容積、 壓力參數

制動前，儲氣筒、供氣管路與（前、后、駐車） 促動管路、制動氣室隔絕。制動前氣室壓力腔容積為零。則制動前由儲氣筒——供氣管路——促動管路——制動氣室中空氣的絕對壓力與容積的乘積之總和為：∑PV=P×（V儲氣筒+∑V供氣管路）；完全制動時，儲氣筒中的壓縮空氣從供氣管路經制動閥進入所有促動管路和各制動氣室，（∑PV）′=Pi×（V儲氣筒+∑V供氣管路）+0.6×（V促動管路+V氣室），Pi為第i次全制動后系統的壓力。

對于氣壓制動的車輛，為了在電動空壓機停止工作的時間內仍能保證制動系統及其它氣動裝置正常工作，通常按制動壓力為0.6～0.65MPa 來計算、校核制動效能，因此取0.6MPa來計算制動次數計算。

假設制動系統氣體的溫度與外界溫度基本相同，系統中空氣的膨脹過程為等溫過程，則：∑PV=（∑PV）′，可以根據以上公式計算制動系統的壓力及其壓力變化值，來確定各制動次數，見表2。

表2 制動次數

2.3 輔助儲氣筒容積

輔助儲氣筒容積需要考慮門窗啟閉機構、氣喇叭等用氣。依據經驗，為提高電動空壓機利用效率達到節能的目的，所以乘客門開關6次時，剛好達到空壓機啟動壓力。本車輔助儲氣筒容積為8L。

根據以上計算本車儲氣系統總容積約60L。由以上計算可知，前儲氣筒、后儲筒和駐車儲氣筒容積的選擇都符合國標要求。

3 電動空壓機系統設計

3.1 電動空壓機選型分析

當今電動客車飛速發展，對電動空壓機提出了新的要求：安全、可靠、低成本、低噪聲、高效率、低能耗，后期維護簡單方便。

當前電動空壓機的驅動電機主要有三相異步、永磁同步、直流無刷等常用類型。永磁電動機具有較高的功率、質量比，體積更小，質量更輕，比其他類型電動機的輸出轉矩更大，電動機的極限轉速和制動性能也比較優異，因此永磁同步電機受到更多用戶的青睞。

目前國內電動空壓機的氣泵類型，市場有4種主要產品：活塞式、滑片式、渦旋式、螺桿式，其工作原理、優缺點對比分析見表3。

綜合考慮：本車選用永磁同步電機、無油活塞式電動空壓機。

3.2 電動空壓機流量參數

容積流量又被稱為排氣量、出氣率或銘牌流量。

空壓機的排氣壓力和流量要求必須與整車制動系統要求相一致，應根據一次制動的氣量、一次全制動儲氣罐壓力降、使用頻率來確定空壓機的排量。同時考慮氣動乘客門、氣喇叭等用氣量。

空壓機排氣壓力的設計要求：為了保證在空壓機停止工作的時間內仍能確保制動氣室、駐車制動以及其它氣動裝置正常工作，在計算時取工作氣壓為0.6MPa。本文車型采用的儲氣筒額定工作氣壓為1.0MPa，考慮到氣管路壓力損失，對應的空壓機工作的壓力為1.0MPa。

空壓機的出氣率可用下式計算：

式中：D——空壓機的氣缸直徑，m；s——空壓機的活塞行程，m；n——空壓機的曲軸轉速，r/min；i——空壓機的氣缸數；ηv——容積效率，計算時可取0.5～0.7，是考慮到活塞至上止點時活塞頂與氣缸之間的自由容積，以及空氣在流入氣缸過程中受熱等因素引起的出氣量的損失。

表3 電動空壓機類型對比分析

一般在設計時取s/D=0.5～0.75［3］。

6米純電動城市客車電動空壓機參數見表4。

表4 電動空壓機參數

空壓機所需驅動功率可用下式計算：

式中：p1——進氣壓力，Pa；p2——壓縮終了的壓力，Pa；η——空壓機的機械效率，約為0.4～0.7；Vk——空壓機的出氣率，L/min。

電動空壓機所需驅動功率參數見表5。

表5 電動空壓機所需驅動功率

3.3 電動空壓機電機參數

電機的主要作用是驅動空壓機泵頭運轉，根據空壓機性能計算的技術參數，匹配電機時主要考慮電機的功率、轉速、扭矩等參數。

3.3.1 電機功率、轉速匹配電機功率可用下式計算：

式中：N——空壓機所需驅動功率，kW；k——修正系數，為0.8～0.9，計算時取0.85；Pm——電機額定功率，kW。計算Pm=1.56，電機額定功率修正后取1.6kW。

根據空壓機性能計算參數，空壓機的驅動功率為1.33kW，根據電機功率等級選擇1.6kW，額定轉速為1500r/min，額定轉矩10.2Nm。

3.3.2 電機電壓平臺匹配

電機的額定電壓需適配儲能系統的電壓平臺，一般有220V和380V兩種規格。本文案例電池電壓平臺超過300V，故選用電機額定電壓為AC 220V。同時根據《電動客車安全技術條件》，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。

3.4 電動空壓機性能參數

本文車型采用的永磁同步電機、無油活塞式電動空氣壓縮機參數見表6。

表6 電動空壓機參數

3.5 充氣時間分析

空壓機排氣量的設計，根據文獻［1］的相關要求：對氣制動系統，按規定的條件下進行試驗，最不利的儲能裝置的升壓時間應不大于表7中規定的時間；當車輛裝有一個或一個以上輔助設備用的儲能裝置，且其總容積超過制動儲能裝置總容積的20%，則應進行附加試驗，最不利的制動儲能裝置的升壓時間應不得大于表7規定的時間。

表7 充氣時間

充氣時間可用下式計算：

式中：V總——整車儲氣系統總容積，L；ΔP——空壓機的啟停工作差，MPa；Vk——空壓機排氣量L/min。

根據以上計算可得，本電動空壓機打氣時間見表8，滿足標準要求。

表8 空壓機泵氣時間

4 電動空壓機系統裝車驗證

通過上述對電動空壓機與儲氣筒容積初步設計計算，理論上滿足技術要求，同時需要對電動空壓機電機功率、噪聲、充氣時間以及制動次數等技術指標進行實測驗證，來證明設計的合理性。及時進行修正和優化，使得性能達到最佳狀態。

4.1 電機功率

在進行電動空壓機電機功率測試時，可將車上其它空調、助力轉向油泵等電器不工作，通過以下計算來驗證電機功率是否滿足設計要求。

根據實際測量，電機交流側的電流在4.8～5.2A之間變化，電壓在205～215V上下波動，將數據代入上式計算，電機空壓機電機輸入端的平均功率=1.732×210×5.0×0.9/1000=1.64kW。

因此基本滿足電機功率為1.6kW的設計目標。

4.2 充氣時間測試

根據文獻［2］的相關要求，進行實車測試。每次測試前，需要先將車輛所有儲氣筒內壓縮空氣排盡。為避免測試誤差，不低于3次重復測試。檢測數據記錄見表9。

4.3 噪聲測試

根據文獻［5］的要求，對空壓機進行噪聲測試，因實際測試環境無法滿足標準的相關要求，一般選擇在空曠、環境噪聲小于45dB（A）的場地進行模擬測試。

將噪聲儀放置于距離空壓機1m處測量。

采集輸出端負載壓力變化期間的噪聲，重復測試不少于8次。

根據文獻［6］的要求，城市客車車內駕駛區噪聲聲壓限值不高于78dB（A）。因此將電動空壓機部件工作噪聲聲壓限值不高于78dB（A），測試結果見表10。

表9 電動空壓機系統充氣時間記錄表

表10 電動空壓機系統噪聲測試數據

4.4 制動次數

根據文獻［2］的相關要求，儲能裝置的初始能量水平應符合制造商規定，并能確保達到規定的行車制動性能。試驗期間，不應給儲能裝置補充能量，且應斷開輔助設備的儲能裝置。機動車在連續5次踩到底的全行程制動后，氣壓不低于起步氣壓0.55MPa；對行車制動系統控制裝置進行8次全行程促動后，氣壓不低于0.37MPa。彈簧制動系統進行3次“制動-解除制動”操作氣壓不低于0.37MPa。Pi次全制動后前后儲氣筒壓力變化表見表11。

表11 Pi次全制動后前后儲氣筒壓力變化表

Pi（i=0-11)為第i 次全制動后系統的壓力，滿足設計標準。

5 電動空壓機使用要求

5.1 安裝場所要求

1） 機組安裝要求：須水平安裝，通過減震墊固定在客車的底盤上，并連接牢固，前后左右需留有100mm以上空間，以便維護及保養。

2） 工作環境要求：空間通風條件良好，安裝在清潔、干燥、通風良好的場所，溫度不要大于40℃，同時還應滿足機器的工作環境周圍沒有粉塵。

3） 管路安裝要求：考慮管路的尺寸符合空壓機的排氣量和排氣壓力，排氣管盡量低于排氣口高度，便于冷凝水排出，防止積水結冰將管路凍住，并且能夠方便更換，建議排氣口接軟管，防止因震動導致的硬連接破壞。

5.2 維護與保養

符合要求的維護與保養可有效保障空氣壓縮機正常運行和行車安全。空壓機的日常保養和定期保養，可參看空壓機廠的使用說明書。

6 結束語

通過對電動空氣壓縮機與制動系統儲氣筒性能參數作為一個整體進行系統分析、研究、計算，并以方程的形式對儲氣筒容積、電動空壓機流量及電機功率、整車的充氣時間及制動次數等建立計算模型，為電動汽車的研究提供必要的設計經驗和理論基礎。